Bài giảng môn Điều khiển điện khí nén

TRƯỜNG TRUNG CẤP NGHỀ GIA LAI ------O0O------ BÀI GIẢNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN KHÍ NÉN Ho Chi Minh city, September 2010 Mục đích của môn học  Hiểu chức năng, nguyên lý làm việc của các phần tử khí nén, điện -khí nén, thủy lực, điện thủy lực.  Có kiện thức để thiết kế mạch điều khiển khí nén, điện khí nén, thủy lực, điện thủy lực.  Đọc và phân tích được các hệ thống điều khiển bằng khí nén, thủy lực, điện thủy lực trong thực tế.  Phát hiện lỗi cúa các phần tử và hệ thống, sữa chữa và bảo dưỡng hệ thống. Tài liệu tham khảo  Tài liệu tham khảo chính: [1] Nguyễn Ngọc Phương, Hệ thống điều khiển bằng khí nén, NXB Giáo dục, 1999. [2] Nguyễn Ngọc Phương, Hệ thống điều khiển bằng thủy lực, NXB Giáo dục, 2000  Các tài liệu khác [1] Andrew A. Parr, Hydraulics and Pneumatics, Elsevier Science & Technology Books CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ KHÍ NÉN 1.1. Tổng quan 1.1.1. Lịch sử 1.1.2. Ứng dụng 1.1.3. Ưu và nhược điểm 1.2. Cơ sở lý thuyết 1.2.1. Đơn vị sử dụng 1.2.2. Áp suất 1.2.3. Lực 1.2.4. Lưu lượng 1.2.5. Các định luật khí 1.3. Cấu trúc cơ bản của HT điều khiển tự động khí nén 1.4. Các phương pháp điều khiển tự động trong HT khí nén TỔNG QUAN  Khí nén là một phần của lưu chất với không khí hoặc các loại khí khác được nén lại. Pneumatics: xuất phát từ tiếng Hy Lạp là Pneuma có nghĩa là khí, gió hoặc hơi thở.  Điều khiển khí nén được thiết kế với mục đích hướng dòng chảy của khí nén theo các mạch để điều khiển cơ cấu chấp hành.  Các dòng chảy dưới dạng năng lượng khí nén sẽ điều khiển cơ cấu chấp hành thực hiện chuyển động tịnh tiến hay quay. LỊCH SỬ  Cuối thế kỷ XVII, Torricelli, Mariotte và sau đó là Bernoulli đã tiến hành nghiên cứu các lý thuyết và ứng dụng liên quan đến áp suất và lực đi ra từ các lỗ trên các thùng chứa nước và các đường dẫn. Blaise Pascal đưa ra các định luật nền tảng của khoa học thủy lực.  Cuối những năm 1930 và đặc biệt là trong khoảng thời gian chiến tranh TG thứ II, các hệ thống điều khiển bằng lưu chất được sử dụng rộng rãi và phát triển khá mạnh, được ứng dụng rộng rãi trong các máy móc sản xuất.  Vào năm 1951 các ứng dụng trong công nghiệp tăng rất nhanh, các hội nghị được tổ chức như Detrit, Michigan với mục đích hình thành nên một tiêu chuẩn cho các thiết bị khí nén và thủy lực.  Vào năm 1966, một hệ thống ký hiệu được đưa ra bởi Viện tiêu chuẩn Hoa Kỳ (United States America Standards Institute). Khi chúng ta sử dụng các ký hiệu này, người bảo trì dễ dàng thay thế và sửa chữa các thiết bị trong hệ thống, dễ dàng phán đoán các lỗi hư hỏng của hệ thống bằng cách tham khảo các catalogue của nhà sản xuất. ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG KHÍ NÉN  Các dây chuyền tự động: đóng gói, vận chuyển, cấp phôi, gá đặt sản xuất dược phẩm, hoá chất, nước giải khát,.  Có thể sử dụng ở trong những môi trường khắc nghiệt, lĩnh vực nguy hiểm.  Sản xuất, lắp ráp các thiết bị điện tử & chế biến thực phẩm vì điều kiện vệ sinh môi trường rất tốt và độ an toàn cao. ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG KHÍ NÉN Máy cắt giấy và hệ thống cấp dung dịch vào chai bằng hệ thống khí nén ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG KHÍ NÉN ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG KHÍ NÉN ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG KHÍ NÉN Xy lanh A Xy lanh B S1 S2 S3 S4 B1 Quy trình đẩy chi tiết với hai xy lanh So sánh hệ thống khí nén, thủy lực và điện Điện Thủy lực Khí nén Nguồn năng lượng Tích trữ năng lượng Hệ thống phân phối Giá thành năng lượng Cơ cấu chấp hành quay Cơ cấu chấp hành tuyến tính Lực có thể điều khiển Nhược điểm chính Thường sử dụng nguồn cung cấp bên ngoài Giới hạn (pin) Tốt với rò rỉ ít Động cơ Ac và DC. Điều khiển động cơ Dc dễ. Động cơ AC rẻ Khoảng hành trình ngắn sử dụng solenoid hoặc thông qua chuyển đổi cơ khí Có thể điều khiển với động cơ DC và solenoid. Tuy nhiên cần giải nhiệt Nguy hiểm khi giật điện Động cơ điện hoặc động cơ diesel Giới hạn (bộ tích áp) Giới hạn do thiết bị Trung bình Tốc độ di chuyển chậm. Dễ điều khiển. Có thể dừng Xylanh. Lực lớn Lức có thể điều khiển Rò rỉ gây nguy hiểm, có thể gây cháy nổ Động cơ điện hoặc động cơ diesel Tốt có thể phân phối khắp nhà máy Cao nhất Khoảng thay đổi tốc độ lớn. Khó điều khiển chính xác tốc độ Xylanh, lực trung bình Lức có thể thay đồi được Tiếng ồn ÑOÁI TÖÔÏNG ÑIEÀU KHIEÅN (Cô caáu chaáp haønh) PHAÀN TÖÛ ÑIEÀU KHIEÅN (Cô caáu taùc ñoäng - Output) PHAÀN TÖÛ XÖÛ LYÙ TÍN HIEÄU (Processing) PHAÀN TÖÛ NHAÄN TÍN HIEÄU (Input) - Xylanh - Xylanh quay - Ññoäng cô khí neùn - Van ñaûo chieàu - Phaàn töû chuyeån ñoåi - Van chaân khoâng - Van ñaûo chieàu - Van chaén (OR, AND, xaû khí nhanh) - Van tieát löu, - Van thôøi gian, boä ñeám - F-F khí neùn, CPU khí neùn Nuùt nhaán, coâng taéc, coâng taéc haønh trình, caûm bieán, löu chöông trình NGUOÀN NAÊNG LÖÔÏNG ÑIEÄN NGUOÀN NAÊNG LÖÔÏNG KHÍ NEÙN - Ñoäng cô ñieän - Solenoid - Ñoäng cô tònh tieán - Coâng taéc tô coâng suaát - Transistor coâng suaát - Thyristor coâng suaát - Coâng taéc tô - Rôle - Module ñieän töû - PLC - CPU - Boä ñònh thôøi, boä ñeám - Coâng taéc - Nuùt nhaán - Module chöông trình - Caûm bieán - Chöông trình KHÍ NEÙN ÑIEÄN - ÑIEÄN TÖÛ ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM  ƯU ĐIỂM • Độ an toàn làm việc cao trong môi trường dễ cháy nổ và có thể làm việc trong môi trường khắc nghiệt như phóng xạ hoặc hoá chất. • Độ tin cậy làm việc cao. • Kết cấu, sử dụng và điều khiển đơn giản. • Dễ dàng tự động hoá. • Thời gian đáp ứng nhanh, tác động nhanh và có thể làm việc từ xa. • Giá thành thiết kế hệ thống rẻ. ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM  NHƯỢC ĐIỂM • Kích thước lớn hơn so với hệ thống thủy lực có cùng công suất. • Tính nén được của khí ảnh hưởng tới chất lượng làm việc của hệ thống. • Do khí xả ra qua các cửa tạo nên âm thanh khá ồn. • Do vận tốc của các cơ cấu chấp hành khí nén lớn nên dễ xảy ra va đập ở cuối hành trình. • Việc điều khiển theo quy luật vận tốc cho trước và dừng lại ở vị trí trung gian cũng khó thực hiện được chính xác như đối với các hệ thống khác. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐẶC TÍNH CỦA KHÍ  Khí là một trong ba trạng thái cơ bản của vật chất. Khí cũng có đặc tính tương tự với chất lỏng là không có hình dạng xác định mà có hình dạng phụ thuộc vào hình dạng của vật chứa và áp suất truyền theo mọi hướng.  Khí khác với chất lỏng là không có thể tích cố định. Khí có thể được nén ở áp suất cao còn chất lỏng thì chỉ nén được với một thể tích rất nhỏ (có thể được xem như không nén được). TỶ TRỌNG Các thí nghiệm ban đầu về các trạng thái khí và không khí được thực hiện bởi các nhà khoa học như Boyle và Charles. Các kết quả của các thí nghiệm chỉ ra đặc tính của khí theo các quy luật sau, quy luật này được biết như là định luật khí lý tưởng. 1 1 2 2 1 2 . . .P V P V P V T T T   = R = const (hằng số) P: Áp suất tuyệt đối (bar). V: Thể tích (m3 ). T: nhiệt độ (0K). CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐƠN VỊ SỬ DỤNG Có 3 hệ thống đơn vị thường được sử dụng là: • Hệ thống đơn vị Metric: mét, kilôgram và giây • Hệ thống Imperial System: foot, pound, giây • Hệ thống đơn vị SI: mét, newton, giây ÁP SUẤT Áp suất khí quyển: Đây là áp suất tạo ra trên bề mặt trái đất bằng khối lượng không khí bao quanh trái đất là 14,7 psi (Pound/inch). Áp suất khí quyển là áp suất không khí bao quanh chúng ta (1 bar) Áp suất dư (Áp suất tương đối): áp suất sẽ được đo với mức chuẩn là áp suất khí quyển. Áp suất dư bằng 0 chính là áp suất khí quyển. Áp suất tuyệt đối: Áp suất tuyệt đối = Áp suất dư + Áp suất khí quyển. Áp suất khí quyển có thể đo bằng chiều cao của cột dung dịch trong chân không (1013 mbar = 1000 mbar) ÁP SUẤT Áp suất khí nén: áp suất khí nén là lực tác động trên một đơn vị diện tích. FP A  (N/m2) Chuyển đổi giữa các đơn vị đo áp suất LỰC  Khí nén tạo thành lực với giá trị bằng áp suất tác dụng lên bề mặt nhân với diện tích tác dụng.  Dung dịch trong bình được cung cấp áp suất và chuyển thành lực. .F P A Như vậy lực đẩy ra của piston sinh ra bởi áp suất khí được tính bằng cách nhân diện tích hiệu dụng với áp suất. 2. . 4 D PF  Với : F : Lực đẩy ra của piston (N). D : Đường kính piston (m). P : Áp suất khí nén cấp lên xy lanh (N/m2). D m P bar LƯU LƯỢNG  Lưu lượng được đo là một thể tích không khí tự do đi qua trong một đơn vị thời gian. Đơn vị thường sử dụng: Lít hoặc dm3 trên giây : l/s hoặc dm3/s. Thể tích trên phút : m3/ph. Thể tích đo trên đơn vị feet trên 1 phút : scfm. Lưu lượng thường được tính bằng lít khí tự do trên một đơn vị thời gian. - 1 m3/s = 35.31 scfm. - 1 dm3/s = 2.1 scfm. - 1 scfm = 0.472 l/s. - 1 scfm = 0.0283 m3/phút. Mối tương quan giữa áp suất và thể tích khí CÁC ĐỊNH LUẬT KHÍ  Định luật khí lý tưởng: Biểu diễn mối liên hệ giữa áp suất, thể tích và nhiệt độ. Khi áp dụng các định luật này chúng ta chỉ sử dụng áp suất và nhiệt độ tuyệt đối. 1 1 2 2 2 1PV T PV T V const T  P const T  Đẳng áp : Đẳng tích : Đẳng nhiệt : P.V = const 0 2 4 6 8 16 0 2 4 6 8 10 12 Volume V P (bar) P1.V1 = P2.V2 = constant 10 12 14 14 16 0 2 4 6 8 16 0 2 4 6 8 10 12 10 12 14 14 16 V P1.V1 = P2.V2 = constant P (bar) 0 2 4 6 8 16 0 2 4 6 8 10 12 10 12 14 14 16 V P (bar) 1. 1 = 2. 2 = constant ĐẲNG NHIỆT Định luật Boyle-: Tích của áp suất tuyệt đối và thể tích của khối khí luôn là hằng số nếu nhiệt độ của khí không thay đổi. Biểu đồ đẳng nhiệt CÁC ĐỊNH LUẬT KHÍ CÁC ĐỊNH LUẬT KHÍ ĐẲNG TÍCH 0 5 10 20-60 -40 -20 0 20 40 60 Nhiệt độ Celsius 15 80 100 0 2 4 6 8 bar 10 12 14 16 P1 P2 T1(K) T2(K)= c= P (bar) r Nhiệt độ Celsius P (bar) i t l i P (bar) Nhiệt độ Celsius - - - P (bar) 0 2 4 6 8 bar 10 12 14 16  Từ định luật Boyle và Charles chúng ta có thể nhận thấy rằng nếu thể tích của một khối khí được giữ ở một giá trị không đổi thì áp suất sẽ tỷ lệ với nhiệt độ tuyệt đối 0K.  Định luật Gay-Lussac: Áp suất tuyệt đối của khí tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối của nó (thể tích khí không đổi V = const).  00C = 2730K. CÁC ĐỊNH LUẬT KHÍ 0 0.25 0.5 0.75 1 2-60 -40 -20 0 20 40 60 V Nhiệt độ (Celsius) 1.25 1.5 1.75 80 100 293K V1 V2 T1(K) T2(K)= c= . . . olume i l i . . . 366.25K l 219.75K Nhiệt độ (Celsius) 219.75K 293K Biểu đồ đẳng áp ĐẲNG ÁP Định luật Charles: Với một khối khí ở áp suất không đổi thì thể tích sẽ tỷ lệ với nhiệt độ tuyệt đối. Như vậy theo định luật Charles: Thể tích của khí trong bình chứa sẽ thay đổi tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối (áp suất không thay đổi ) CÁC ĐỊNH LUẬT KHÍ ĐỊNH LUẬT KHÍ TỔNG QUÁT Định luật khí tổng quát là sự kết hợp giữa các định luật Boyle và Charles với áp suất, thể tích và nhiệt độ có thể thay đổi giữa các trạng thái khí và chúng có mối liên hệ với giá trị hằng số. 1 1 2 2 1 2 . .P V P V const T T   Biểu đồ biểu diễn định luật khí tổng quát CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG KHÍ NÉN Sơ đồ cấu tạo chức năng của hệ thống điều khiển khí nén- điện CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG KHÍ NÉN ĐIỀU KHIỂN BẰNG KHÍ NÉN • Các thiết bị xử lý, điều khiển, • Thông tin điều khiển, • Cơ cấu chấp hành Đều dựa trên thông tin của dòng khí nén để thực hiện các chuyển động thích hợp theo yêu cầu. Các loại mạch điều khiển hành trình: • Mạch điều khiển tuần tự. • Mạch điều khiển theo tầng. • Mạch điều khiển theo nhịp. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG KHÍ NÉN ĐIỀU KHIỂN BẰNG ĐIỆN Các loại mạch điều khiển hành trình: • Mạch điều khiển tuần tự. • Mạch điều khiển theo tầng. • Mạch điều khiển theo nhịp. • Sử dụng các van điện từ (solenoid) để điều khiển chuyển động của các cơ cấu chấp hành bằng khí nén • Cơ sở thiết kế mạch điều khiển hành trình là vị trí các phần tử đưa tín hiệu vào (công tắc, cảm biến...) CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG KHÍ NÉN Sơ đồ mạch điều khiển khí nén Thiết kế mạch điều khiển điện – khí nén Cơ cấu chấp hành Phần tử điều khiển Nhận tín hiệu & xử lý tín hiệu van điện từ (solenoid) phần tử đưa tín hiệu vào (công tắc, cảm biến...) Nguyên lý hệ điều khiển chương trình có nhớ PLC: PLC kết hợp những phương thức điều khiển sau:  Logic (lý thuyết đại số Boole).  Phương pháp đếm trong kỹ thuật.  Rơle thời gian.  Các bộ nhớ. ĐIỀU KHIỂN BẰNG PLC CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG KHÍ NÉN  Hệ thống bằng rơle được thay thế bằng các IC số với kích thước nhỏ hơn và giá thành rẻ. Các IC số là những mạch tích hợp với các cổng logic để thực hiện các chức năng của hệ thống điều khiển. ĐIỀU KHIỂN BẰNG IC SỐ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG KHÍ NÉN 21 76543 1314 89101112 7408 21 76543 1314 89101112 7404 5V 5V Nguyên lý hệ điều khiển chương trình có nhớ PLC: PLC kết hợp những phương thức điều khiển sau:  Logic (lý thuyết đại số Boole).  Phương pháp đếm trong kỹ thuật.  Rơle thời gian.  Các bộ nhớ. ĐIỀU KHIỂN BẰNG PLC CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG KHÍ NÉN  Hệ thống máy tính ghép nối với các hệ thống điều khiển có độ chính xác cao, thời gian điều khiển và đáp ứng ngắn và dễ dàng trong việc thu thập và xử lý dữ liệu.  Sử dụng các IC số hay vi điều khiển ghép nối với máy tính,  Cần soạn thảo một chương trình để điều khiển với một ngôn ngữ lập trình nào đó với các dữ liệu và dữ kiện đề ra. ĐIỀU KHIỂN BẰNG MAY TÍNH CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG KHÍ NÉN `  en/   cs/index.htm