Điều khiển tự động thuỷ lực - Khí nén - Chương 6: Phương pháp thiết kế mạch thuỷ lực

ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG THUỶ LỰC - KHÍ NÉN 
GIẢNG VIÊN: ThS.UÔNG QUANG TUYẾN 
Hà Nội - 2010 
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT 
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HOÁ 
-----o0o----- 
EBOOKBKMT.COM 
2 
ThS.Uông Quang Tuyến 
CHƯƠNG 6. PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠCH THUỶ LỰC 
6.1. Giới thiệu về hệ thống điều khiển 
	Trong kỹ thuật điều khiển, các hoạt động của các cơ cấu trong hệ thống điều khiển tự động đều xuất phát từ các phương trình chuyển động được xây dựng trên nguyên lý làm việc của hệ thống. Các phương trình này là hàm tích hợp những giá trị của tín hiệu vào và tín hiệu ra và được viết dưới dạng các biến số của đại số Bool. 
	Quá trình định nghĩa tín hiệu vào ra đầy đủ, tuân thủ nguyên lý hoạt động của hệ thống để xây dựng được các hàm tối ưu, tức giảm thiểu được tối đa các phần tử logic trong thiết kế là một nhiệm vụ quan trọng trong kỹ thuật điều khiển. 
	Tùy theo mức độ đơn giản hay phức tạp của hoạt động hệ thống ta có thể có ít hay nhiều phương trình điều khiển. 
3 
ThS.Uông Quang Tuyến 
CHƯƠNG 6. PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠCH THUỶ LỰC 
Ví d ụ : Cơ cấu một đầu khoan tự động thủy lực mô tả hình 6.1 , với yêu cầu kỹ thuật như sau: 
Đưa chi tiết cần khoan vào vị trí cần khoan, khi đó ta ấn nút Start PB, đầu khoan tịnh tiến đến và khoan chi tiết. Đạt đến chiều sâu cần thiết (S2) đầu khoan tự động quay về. Trong quá trình khoan nếu xảy ra sự cố ta ấn nút Stop PB đầu khoan tự động lùi về . 
Hình 6.1- Cơ cấu khoan 
Hình 6.2- Mạch thuỷ lực cơ cấu khoan 
4 
ThS.Uông Quang Tuyến 
CHƯƠNG 6. PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠCH THUỶ LỰC 
Phương trình điều khiển được viết như sau: 
Phương trình tải: 
	1Y = K 
Dựa vào phương trình điều khiển và phương trình tải, mạch điện điều khiển được thiết kế như hình 6.3 và mạch điều khiển bằng thủy lực hình 6.4 . 
Hình 6.3- Mạch điều khiển bằng thuỷ lực 
Hình 6.4- Mạch điều khiển điện 
5 
ThS.Uông Quang Tuyến 
CHƯƠNG 6. PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠCH THUỶ LỰC 
6.2. Phân loại phương pháp điều khiển 
1. Điều khiển tùy thuộc 
Điều khiển tùy thuộc là điều khiển thường các tác động được thực hiện bằng tay hay bằng chân. Trong điều khiển khí nén – thủy lực tùy thuộc tín hiệu đầu vào là các van tác động bằng tay, chúng kích hoạt các pít tông dịch chuyển về phía trước hoặc trở về vị trí ban đầu theo mong muốn. 
Tất cả những điều khiển tùy thuộc đòi hỏi vận hành của con người mới trở nên hiệu lực. Điều khiển tùy thuộc thích hợp ở bất cứ nơi đâu mà ta không quan tâm đến chu trình làm việc tự động của hệ thống. 
Hình 6.5 mô tả mạch dập đơn giản điều khiển tùy chọn. Gồm một van 4/2 có nhớ 2.6, một phần tử OR và 3 van tác động tín hiệu bằng tay. 
Hình 6.5- Điều khiển tuỳ thuộc 
6 
ThS.Uông Quang Tuyến 
CHƯƠNG 6. PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠCH THUỶ LỰC 
2. Điều khiển theo hành trình 
Trong một hệ thống điều khiển theo hành trình, hoạt động của các phần tử đưa tín hiệu khởi động các cơ cấu chuyển hướng hay vận hành các vòng lặp điều khiển khác được thực hiện bởi chính các phần tử chấp hành. 
Các tín hiệu hành trình được kích trực tiếp từ cần pit tông ở cuối của mỗi hành trình. 
Tuy nhiên để thực hiện những nhiệm vụ hoặc những yêu cầu nào đó, ta có bố trí các tín hiệu hành trình ở những vị trí bất kỳ trên khoảng chạy của pít tông. Hình 6.6 mô tả một mạch làm việc được lặp đi lặp lại. Ngay khi nguồn khí cung cấp được mở bởi van 0.1, pít tông được khởi động qua lại trong xy lanh cho tới khi nguồn khí cung cấp được đóng lại. Van tác động con lăn 1.1 và 1.2 được bố trí như các hành trình để đưa tín hiệu tới van nhớ trạng thái 4/2 1.3 khi cần pit tông chạm vào con lăn. 
Hình 6.6- Điều khiển theo hành trình 
7 
ThS.Uông Quang Tuyến 
CHƯƠNG 6. PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠCH THUỶ LỰC 
3. Điều khiển theo thời gian 
Điều khiển theo thời gian là trạng thái điều khiển của hệ thống tác động chỉ phụ thuộc vào đại lượng thời gian của các phần tử định thời. Các phần tử định thời có thể là khí nén, dầu ép hoặc điện. 
Hình 6.7 mô tả hệ thống ép ủi hơi két nón. Khi nhấn nút ấn S1 van đảo chiều 1Y đổi vị trí, pittông 1A đi lên để ép két nón, đồng thời dòng điện vào phần tử relay thời gian T1. Sau thời gian t thì pittông sẽ đi xuống trở về vị trí ban đầu. 
Hình 6.7- Điều khiển theo thời gian 
8 
ThS.Uông Quang Tuyến 
CHƯƠNG 6. PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠCH THUỶ LỰC 
Hình 6.8 là cơ cấu điều khiển dịch chuyển pittông khí nén để đẩy các sản phẩm theo nguyên lý thời gian. Với các phần tử thời gian sử dụng nguồn năng lượng lưu chất thì chỉ hoạt động ở hai vị trí cuối của xylanh khí nén. Thời gian trì hoãn phụ thuộc vào độ hiệu chỉnh của van tiết lưu. 
Hình 6.8- Điều khiển theo thời gian bằng lưu chất khí nén 
9 
ThS.Uông Quang Tuyến 
CHƯƠNG 6. PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠCH THUỶ LỰC 
4. Điều khiển phối hợp 
Điều khiển phối hợp là điều khiển phối các điều khiển trên. 
Hình 6.9 là mô tả mạch điều khiển của cơ cấu ép phối hợp 3 thành phần điều khiển: tùy chọn (2.3), hành trình (2.2) và thời gian (2.5). Bình thường khi cấp nguồn năng lượng thì phần tử 2.5 xác lập thời gian và sau thời gian này thì có dòng năng lượng tạo ra nhưng nó đi qua cửa xả của 2.3 không đủ áp để kích van 2.4. 
Ngược lại nếu tác động 2.3 mà 2.5 chưa xác lập thì dòng năng lượng được tạo ra cũng không kích cho van 2.4 hoạt động. Tín hiệu kích van 2.4 dịch chuyển với điều kiện đồng thời nút nhấn 2.3 được tác động và sau thời gian xác lập của phần tử 2.5. Khi pittông ép đi ra và chạm vào công tắc hành trình 1.2 thì van 2.4 bị kích ngược lại và pittông lại trở về vị trí ban đầu. 
Hình 6.9- Điều khiển ép phối hợp 
10 
ThS.Uông Quang Tuyến 
CHƯƠNG 6. PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠCH THUỶ LỰC 
5. Điều khiển theo chương trình cứng 
Các điều khiển máy móc hoàn toàn tự động được phân theo ý muốn và được chỉ định theo các điều khiển chương trình hoặc các điều khiển liên tục. Cả hai hệ thống có những ích lợi và những bất lợi. Với điều khiển chương trình, các tác động được thi hành theo sự thỏa thuận với một chương trình định nghĩa trước. Thông thường bộ chương trình bao gồm một cái trục được vận hành bằng điện lắp với một số cam (chi tiết cam cơ khí) điều khiển một số van tương ứng. Chương trình được biên dịch bởi các cam được lắp đặt chính xác và tốc độ quay của trục cam. 
Hình khai triển 6.10 mô tả một điều khiển theo chương trình cứng điều khiển máy nong đầu cắt ống nhựa theo kích thước. Tốc độ của động cơ vận hành đồng bộ thích ứng với khoảng thời gian của một chu kỳ làm việc đầy đủ hoàn tất trong một vòng quay. Mỗi xy lanh tác động kép được điều khiển bởi van tác động con lăn 4/2 với lò xo trả về vị trí ban đầu. 
11 
ThS.Uông Quang Tuyến 
CHƯƠNG 6. PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠCH THUỶ LỰC 
Hình 6.10- Điều khiển theo chương trình cứng 
12 
ThS.Uông Quang Tuyến 
CHƯƠNG 6. PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠCH THUỶ LỰC 
6. Điều khiển tuần tự 
Nguyên tắc của điều khiển tuần tự là hoạt động của phần tử trước sẽ khởi tạo hoạt động phần tử kế tiếp. Nếu một hoạt động của một phần tử nào đó bị lỗi dù bất kỳ lý do gì gây nên các phần tử tiếp theo sau không được khởi tạo và toàn bộ hệ thống sẽ bị dừng. Điều khiển tuần tự được thiết kế cho các vận hành tự động hoặc bán tự động. Bán tự động khi tín hiệu khởi động phải được tác động bằng tay cho mỗi lần chạy. 
13 
ThS.Uông Quang Tuyến 
CHƯƠNG 6. PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠCH THUỶ LỰC 
Hình 6.11- mô tả mạch điều khiển tuần tự bán tự động 
Hình 6.12- mô tả mạch điều khiển tuần tự hoàn toàn tự động. 
14 
ThS.Uông Quang Tuyến 
CHƯƠNG 6. PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠCH THUỶ LỰC 
6.3. Phương pháp thiết kế mạch điều khiển 
Mạch điều khiển được xem như là một quả tim của của một hệ thống làm việc khí nén và thủy lực. Do đó nhiệm vụ thiết kế hoàn chỉnh một mạch điều khiển đảm bảo được sự đúng đắn về nguyên lý hoạt động, đơn giản, tin cậy, ổn định và linh hoạt là hết sức được quan tâm. Muốn như vậy, cơ bản ta phải thực hiện trình tự những bước sau: 
• Biễu diễn sơ đồ chức năng của quá trính điều khiển. 
• Viết chương trình điều khiển của các bước làm việc trong quá trình. 
• Xây dựng mạch điều khiển trên cơ sở của phương trình điều khiển. 
6.3.1. Biểu diễn chức năng của quá trình điều khiển 
Tùy thuộc vào tính năng làm việc của hệ thống mà trong một hệ thống điều khiển có thể có một hay nhiều mạch điều khiển thực hiện các nhiệm vụ riêng biệt. Mặt khác, hầu hết trong các hệ thống, công nghệ tự động hiện đại có sự kết hợp rất nhiều các cơ cấu chấp hành khác nhau rất đa dạng: Cơ khí, khí nén, thủy lực, điện do đó trong quá trình điều khiển, tất yếu là nhiều hệ thống điều khiển được kết hợp với nhau, ví dụ: điều khiển khí nén kết hợp với điện, thủy lực, điều khiển theo chương trình PLC, máy tính 
15 
ThS.Uông Quang Tuyến 
CHƯƠNG 6. PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠCH THUỶ LỰC 
6.3.1.1. Biểu đồ trạng thái 
1. Kí hiệu 
Hình 6.13- Kí hiệu biểu diễn biểu đồ trạng thái 
16 
ThS.Uông Quang Tuyến 
CHƯƠNG 6. PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠCH THUỶ LỰC 
2. Thiết kế biểu đồ trạng thái 
Biểu đồ trạng thái biểu diễn các trạng thái hoạt động của các phần tử trong hệ thống, mối liên hệ giữa các phần tử và trình tự chuyển mạch của các phần tử. Do đó nó được xem như là cơ sở thể hiện nguyên lý hoạt động của một hệ thống. 
Trục tung của biểu đồ trạng thái là biểu diễn trạng thái (hành trình chuyển động, áp suất, góc quay,). Trục hoành biểu diễn các bước thực hiện hoặc là thời gian hành trình. Hành trình làm việc được chia thành nhiều bước. Sự thay đổi trạng thái các bước được biểu diễn bằng các đường nét đậm. Sự liên kết các tín hiệu được thể hiện bằng các nét nhỏ và chiều tác động được biểu diễn bằng mũi tên 
17 
ThS.Uông Quang Tuyến 
CHƯƠNG 6. PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠCH THUỶ LỰC 
Ví dụ : thiết kế biểu đồ trạng thái của quy trình điều khiển sau: 
Xy lanh tác dụng kép 1A dẫn hướng các phôi cục tròn đến một khâu làm việc kế tiếp. Ở hai phía đầu và cuối hành trình có gắn 2 cữ hành trình 1S2 và 1S3. Pittông dịch chuyển đẩy phôi(hành trình đi) khi đồng thời 1S2 và nút nhấn 1S1 được tác động. Thời gian của hành trình đi là t1 = 0.6 s, thời gian hành trình về là t2 = 0.4 s, thời gian pittông lưu trú tại vị trí 1S3 là t3 =1 s. 
18 
ThS.Uông Quang Tuyến 
CHƯƠNG 6. PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠCH THUỶ LỰC 
6.3.1.2. Sơ đồ chức năng 
Sơ đồ chức năng bao gồm các lệnh và các bước thực hiện. Các bước thực hiện được kí hiệu theo số thứ tự và các lệnh gồm tên loại, loại lệnh và vị trí ngắt của lệnh 
19 
ThS.Uông Quang Tuyến 
CHƯƠNG 6. PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠCH THUỶ LỰC 
6.3.1.3. Lưu đồ tiến trình 
1. Kí hiệu 
Lưu đồ tiến trình là giải thuật (thuật toán) của một quá trình điều khiển. Thể hiện các trình tự hoạt động, những tín hiệu tác động ảnh hưởng đến hệ thống điều khiển. 
Hình 6.17- Kí hiệu biểu diễn lưu đồ tiến trình 
20 
ThS.Uông Quang Tuyến 
CHƯƠNG 6. PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠCH THUỶ LỰC 
2. Thiết kế lưu đồ tiến trình 
Nguyên tắc hoạt động của mạch điều khiển ở hình 6.18 được thực hiện như sau: 
- Bước thực hiện thứ nhất: 
Khi pittông ở vị trí ban đầu (1S2 =1, 1S3=0) nút nhấn khởi động 1S3 tác động pittông đi ra (1A+). 
- Bước thực hiện thứ hai: 
Khi pittông đi đến cuối hành trình chạm công tắc 1S1, pittông sẽ lùi về (1A-). 
- Bước thực hiện thứ ba: 
Tại vị trí ban đầu pittông chạm công tắc 1S2, quá trình điều khiển kết thúc. 
Quá trình điều khiển được viết như sau: 
- Bước thực hiện thứ nhất: 
- Bước thực hiện thứ hai: 
 1S1=1A- → 1S2 
- Bước thực hiện thứ ba: 
 1S2 = 1 kết thúc quá trình