Thiết kế sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển

Chương 1: Thiết kế sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển. 1. Yêu cầu công nghệ: a.Sơ đồ công nghệ: 2.Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cân định lượng: Cân định lượng là một laọi cân được điều khiển tự động dùng trong nhiều ngành công nghiệp ở các lĩnh vực khác nhau như: hoá chất, xây dựng, xi măng,.... Cân định lượng dùng để pha chế các loại vật liệu khác nhau với liều lượng được đặt trước, sau đó được trộn đều để tiếp tục cho khâu kế tiếp. Ở sơ đồ công nghệ trên ta sử dụng hệ thống 3 phễu tạo thành 3 tầng có nhiệm vụ khác nhau. Tầng thứ nhất chứa vật liệu, tầng thứ hai sử dụng để cân định lượng vật liệu, tầng thứ ba có nhiệm vụ trộn đều vật liệu. Trên thực tế để quy trình công nghệ có tính ưu việt hơn ta có thể mở rộng không chỉ với số lượng 3 phễu mà có thể còn nhiều hơn. Quy trình hoạt động chính: Ban đầu vật liệu được chứa ở các bình chứa A, B, C, khi có tín hiệu điều khiển mở cửa sẽ trút vật liệu xuống các phễu D, E, F, được trút cho tới khi các cảm biến d1, e1, f1, có tín hiệu để đóng các bình A, B, C, lại sau khi các bình này đã đóng lại a b c B C A d2 d1 D e2 e1 D f1 D f2 g G M hoàn toàn đồng thời có đủ các tín hiệu d2 , e2 , f2 , các phễu D, E, F, sẽ được mở ra xả vật liệu xuống phễu G, ở đây diễn ra quá trình trộn vật liệu nhờ việc điều khiển mở động cơ M, sau khi trộn xong có tín hiệu g mở cửa xả vật liệu đã trộn ra ngoài tiếp tục công việc tiếp theo. Như thế đã kết thúc một quá trình công nghệ của hệ thống cân định lượng và quy trình lại bắt đầu lại từ đầu. 3. Đặt các biến logic cho hệ thống: Vì ta thấy một điểm đặc biệt là sự hoạt động của các phễu A-D, B-E, C-F, là hoàn toàn như nhau về mặt công nghệ nên ta có thể tách ra thành 3 nhánh song song riêng biệt và chỉ cần xét một nhánh rồi suy ra công nghệ cho các nhánh còn lại. Vậy ở đây ta sẽ xét cho nhánh phễu A-D-G, rồi từ đó suy ra các hàm điều khiển logic cho các nhánh còn lại vì về logic chúng hoàn toàn như nhau. - đặt biến đầu vào là: + Các biến logic: a, d2 ,g quy định sự xuất hiện hay biến mất của tín hiệu điều khiển sự đóng mở của các van theo thứ tự lần lượt đóng mở các cửa của bình A, D, G. + Biến logic d2 quy định sự có hay mất của tín hiệu phát ra từ bộ cảm biến khối lượng được đặt ở phễu D. + Ta quy định sự xuất hiện của các tín hiệu logic nay khi có là giá trị bằng "1", còn khi mất là giá trị bằng "0". - Các biến đầu ra: A,D,G, là các biến đầu ra chỉ trạng thái đóng mở của các van đóng mở hoạt động các cửa của phễu A,D,G. Ta quy định giá trị logic khi van mở là ="1", và khi van đóng là ="0". + Biến M là biến logic chỉ trạng thái làm việc của động cơ, quy định giá trị logic của M là : khi động cơ hoạt động thì M ="1", còn khi nghỉ là M="0".  Quy trình hoạt động của nhánh cân định lượng A-D-G: Trước khi khởi động hệ thống hệ thống cân định lượng, hệ đang được xắc lập tại trạng thái ban đầu là: Các tín hiệu a, g, là đang có cho nên lúc này vật liệu còn ở trong bình chờ A chưa được trút xuống bình cân D điều đó làm cho chưa thể có tín hiệu d1 đưa về từ cảm biến vì cảm biến chưa bị tác động, và lúc này tín hiệu d2 chưa có , van cửa D khoá, động cơ chưa hoạt động. Sau khi cho phép làm việc có tín hiệu mở máy, tín hiệu a mất làm cho van điều khiển cửa xả A được mở ra trút vật liệu xuống bình cân định lượng D. đến một lúc nào đó vật liệu đã được trút đủ lượng yêu cầu ( lượng do người vận hành đặt từ trước ) lập tức cảm biến d1 được tác động tín hiệu d1 xuất hiện tiến hành 2 việc: khoá van điều khiển cửa A lại, mở van điều khiển cửa D ra cho vật liệu được trút xuống phễu trộn G. Đòng thời với việc van điều khiển cửa D được mở ra sẽ xuất hiện tín hiệu d2 làm cho động cơ M bắt đầu làm việc tiến hành trộn vật liệu ở trong bình trộn G. Sau một khoảng thời gian cần thiết các tín hiệu d1 ,g mất đi làm cho van điều khiển cửa G mở ra, cửa D thì đóng lại, vật liệu được xả ra khỏi bình trộn và chu trình cứ được lặp đi lặp lại như thế. Khi muốn ngừng hệ thống ta cho tác động ngắt các tín hiệu d2 và bật tín hiệu g thì hệ thống sẽ quay trở về trạng thái ban đầu. II.Tổng hợp mạch điều khiển : Các biến đầu ra chỉ trạng thái các van điều khiển A, D, B, E, C, F, M, chỉ phụ thuộc vào các biến đầu vào tương ứng a,b,c,e1,d1,f1,d2,e2,f2, và g. Như đã xét ở trên vì chúng có cùng hoạt động tương tự như nhau cho nên việc tổng hợp hàm điều khiển chỉ cần xét cho một nhánh rồi sau đó sẽ suy ra cho các nhánh còn lại ( ở bài này như trên ta tiến hành xét nhánh A-D-G). Các biến đầu vào a, d1, d2, g, cùng các biến đầu ra A, D, G, ta sẽ tiến hành xét nhánh này.Có điều đặc biệt là riêng với biến đầu vào M chỉ cho phép hoạt động khi đã có cả 3 tín hiệu d2, e2, f2, xuất hiện. - Tính hàm điều khiển các biến: + Ma trận chuyển dịch của hệ thống: Từ quy trình công nghệ và cách đặt biến trên ta có graph trạng thái: Các biến đầu vào: a d1d2g Các biến đầu ra: ADMG + Mô tả các trạng thái: trạng thái 1: a, g có d1, d2 mất, A,D,M,G đóng. trạng thái 2: mất a, g có, d1, d2 chưa có van a mở, van d,M,G vẫn đóng. trạng thái 3: a vẫn mất d1 có, d2 chưa có, g có, van A,D,M,G đóng trạng thái 4: a, d1, g có d2 chưa có, van D mở van A,M,G đóng. trạng thái 5: a, d1, d2, g, đều có, van D,M mở, van A,G đóng trạng thái 6: a,d2 đang có d1,g mất, van A,D đóng, van M,G mở -Graph trạng thái: 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 (1) 1 0 0 0 (2) 0 0 0 0 (3) 0 1 0 0 (4) 0 1 1 0 (5) 0 0 1 1 (6) - Lập ma trận chuyển dịch trạng thái ta có: - Bảng1: Biến vào Biến ra tt A D M G 1 2 1 0 0 0 0 2 2 3 1 0 0 0 3 3 4 0 0 0 0 4 4 5 0 1 0 0 5 5 6 0 1 1 0 6 2 6 0 0 1 1 Nhận xét: Bảng ma trận chuyển dịch xét các hàng ta thấy không có một điểm nước đôi( là điểm cùng trạng thái đầu vào nhưng đầu ra khác nhau ) nào. Vì vậy ta có thể nhập cả 6 hàng lại với nhau được thành một hàng duy nhất nên ta còn: 2 3 4 5 6 1 Vì ma trận chuyển dịch chỉ có một hàng cho nên takhông cần chọn thêm biến trung gian để mã hoá quá trình hoạt động của hệ thống. - Hàm điều khiển của các biến đầu ra: + Việc tính các hàm điều khiển cho các biến đầu ra được thực hiện bằng cách từ ma trận chuyển dịch II ta đi xây dựng các ma trận Cac-nô cho các biến đầu ra. Với biến đầu ra A: ta có ma trận Cac-nô sau: 1 0 0 0 0 0 Tiến hành dán Cac-nô ta được hàm điều khiển cho biến đầu ra A: 1d.a)A(f = Tương tự với biến đầu ra D ta có bảng ma trận Cac-nô: 0 0 1 1 0 0 Thực hiện dán Cac-nô ta được hàm điều khiển cho biến đầu ra D: f(D)=a.d1 Tương tự với biến đầu ra M ta có bảng ma trận Cac-nô: 0 0 0 1 1 0 Thực hiện dán Cac-nô ta được hàm điều khiển cho biến đầu ra M: f(M)=d2 Tương tự với biến đầu ra G ta có bảng ma trận Cac-nô: 0 0 0 0 1 0 Thực hiện dán Cac-nô ta được hàm điều khiển cho biến đầu ra G: g)G(f = - Vậy ta các hàm điều khiển cho nhánh một là: + 1d.a)A(f = + f(D)=a.d1 + f(M)=d2 + g)G(f = Như đã lý luận ở trên vì cả 3 nhánh có nguyên lý hoạt động giống như nhau cho nên ta chỉ cần xét cho một nhánh rồi có thể tổng quát rut ra hàm điều khiển cho các nhánh còn lại, vậy ttổng hợp lại ta có hàm điều khiển của hệ thống cân định lượng là: 1d.a)A(f =+ 1e.b)B(f =+ + + + + + f(M)=d2. e2 .f2 + Từ các hàm điều khiển trên ta có sơ đồ nguyên lý đơn giản: f( .c)Cf = 1 1d.a)D( =f 1e.b)E( =f 1f.c)F(f = g)G( =f d2 e2 f2 c f1 b A B C D E F M G 1da b c 1e 1f a 1d 1 e g III. Thiết kế mạch mạch điều khiển cho hệ thống truyền động. a/ Yêu cầu của mạch điều khiển: Với một sơ đồ cấu trúc đơn giản như trên mạch chỉ đủ đảm bảo cho việc hệ thống có khả năng làm việc theo yêu cầu công nghệ đã đề ra nhưng để đảm bảo an toàn và vận hành tốt mạch điều khiển chúng ta cần phải thiết kế thêm một số phần khác có chức năng đặc biệt. - Vì lý do công nghệ ở mỗi cửa trút vật liệu ta sẽ dùng một động cơ riêng biệt để điều chỉnh đóng mở cửa. Nên ở đây ta dùng tất cả là 8 động cơ, trong đó có 7 động cơ dùng để đóng mở cửa và một động cơ dùng để trộn vật liệu M. Và cũng theo yêu cầu của đề bài đồ án này ta chọn các động cơ là động cơ xoay chiều rôto dây quấn để có khả năng hạn chế dòng khởi động. Chính vì việc phải sử dụng nhiều động cơ nên ta phải có phương án để bảo vệ được các động cơ và bảo vệ được mạch điều khiển cũng như mạch lực. - Bảo vệ ngắn mạch: Khi các dây pha bị sự cố gây ngắn mạch sẽ gây ra dòng điện lớn có thể đánh thủng các cách điện cháy động cơ, gây nguy hiểm cho hệ thống và người vận hành. Ta cần dùng các thiết bị đóng cắt nhanh để nhanh chóng cắt hệ thống ra khỏi lưới. Để thực hiện điều này ta dùng các Rơle dòng điện cực đại và các cầu chì CC mắc ở mạch lực có nhiệm vụ đóng cắt dòng điện khi dòng lớn hơn dòng cho phép. - Bảo vệ quá dòng (Bảo vệ dòng điện cực đại ) đó là sự quá tải tạm thời khi có dòng xung kích lớn( I≥2ữ5 Iđm) do đó có thể gây ra lực điện động lớn làm hỏng các thiết bị truyền động và các tiếp điểm cơ khí vì thế rất cần được bảo vệ. Để bảo vệ quá dòng ta sử dụng các Rơle dòng cực đại. Vì bảo vệ ngắn mạch ta cũng dùng các Rơle này cho nên viẹc sử dụng Rơle dòng cực đại đã đồng thời có 2 chức năng bảo vệ. - Bảo vệ quá tải lâu dài ( bảo vệ nhiệt ): Khi có hiện tượng quá tải lâu dài nhiệt độ sẽ tăng lên cao gây phát nóng quá mức cho phép sẽ làm hỏng các động cơ. Trong trường hợp này ta sẽ dùng các Rơle nhiệt để điều khiển đóng cắt mạch lực ra khỏi lưới. - Hạn chế dòng khởi động: khi khởi động cũng như đảo chiều quay dòng điện lớn cho nên cần hạn chế bằng cách cho thêm điện trở phụ vào mach Rôto. - Về mạch điều khiển để có thể hoạt động an toàn em thiết kế thêm hệ thống các tiếp điểm để đảm bảo rằng khi A,B,C đóng thì D,F,E mới mở và ngược lại. b/Thiết kế mạch điều khiển chi tiết cho hệ thống: Với yêu cầu của đề bài là dùng các động cơ xoay chiều nên ở bài này ta chọn hệ thống điều khiển là các Rơle và Côngtactơ điện.  Nguyên lý hoạt động của sơ đồ: Trước khi mở máy hệ thống đang ở trạng thái ban đầu là tiếp điểm công tắc hành trình a đang bị đè, g=1,các tiếp điểm hành trình đâng được đóng là d1(29-31),e1(39-41),f1(45-47). Khi muốn hệ thống làm việc ta nhấn nút mở máy M1(3-5) làm cho cuộn hút của Rơle trung gian Rtr(4-2) được cấp điện đóng các tiếp điểm Rtr(3-5) lại để duy trì và tiếp điểm Rtr(2-30) đóng lại để nối mạch điều khiển vào luới và bắt đầu hoạt động hệ thống. Sau khi mở máy các Rơle RA,RB,RC có điện đóng các tiếp điểm RA(1-57), RB(1-59),RC(1-61) lại cấp điện cho các Côngtactơ KAm, KBm, KCm. Khi các Côngtactơ này có điện chúng đóng các tiếp điểm trên mạch lực lại cho động cơ hoạt động mở các cửa A,B,C ra trút vật liệu xuống bình chứa D,E,F. Khi các cửa này mở các công tắc hành trình a,b,c, bị nhả ra làm cho các tiếp điểm a(1-29), b(1-39), c(1-45) đóng lại duy trì cung cấp điện cho các Rơle RA, RB, RC, các cửa tiếp tục được mở, xả vật liệu xuống bình cân định lượng D,E,F. Sau khi các cân đủ cảm biến trọng lượng có tín hiệu tác động đến các công tắc hành trình làm cho tiếp điểm d1(29-31),e1(39-41),f1(45-47) mở ra cắt điện các Rơle RA,RC,RB, khi các Rơle này mất điện đóng các tiếp điểm thường đóng RA(1-54), RB(1-56),RC(1-58) lại các Côngtactơ KAd, KBd, KCd, được cấp điện đóng các tiếp điểm trên mạch lực lại điều khiển đảo chiều quay của động cơ đóng các cửa A,B,C lại. Trong lúc này mặc dù các tiếp điểm hành trình d1(35-37),e1(43-40),f1(49-51) đã đóng lại nhưng do các tiếp điểm hành trình a(1-35), b(1-43), c(1-49) chưa đóng lại cho nên các Rơle RD, RE, RF, chưa có điện nên các cửa D,E,F chưa mở ra. Khi các cửa A,B,C, đã đóng lại hoàn toàn thì các công tắc hành trình tác động đóng các tiếp điểm a(1-35), b(1-43), c(1-49) lại, đồng thời lúc nay các tiếp điểm d1(35-37), e1(43-40), f1(49-51) đã đóng lại từ trước rồi cho nên cấp điện cho các Rơle RD,RE,RF, khi các Rơle này có điện sẽ đóng các tiếp điểm RD(1-63), RE(1-65),RF(1-67) cấp điện cho các Côngtactơ KDm, KEm, KFm, điều khiển mở cửa D,E,F trút vật liệu xuống bình trộn G. Khi các cửa D,E,F mở ra sẽ tác động đến các công tắc hành trình làm cho các tiếp điểm d2(1-53), e2(50-48), f2(53-50) lại khi cả 3 tiếp điểm này đóng lại rồi cuộn hút của Rơle RM được cấp điện đóng tiếp điểm RM(1-68) lại cấp điện cho Côngtactơ KM, Côngtactơ này có điện đóng các tiếp điểm trên mạch lực lại cho động cơ M hoạt động tiến hành trộn vật liệu đang được xả từ các cửa D,E,F. Tuy Rơle RM(48-30) có điện nhưng tiếp điểm RM(55-52) chưa đóng lại ngay vì đây là tiếp điểm thường mở đóng chậm, nên sau một khoảng thời gian thì tiếp điểm RM(55-52) mới đóng lại, Rơle RG được cấp điện đóng tđnr RG(1-69) lại cấp điện cho Côngtactơ RMm, Côngtactơ này có điện đóng các tiếp điểm trên mạch lực lại tiến hành mở cửa G trút vật liệu đã trộn ra ngoài. Sau khi cửa G đã mở ra hoàn toàn công tắc hành trình g tác động cắt điện Rơle RG nhưng lúc này cửa sẽ chỉ đóng lại nếu như động cơ M đã trộn xong( động cơ đã dừng), điều này được thực hiện bởi một tiếp điểm khống chế RM(66-70). kết thúc một quá trình làm việc và chu trình sau diễn ra tương tự. Chương III Tính chọn các thiết bị 1. Chọn thiết bị mạch lực: a. Chọn động cơ: Theo yêu cầu công nghệ thì ở hệ truyền động này ta dùng 8 động cơ và có công suất điều khiển là 5kw. Tra trong sổ tay các đặc tính cơ của động cơ trong truyền động điện ta chọn động cơ không đồng bộ Rôto dây quấn loại MTM211-C các thông số kỹ thuật của động cơ cho như sau: Pđm=5kw; 11đm =13,6A ; I2đm =16,2A ; Uđm =380V; r1 =1,41Ù ; r2 =0.58 Ù; nđm=920v/phút; X1=1.22 Ù; E2đm =2.15V; Để điều chỉnh tốc độ động cơ cho phù hợp với từng điều kiện ta có thể thay đổi điện trở ở mạch Rôto. b. Tính chọn các cơ cấu bảo vệ mạch lực: - Chọn các cầu chì dùng để bảo vệ cho động cơ làm việc an toàn ở phạm vi dòng điện cho phép. Các cầu chì này có chức năng vừa bảo vệ sự cố ngắn mạch vừa bảo vệ sự cố quá dòng ngắn hạn, khi có sự cố cầu chì đứt sẽ tác động cắt mạch lực ra khỏi lưới, khoanh vùng sự cố để có thể sửa chữa kịp thời đảm bảo công việc được thông suốt. Cầu chì này hoạt động trên nguyên tắc khi có dòng chạy qua dây quấn Stato lớn hơn dòng cho phép dây chảy cầu chì bị đứt cắt dòng, ta chọn dòng điện lớn nhất cho phép là: Imax=ICP=1.2ìIkđ=27.2ì1.2=32.64(A) Ta chọn cầu chì loại HðH của Liên Xô chế tạo và có các thông số sau: Uđm=380V; Iđm=30 A; Kích thước . Ta dùng 24 cầu chì loại này để bảo vệ cho 8 động cơ. - Chọn các Rơle nhiệt Rn: Các Rơle nhiệt dùng để bảo vệ quá tải dài hạn cho động cơ, nó được mắc nối tiếp vào 2 pha Stato của động cơ. Dòng điện của Stato cũng hcính là dòng chạy qua thanh nhiệt của Rơle. Quá tải dài hạn cho phép dòng vượt quá lâu dài là =1.3 dòng định mức. I=1.3 Iđm=1.3ì13.6=16.8 A Ta chọn Rơle Rn loại PT-1loại N0-154 do Liên Xô chế tạo và có các thông số sau đây: Uđm=380V; I =24.2 A; Thời gian tác động: 20 phút ứng với I=1.2Iđm. Kích thước:10ì60ì25; Ta dùng tất cả 16 Rơle loại này. - Chọn các cầu dao đóng cắt: Với các thông số dòng điện và điện áp như đã chọn ở trên ta chọn cầu dao loại : ký hiệu PO-3 do Liên xô cũ sản xuất có các thông số: Uđm=500V; Kich thước: 80ì50ì75; Ta chọn 8 bộ cầu dao này để bảo vệ 8 động cơ. 2. Chọn các thiết bị mạch điều khiển: a. Chọn các Côngtactơ: Vì các Côngtactơ không chỉ đóng cắt các tiếp điểm trên mạch điều khiển mà còn đóng cắt các tiếp điểm trên mạch lực cho nên phải chọn các Côngtactơ chịu được dòng lớn, nếu không các tiếp điểm trên mạch lực của các Côngtactơ có thể bị phá hỏng. Như vây các tiếp điểm của chúng phải chụi được dòng định mức của Stato mà không bị phá hỏng hay bị phóng điện và còn phải chịu được dòng khi động cơ khởi động. Để đảm bảo an toàn thì dòng thường được chọn theo dòng điện max. Imax>(2 ữ2.5)Iđm ; Imax=2.13,6=27,2; Từ dòng điện này ta chọn loại Côngtactơ ký hiệu KT-9002-33E do Liên Xô sản xuất có các thông số kỹ thuật sau: Uđm=380V; Iđm=15A; Số tiếp điểm: 3mở-3đóng. Kích thước: 110-70-129; b. Chọn các Rơle: Các Rơle này chủ yếu làm việc đóng cắt các tiếp điểm điều khiển trên mạch điều khiển cho nên ta chọn các Rơle không cần chịu được dòng điện Stato, vậy tra sổ tay ta chọn các Rơle có ký hiệu là: RZlw do Liên Xô chế tạo có các thông số: Uđm=380V; Số tiểm điểm thời gian: 1mở -1đóng. Kích thước: 100-70-127; c. Chọn cầu chì: Vì cầu chì này được dùng để bảo vệ dòng điện trong mạch điều khiển cho nên nó bảo vệ cho dòng điều khiển: dmdk I3I ×= Iđk=1,7.13.6=24A; Ta chọn cầu chì loại LK do Anh chế tạo có các thông số: Uđm=380V; Iđm=27A; Có thời gian tác động: T=0,22 sec. d. Chọn các nút ấn: M,D Chọn loại KY-121 do Liên Xô chế tạo có các thông số kỹ thuật sau: Số phần tử: 3. Dòng :I=12A. Điên áp:380V e. Chọn các công tắc hành trình: Chọn loại BK-110 do Liên Xô chế tạo Có các thông số kỹ thuật: Ilt=6A. Inh=100A U=220V. Lời cảm ơn. Để có thể hoàn thành được đồ án môn học điều khiển lôgic này em vô cùng các thầy giáo hướng dẫn đã tận tình giúp đỡ trong suốt quá trình làm bài. Đặc biệt trong đó là sự nhiệt tình giúp đỡ của: Thầy giáo- giáo sư Phan Cung. Nhờ những chỉ dẫn của thầy mà em mới có thể hoàn thành tốt đồ án này. Đồng thời em cũng xin chân thành cảm ơn những ý kiến quý báu của thầy: Nguyễn Văn Dũng. Vì đây là lần đầu tiên em làm một đồ án lớn như thế này cho nên chắc chắn trong bài làm còn có nhiều sơ sót mong các thầy lượng thứ, một lần nữa em xin chân thành cảm ơn. Sinh viên: Bùi Quang Trung. Lớp TĐH1-K41.