Dùng PLC xây dựng hệ thống điều khiển cho thiết bị thuỷ lực Festo (Khóa luận)

Hướng dẫn xây dựng hệ thống điều khiển PLC cho thủy lực Festo. Tìm hiểu thiết kế, lập trình và vận hành hiệu quả các giải pháp tự động hóa.

• Người hướng dẫn: Thầy Trần Kim Khôi
• Trường học: Trường Đại học Lâm nghiệp
• Chuyên ngành: Công nghiệp
• Đề tài: Dùng PLC xây dựng hệ thống điều khiển cho thiết bị thuỷ lực FESTO
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Ứng dụng của truyền động thuỷ lực trong công nghiệp
• 1.2. PLC (Programmable Logic Controller)
• 1.3. Lý do lựa chọn đề tài
• 1.4. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
• 1.5. Nội dung và phương pháp nghiên cứu
• 1.5.1. Nội dung
• 1.5.2. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Kết quả và giới hạn của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC PHẦN TỬ CỦA HỆ THỐNG THỦY LỰC
• 2.1. Khái niệm về truyền động thuỷ lực
• 2.2. Các phần tử của hệ thống thuỷ lực
• 2.2.1. Nguồn động lực
• 2.2.2. Dầu thuỷ lực
• 2.2.3. Van điều khiển hướng
• 2.2.3.1. Ký hiệu của van điều khiển hướng
• 2.2.3.2. Các phương pháp điều khiển van
• 2.2.4. Van áp suất
• 2.2.4.1. Ký hiệu của van áp suất
• 2.2.4.2. Van an toàn
• 2.2.4.3. Van điều chỉnh áp suất
• 2.2.5. Van tiết lưu
• 2.2.6. Van một chiều
• 2.2.7. Xy lanh
• 2.2.7.1. Xy lanh tác động đơn
• 2.2.7.2. Xy lanh tác động kép
• 3. CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU VỀ ĐIỆN – THỦY LỰC KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN BẰNG PLC
• 3.1. Khái niệm
• 3.2. Các phần tử điện thuỷ lực
• 3.2.1. Van đảo chiều điều khiển bằng nam châm điện
• 3.2.2. Các phần tử điện
• 3.2.2.1. Công tắc
• 3.2.2.2. Nút nhấn
• 3.2.2.3. Rơle
• 3.2.2.4. Công tắc hành trình điện - cơ
• 3.2.2.5. Công tắc hành trình nam châm
• 3.2.2.6. Cảm biến cảm ứng từ
• 3.2.2.7. Cảm biến điện dung
• 3.2.2.8. Cảm biến quang
• 3.2.3. Phần tử chuyển đổi tín hiệu
• 3.2.3.1. Phần tử chuyển đổi tín hiệu thủy lực - điện
• 3.2.3.2. Phần tử chuyển đổi tín hiệu điện – thủy lực
• 3.3. Thiết kế mạch điều khiển điện - thủy lực
• 3.3.1. Nguyên tắc thiết kế
• 3.3.2. Mạch điều khiển điện – thủy lực với một xi lanh
• 3.3.2.1. Mạch tự duy trì có Reset trội hơn
• 4. CHƯƠNG 4: DÙNG PLC ĐIỀU KHIỂN CÁC MẠCH THỦY LỰC
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Tóm tắt

I. Hướng dẫn dùng PLC xây dựng hệ thống điều khiển thuỷ lực Festo

Việc tích hợp bộ điều khiển logic khả trình (PLC) vào các hệ thống truyền động thuỷ lực đã tạo ra một bước ngoặt lớn trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp. Giải pháp này kết hợp sức mạnh truyền lực của thuỷ lực với khả năng điều khiển linh hoạt và chính xác của PLC, đặc biệt hiệu quả khi áp dụng trên các bộ thí nghiệm thuỷ lực Festo. Hệ thống điều khiển sử dụng PLC không chỉ thay thế các mạch rơle phức tạp mà còn mở ra khả năng thực hiện các chu trình vận hành phức tạp, giám sát thời gian thực và dễ dàng thay đổi logic điều khiển mà không cần can thiệp vào phần cứng. Tài liệu nghiên cứu cho thấy, sự kết hợp này giúp sinh viên và kỹ sư tiếp cận phương pháp điều khiển gần gũi với thực tiễn sản xuất, nâng cao chất lượng đào tạo và ứng dụng. Mục tiêu chính là xây dựng một hệ thống vận hành chính xác, an toàn và hiệu quả, khai thác tối đa ưu điểm của cả hai công nghệ. Quá trình này bao gồm việc tìm hiểu cấu tạo thiết bị, xây dựng sơ đồ mạch, lập trình PLC và kết nối các thành phần để tạo thành một hệ thống điều khiển hoàn chỉnh.

1.1. Tầm quan trọng của tự động hóa trong hệ thống thủy lực

Truyền động thuỷ lực vốn nổi bật với nhiều ưu điểm vượt trội. Như tài liệu gốc đã nêu: "Truyền lực lớn với các cơ phận nhỏ, có nghĩa cường độ năng suất lớn. Định vị chính xác. Khởi động với tải lớn." Tuy nhiên, để khai thác hết tiềm năng này, việc áp dụng tự động hóa là yếu tố then chốt. Tự động hóa giúp loại bỏ các thao tác thủ công, giảm thiểu sai sót do con người, tăng tốc độ chu trình và đảm bảo hoạt động lặp lại với độ chính xác cao. Trong các ứng dụng công nghiệp, một hệ thống thủy lực tự động có thể thực hiện các nhiệm vụ phức tạp, từ các dây chuyền lắp ráp, máy ép, đến các hệ thống nâng hạ hạng nặng, một cách an toàn và hiệu quả hơn rất nhiều so với điều khiển cơ khí hoặc bằng tay.

1.2. Vai trò của PLC trong việc điều khiển thiết bị Festo hiện đại

PLC đóng vai trò là "bộ não" của toàn bộ hệ thống điều khiển điện-thuỷ lực. Thay vì sử dụng hệ thống rơle, contactor phức tạp và khó thay đổi, PLC cho phép người dùng tạo ra các logic điều khiển phức tạp thông qua phần mềm. Đối với thiết bị thuỷ lực Festo, việc sử dụng PLC như PLC Siemens S7-1200 hoặc PLC Mitsubishi mang lại sự linh hoạt tối đa. Kỹ sư có thể dễ dàng lập trình các chu trình điều khiển tuần tự, xử lý tín hiệu từ cảm biến áp suất, và điều khiển các cơ cấu chấp hành như xy lanh thủy lực thông qua các van điện từ thủy lực. Hơn nữa, khả năng kết nối với màn hình HMI và hệ thống giám sát và điều khiển SCADA giúp việc vận hành, giám sát và chẩn đoán lỗi trở nên trực quan và dễ dàng hơn bao giờ hết.

II. Thách thức khi điều khiển hệ thống thuỷ lực Festo thủ công

Mặc dù sở hữu nhiều ưu điểm, việc điều khiển một hệ thống thuỷ lực theo phương pháp truyền thống (sử dụng rơle hoặc điều khiển cơ khí) tồn tại nhiều thách thức đáng kể. Các hệ thống này thường cồng kềnh, khó sửa đổi và thiếu đi sự linh hoạt cần thiết cho các ứng dụng công nghiệp hiện đại. Việc thay đổi một chu trình hoạt động đòi hỏi phải đi dây lại toàn bộ mạch điều khiển, gây tốn thời gian và dễ phát sinh lỗi. Hơn nữa, độ chính xác trong các tác vụ định vị và điều khiển tuần tự bị hạn chế, phụ thuộc nhiều vào các thành phần cơ khí. Vấn đề an toàn cũng là một mối lo ngại lớn, khi các sự cố về áp suất thừa hoặc lỗi logic có thể gây nguy hiểm cho người vận hành và thiết bị. Việc chẩn đoán và khắc phục sự cố trên một tủ điện đầy rẫy rơle và dây nối cũng là một công việc phức tạp, đòi hỏi kỹ sư phải có kinh nghiệm sâu rộng và tốn nhiều công sức để dò tìm lỗi.

2.1. Hạn chế của điều khiển bằng rơle và phương pháp cơ khí

Hệ thống điều khiển bằng rơle có tuổi thọ giới hạn do các tiếp điểm cơ khí bị mài mòn theo thời gian, dẫn đến độ tin cậy không cao. Tốc độ đáp ứng của rơle cũng chậm hơn nhiều so với xử lý điện tử của PLC. Với các bài toán yêu cầu nhiều bước điều khiển tuần tự phức tạp, số lượng rơle, timer, counter cần dùng sẽ tăng lên nhanh chóng, làm cho tủ điện trở nên cồng kềnh và sơ đồ mạch điện vô cùng rối rắm. Như tài liệu gốc đã chỉ ra, nhược điểm của PLC là giá thành ban đầu cao, nhưng so với chi phí bảo trì, nâng cấp và không gian chiếm dụng của hệ thống rơle, PLC lại là một khoản đầu tư hiệu quả về lâu dài.

2.2. Vấn đề về độ chính xác và an toàn khi vận hành hệ thống

Trong các ứng dụng đòi hỏi điều khiển vị trí xy lanh chính xác hoặc điều khiển lực ép tinh vi, phương pháp thủ công và rơle gặp rất nhiều khó khăn. Chúng không thể dễ dàng thực hiện các thuật toán điều khiển phức tạp. Bên cạnh đó, các nhược điểm của hệ thống thuỷ lực như "dầu bẩn gây ô nhiễm môi trường" và "áp suất thừa gây nguy hiểm" càng trở nên nghiêm trọng nếu không có một hệ thống điều khiển thông minh để giám sát và xử lý. PLC có thể liên tục giám sát tín hiệu từ cảm biến áp suất và các cảm biến khác để phát hiện các trạng thái bất thường và kích hoạt các cơ chế an toàn một cách tức thời, điều mà hệ thống rơle không thể làm được một cách hiệu quả.

III. Cấu trúc hệ thống điều khiển PLC cho thiết bị thuỷ lực Festo

Một hệ thống điều khiển thuỷ lực Festo sử dụng PLC được cấu thành từ ba khối chính: khối cơ cấu chấp hành, khối điều khiển và khối giao diện người-máy. Khối cơ cấu chấp hành bao gồm các phần tử thuỷ lực cốt lõi, chịu trách nhiệm thực hiện công việc vật lý. Khối điều khiển là trung tâm xử lý, với PLC là thành phần chủ đạo, nhận tín hiệu đầu vào và xuất tín hiệu điều khiển. Khối giao diện cho phép người vận hành tương tác với hệ thống. Việc kết nối PLC và thiết bị ngoại vi đòi hỏi sự tương thích về tín hiệu điện và giao thức truyền thông. Một thiết kế hệ thống tối ưu phải đảm bảo các thành phần được lựa chọn phù-hợp với yêu cầu ứng dụng, từ công suất của bộ nguồn thủy lực đến độ phân giải của cảm biến, nhằm đạt được hiệu suất và độ tin cậy cao nhất.

3.1. Các thành phần cơ bản Bơm van và xy lanh thủy lực

Nền tảng của hệ thống là các phần tử thuỷ lực. Bộ nguồn thủy lực bao gồm bơm, thùng dầu và van an toàn, có nhiệm vụ biến đổi cơ năng thành thuỷ năng. Dòng chất lỏng có áp suất này sau đó được điều hướng bởi các van điện từ thủy lực (van điều khiển hướng) để cung cấp cho cơ cấu chấp hành. Cơ cấu chấp hành phổ biến nhất là xy lanh thủy lực, có chức năng biến đổi thuỷ năng trở lại thành cơ năng dưới dạng chuyển động thẳng để thực hiện các công việc như ép, kẹp, nâng, hạ. Việc hiểu rõ nguyên lý hoạt động và ký hiệu của các phần tử này, như được mô tả trong tài liệu kỹ thuật Festo, là bước đầu tiên và quan trọng nhất.

3.2. Lựa chọn PLC và module I O phù hợp cho hệ thống Festo

Việc lựa chọn PLC phụ thuộc vào độ phức tạp của bài toán. Với các ứng dụng cơ bản trên bộ thí nghiệm thuỷ lực Festo, các dòng PLC nhỏ gọn như PLC Siemens S7-1200 (phiên bản kế nhiệm S7-200 được đề cập trong tài liệu) hoặc PLC Mitsubishi FX series là lựa chọn lý tưởng. Cần xác định đủ số lượng ngõ vào (Inputs) để nhận tín hiệu từ nút nhấn, công tắc hành trình, cảm biến và số lượng ngõ ra (Outputs) để điều khiển cuộn dây của van điện từ thủy lực. Đối với các ứng dụng yêu cầu điều khiển chính xác hơn, như sử dụng van tỷ lệ (proportional valve), cần có module ngõ ra analog (Analog Output).

3.3. Sơ đồ kết nối PLC với cảm biến và cơ cấu chấp hành

Quá trình kết nối PLC và thiết bị ngoại vi là bước hiện thực hóa thiết kế. Các tín hiệu đầu vào như nút nhấn, cảm biến vị trí, cảm biến áp suất được nối vào các ngõ vào (Input) của PLC. Các tín hiệu đầu ra từ PLC sẽ được nối đến các rơle trung gian (nếu cần) và sau đó là cuộn hút của các van điện từ thủy lực. Việc thiết kế một sơ đồ mạch thủy lực và sơ đồ điện rõ ràng, tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật là cực kỳ quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động đúng, an toàn và dễ dàng cho việc bảo trì, sửa chữa sau này.

IV. Phương pháp lập trình PLC điều khiển hệ thống thuỷ lực Festo

Lập trình PLC là quá trình chuyển đổi yêu cầu điều khiển của hệ thống thành một chương trình mà PLC có thể hiểu và thực thi. Quá trình này bắt đầu bằng việc phân tích yêu cầu công nghệ, xác định các bước hoạt động tuần tự của hệ thống. Dựa trên đó, kỹ sư sẽ xây dựng lưu đồ giải thuật và tiến hành viết chương trình. Ngôn ngữ lập trình ladder (LAD) là phổ biến nhất trong các ứng dụng công nghiệp vì tính trực quan, tương đồng với sơ đồ mạch rơle truyền thống. Ngoài ra, việc sử dụng các phần mềm mô phỏng chuyên dụng đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm tra và gỡ lỗi chương trình trước khi nạp vào PLC thật, giúp tiết kiệm thời gian và ngăn ngừa các sự cố tiềm ẩn có thể gây hư hỏng thiết bị.

4.1. Phân tích yêu cầu và xây dựng lưu đồ giải thuật điều khiển

Trước khi viết bất kỳ dòng code nào, bước đầu tiên là phải xác định rõ yêu cầu: hệ thống cần làm gì, theo trình tự nào, và các điều kiện an toàn là gì. Ví dụ, một bài toán điều khiển xy lanh đi ra, kẹp sản phẩm, sau đó đi về. Từ yêu cầu này, một lưu đồ giải thuật sẽ được xây dựng, mô tả từng bước của quy trình, các điểm quyết định (dựa trên tín hiệu cảm biến) và các hành động tương ứng. Lưu đồ này là kim chỉ nam cho toàn bộ quá trình lập trình PLC, giúp cấu trúc chương trình một cách logic và dễ hiểu.

4.2. Hướng dẫn lập trình ladder LAD cho điều khiển tuần tự

Ngôn ngữ lập trình ladder (LAD) mô phỏng các mạch điện điều khiển. Một chương trình LAD bao gồm nhiều "network" (mạng lệnh). Mỗi network là một dòng logic, đọc trạng thái các tiếp điểm (tương ứng ngõ vào hoặc bit nhớ) ở bên trái và quyết định trạng thái của cuộn dây (tương ứng ngõ ra) ở bên phải. Đối với điều khiển tuần tự, phương pháp lập trình theo bước (Step-based programming) hoặc sử dụng các bit nhớ trung gian để "khóa" và "mở khóa" các bước là rất phổ biến. Kỹ thuật này đảm bảo rằng các hành động diễn ra đúng thứ tự, bước sau chỉ được thực hiện khi bước trước đã hoàn thành.

4.3. Sử dụng phần mềm Festo FluidSIM để mô phỏng hệ thống

Phần mềm Festo FluidSIM là một công cụ cực kỳ hữu ích, cho phép thiết kế và mô phỏng đồng thời cả mạch thuỷ lực và mạch điều khiển điện. Người dùng có thể vẽ sơ đồ mạch thủy lực, kết nối các phần tử, sau đó thiết kế mạch điều khiển logic (bằng rơle hoặc PLC ảo) để kiểm tra nguyên lý hoạt động của toàn bộ hệ thống. Việc mô phỏng giúp phát hiện các lỗi logic, kiểm tra các trình tự hoạt động và tối ưu hóa chu trình trước khi triển khai trên bộ thí nghiệm thủy lực Festo thật. Điều này không chỉ đảm bảo an toàn mà còn rút ngắn đáng kể thời gian phát triển và gỡ lỗi hệ thống.

V. Ứng dụng PLC điều khiển xy lanh thuỷ lực Festo thực tiễn

Lý thuyết sẽ trở nên vững chắc hơn khi được áp dụng vào thực tiễn. Việc xây dựng một mô hình cụ thể, sử dụng PLC để điều khiển xy lanh thủy lực trên bộ thí nghiệm thủy lực Festo, là cách tốt nhất để kiểm chứng các kiến thức đã học. Một ví dụ điển hình là bài toán điều khiển một xy lanh tác động kép di chuyển ra vào theo tín hiệu từ nút nhấn START và STOP. Thông qua bài toán này, người học có thể thực hành toàn bộ quy trình: từ việc đấu nối phần cứng, xây dựng sơ đồ mạch thủy lực, viết chương trình LAD đơn giản với logic tự giữ (self-holding), đến việc nạp chương trình và quan sát hệ thống vận hành. Các ví dụ trong tài liệu gốc cho thấy rõ cách chuyển đổi từ sơ đồ mạch điện rơle sang chương trình PLC, thể hiện tính ưu việt của phương pháp điều khiển hiện đại này.

5.1. Xây dựng bài toán điều khiển vị trí xy lanh tác động kép

Bài toán cơ bản nhất là điều khiển hành trình của một xy lanh thủy lực tác động kép. Yêu cầu: nhấn nút START, piston đi ra; piston chạm công tắc hành trình cuối, nó tự động đi về; nhấn nút STOP, piston dừng ở bất kỳ vị trí nào. Để giải quyết, cần sử dụng 2 ngõ vào cho nút START/STOP, 1 ngõ vào cho công tắc hành trình, và 1 ngõ ra để điều khiển van điện từ thủy lực 4/2 hoặc 5/2. Chương trình lập trình ladder (LAD) sẽ bao gồm logic khởi động, logic tự giữ, logic đảo chiều dựa trên tín hiệu cảm biến và logic dừng khẩn cấp. Đây là bài toán nền tảng để phát triển các hệ thống phức tạp hơn.

5.2. Phân tích kết quả và tối ưu hóa trên bộ thí nghiệm Festo

Sau khi nạp chương trình và cho hệ thống chạy, bước tiếp theo là quan sát, phân tích và tối ưu. Có thể sử dụng van tiết lưu một chiều để điều chỉnh tốc độ đi ra và đi về của xy lanh. Đồng thời, theo dõi áp suất hệ thống qua đồng hồ đo hoặc cảm biến áp suất để đảm bảo hoạt động trong ngưỡng an toàn. Quá trình này trên bộ thí nghiệm thủy lực Festo giúp người học hiểu sâu sắc mối quan hệ giữa chương trình điều khiển, tín hiệu điện và chuyển động vật lý của cơ cấu chấp hành, từ đó rút ra kinh nghiệm để tối ưu hóa hiệu suất và độ ổn định của hệ thống.

VI. Tương lai của tự động hoá công nghiệp với PLC và thuỷ lực

Sự kết hợp giữa PLC và thuỷ lực sẽ tiếp tục là một trụ cột quan trọng trong tự động hóa công nghiệp và cuộc cách mạng Công nghiệp 4.0. Xu hướng phát triển tập trung vào việc tăng cường trí thông minh và khả năng kết nối cho các hệ thống này. Các hệ thống điện-thuỷ lực thông minh sẽ không chỉ thực thi các lệnh một cách máy móc mà còn có khả năng tự chẩn đoán lỗi, tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ và giao tiếp liền mạch với các hệ thống quản lý sản xuất cấp cao hơn. Việc tích hợp các công nghệ như Internet vạn vật công nghiệp (IIoT), trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy (Machine Learning) hứa hẹn sẽ mang lại những hệ thống thuỷ lực tự hành, linh hoạt và hiệu quả hơn bao giờ hết, đáp ứng các yêu cầu ngày càng khắt khe của sản xuất hiện đại.

6.1. Xu hướng tích hợp SCADA để giám sát và điều khiển từ xa

Hệ thống giám sát và điều khiển SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) đang trở thành một tiêu chuẩn trong các nhà máy hiện đại. Việc tích hợp hệ thống PLC-thuỷ lực vào SCADA cho phép người quản lý giám sát toàn bộ trạng thái hoạt động của máy móc từ một phòng điều khiển trung tâm hoặc thậm chí từ xa qua internet. Dữ liệu vận hành như áp suất, nhiệt độ, lưu lượng, vị trí xy lanh được thu thập và hiển thị trực quan trên màn hình HMI hoặc giao diện SCADA. Điều này giúp phát hiện sớm các dấu hiệu bất thường, lên kế hoạch bảo trì dự đoán và tối ưu hóa toàn bộ dây chuyền sản xuất.

6.2. Triển vọng của hệ thống điện thủy lực thông minh và IoT

Trong tương lai, các thành phần thuỷ lực như bơm, van, xy lanh sẽ được tích hợp sẵn cảm biến và khả năng kết nối mạng (IoT). Các van tỷ lệ (proportional valve) và servo valve sẽ ngày càng được sử dụng rộng rãi để điều khiển vị trí xy lanh và lực với độ chính xác cực cao. Dữ liệu từ các thiết bị này sẽ được PLC thu thập và xử lý, thậm chí được đẩy lên đám mây để phân tích bằng các thuật toán AI. Điều này mở ra khả năng cho các hệ thống có thể tự học hỏi, thích ứng với sự thay đổi của tải trọng và tự động điều chỉnh thông số để đạt hiệu suất năng lượng tối ưu, đánh dấu một kỷ nguyên mới cho ngành truyền động thuỷ lực.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, việc áp dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật vào chế tạo và sản xuất giữ vai trò then chốt nhằm chuyển dịch từ lao động thủ công sang bán tự động và tự động hóa. Truyền động thủy lực – xuất hiện từ thế kỷ 17 thông qua việc khai thác năng lượng dòng chất lỏng để làm quay tua-bin máy phát điện hoặc vận hành động cơ – ngày càng được ứng dụng sâu rộng trong các hệ thống di động, hàng hải, hầm mỏ, hàng không và đặc biệt là ngành chế tạo máy. Sự kết hợp giữa cơ khí thủy lực và điều khiển điện - điện tử đã tạo ra những bước tiến lớn về năng suất và độ chính xác trong công nghiệp.

Để nâng cao chất lượng đào tạo thực hành cho sinh viên, Khoa Công nghiệp phát triển nông thôn thuộc Trường Đại học Lâm nghiệp đã trang bị hệ thống thiết bị thí nghiệm thủy lực Festo hiện đại. Thiết bị này sở hữu các phần tử nhỏ gọn, lắp ráp an toàn và vận hành thuận tiện. Nhằm gắn kết lý thuyết với thực tế, tác giả thực hiện đề tài "Dùng PLC xây dựng hệ thống điều khiển cho thiết bị thuỷ lực FESTO" dưới sự hướng dẫn của giảng viên Trần Kim Khôi.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài bao gồm:

1. Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các phần tử, thiết bị thủy lực và điện - thủy lực sẵn có trong phòng thí nghiệm.
2. Xây dựng sơ đồ mạch thủy lực và sơ đồ mạch điện điều khiển tương ứng.
3. Ứng dụng bộ điều khiển lập trình PLC (Programmable Logic Controller) để điều khiển vận hành các mạch thủy lực một cách chính xác và tối ưu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Bàn thí nghiệm thủy lực Festo, các phần tử chấp hành (xy lanh), van đảo chiều, van áp suất, van tiết lưu, cảm biến, rơle và bộ điều khiển PLC Siemens S7-200 (CPU 214).
• Phạm vi nghiên cứu: Giới hạn trong môi trường phòng thí nghiệm thuộc Khoa Công nghiệp phát triển nông thôn - Trường Đại học Lâm nghiệp; nghiên cứu cấu tạo thiết bị và xây dựng 5 dạng mạch điều khiển thủy lực - điện cơ bản.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài tập trung vào hai mảng công nghệ nền tảng:

• Nguyên lý truyền động thủy lực: Quá trình biến đổi cơ năng từ động cơ thành thủy năng thông qua bơm thủy lực, sau đó chuyển hóa ngược lại từ thủy năng thành cơ năng tại cơ cấu chấp hành (động cơ thủy lực, xy lanh) với môi chất truyền năng lượng là dầu thủy lực.
• Hệ thống điều khiển điện - thủy lực: Mạch điều khiển sử dụng nguồn điện một chiều 24VDC (chuyển đổi từ điện lưới xoay chiều 230V/50Hz qua bộ phân phối điện cấp dòng 5A) để tác động lên các van đảo chiều điện từ, phối hợp cùng các phần tử phát tín hiệu (nút bấm, công tắc hành trình, cảm biến quang, cảm biến từ, cảm biến điện dung) và phần tử xử lý tín hiệu (rơle trung gian, rơle thời gian).
• Bộ điều khiển lập trình PLC S7-200: Khung xử lý số dựa trên khối xử lý trung tâm (CCU/CPU), hoạt động theo nguyên lý quét vòng lặp tuần hoàn (vòng quét) với chu trình 4 bước: nhập dữ liệu ngõ vào vào bộ đệm ảo, thực hiện chương trình logic, xử lý truyền thông - tự kiểm tra lỗi, và xuất dữ liệu từ bộ đệm ảo ra cơ cấu chấp hành.

Phương pháp nghiên cứu được áp dụng:

• Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Thu thập, nghiên cứu các tài liệu kỹ thuật chuyên ngành về thủy lực, khí nén, kỹ thuật điện - điện tử và hướng dẫn lập trình PLC S7-200 của hãng Siemens.
• Phương pháp thực nghiệm kỹ thuật: Trực tiếp thao tác, lắp ráp đấu nối hệ thống đường ống thủy lực, đấu nối mạch điện điều khiển 24VDC trên bàn thí nghiệm Festo.
• Phương pháp mô phỏng và lập trình điều khiển: Sử dụng phần mềm chuyên dụng Step7-Micro/WIN để thiết kế thuật toán điều khiển dưới dạng ngôn ngữ hình thang (LAD) và danh sách câu lệnh (STL), nạp chương trình vào CPU 214 để kiểm thử thực tế.

Nguồn dữ liệu của khóa luận bao gồm thông số kỹ thuật thực tế của bàn thí nghiệm Festo, sổ tay phần cứng và tập lệnh của dòng PLC Siemens Simatic S7-200, cùng các kết quả ghi nhận từ quá trình vận hành thử nghiệm mạch.

Nhóm công nghệ	Ưu điểm theo văn bản	Nhược điểm theo văn bản
Truyền động thủy lực	- Truyền lực lớn với kích thước cơ phận nhỏ (cường độ năng suất lớn). - Định vị chính xác, khởi động được với tải lớn. - Truyền động độc lập với tải trọng nhờ chất lỏng khó nén và sử dụng van tiết lưu. - Vận hành êm, có cơ cấu đảo chiều dễ dàng, thải nhiệt tốt.	- Dầu bẩn gây ô nhiễm môi trường, nguy cơ cháy và tai nạn. - Hệ thống dễ bị nhiễm bẩn. - Áp suất thừa gây nguy hiểm. - Độ nhớt phụ thuộc vào nhiệt độ. - Hệ số hiệu suất không thuận lợi.
Điều khiển PLC	- Phần mềm dễ sử dụng, dễ sửa chữa và thay thế. - Thực hiện nối trực tiếp, dễ dàng nối mạch và thiết lập hệ thống trong không gian nhỏ. - Tuổi thọ linh kiện ở mức bán vĩnh cửu.	- Thiếu tính hợp thức hóa (nhiều hãng sản xuất với hình dạng và ngôn ngữ lập trình khác nhau). - Giá thành đầu tư ban đầu cao.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống điều khiển được thiết kế trên cơ sở tích hợp giữa bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-200 CPU 214 DC/DC/DC và hệ thống cơ điện - thủy lực Festo.

Hạng mục phần cứng / Thông số	Chi tiết kỹ thuật quy định trong đề tài
Khối xử lý trung tâm	PLC Siemens S7-200 dòng CPU 214 (nguồn nuôi 24VDC).
Cổng vào số (Digital Inputs)	14 ngõ vào tích hợp (từ I0.0 đến I1.5), điện áp tác động 24VDC (mức logic 1 = 24VDC).
Cổng ra số (Digital Outputs)	10 ngõ ra tích hợp (từ Q0.0 đến Q1.1), điện áp 24VDC, dòng tải cực đại 50mA.
Hệ thống hiển thị trạng thái	14 LED báo ngõ vào, 10 LED báo ngõ ra, 3 LED báo trạng thái CPU (SF: lỗi phần cứng/hệ thống, RUN: đang chạy, STOP: dừng).
Khả năng mở rộng I/O	Cho phép kết nối tối đa 7 module mở rộng, nâng tổng số ngõ vào cực đại lên 64.
Tài nguyên bộ nhớ	2048 từ nhớ chương trình (ROM); 2048 từ nhớ dữ liệu (trong đó 512 từ đầu thuộc ROM); lưu trữ dữ liệu không mất trong 190 giờ khi mất nguồn.
Bộ định thời (Timer) & Bộ đếm (Counter)	128 Timer (gồm các độ phân giải 1ms, 10ms, 100ms cho kiểu TON và TONR); 128 Counter (đếm lên CTU, đếm lên/xuống CTUD, giá trị tối đa 32767).
Chức năng xử lý nâng cao	688 bit nhớ đặc biệt (SM); 3 bộ đếm tốc độ cao HSC (2KHz và 7KHz); 2 bộ phát xung POT/PWM; 2 bộ chiết áp điều chỉnh tương tự.

Quy trình thiết kế hệ thống điều khiển gồm 7 bước tuần tự:

1. Xác định yêu cầu điều khiển: Nắm rõ cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của cơ cấu thủy lực.
2. Vẽ lưu đồ thuật toán: Định hình tổng quan chu trình hoạt động và mối liên kết logic.
3. Phân cổng vào/ra (I/O): Gán cổng vào (I) cho nút bấm, công tắc hành trình, rơle áp suất; gán cổng ra (Q) cho cuộn nam châm điện của van thủy lực.
4. Viết chương trình điều khiển: Soạn thảo mã điều khiển dưới dạng biểu đồ hình thang (LAD) hoặc danh sách câu lệnh (STL) trên phần mềm Step7-Micro/WIN V4.0 (hoặc Step7-Micro/WIN32, Step7-Micro/DOS), kết hợp phần mềm trao đổi dữ liệu S7-200-PC-Access-V10.
5. Nạp chương trình vào PLC: Nạp qua máy tính cá nhân hoặc thiết bị lập trình cầm tay PG702 (chuyển công tắc CPU sang vị trí STOP khi nạp).
6. Kiểm tra và mô phỏng: Vận hành thử nghiệm, phát hiện lỗi để chỉnh sửa trực tiếp trên phần mềm.
7. Kết nối và hoàn thiện: Đấu nối cổng I/O vật lý của PLC với bàn thí nghiệm Festo và đưa vào vận hành.

Nguyên tắc thiết kế phối hợp mạch điện - thủy lực:

• Sơ đồ mạch thủy lực được biểu diễn theo dòng tín hiệu từ dưới lên trên; xy lanh và van vẽ nằm ngang; chiều chuyển động hành trình của xy lanh quy ước từ trái sang phải.
• Sơ đồ mạch điện được vẽ theo dòng tín hiệu từ trái sang phải, nằm giữa hai đường thế nguồn 24VDC và 0VDC; chia tách rõ rệt giữa phần mạch điều khiển (bên trái) và phần mạch động lực (bên phải).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Chương mở đầu trình bày lịch sử hình thành và phát triển của công nghệ truyền động thủy lực từ thế kỷ 17 đến nay. Tác giả tiến hành so sánh toàn diện các đặc tính kỹ thuật giữa truyền động thủy lực và truyền động cơ khí, làm nổi bật ưu thế truyền lực lớn với kích thước nhỏ gọn nhưng cũng chỉ ra các nhược điểm về ô nhiễm dầu và tổn thất áp suất. Tiếp đó, tác giả phân tích khái niệm, cấu trúc phần cứng (CPU, Memory, I/O, BUS, Interface) và ưu nhược điểm của bộ điều khiển logic khả trình PLC. Chương này giải thích lý do lựa chọn bàn thí nghiệm Festo tại Đại học Lâm nghiệp, xác định mục tiêu nghiên cứu, nội dung 5 chương của khóa luận, phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và giới hạn phạm vi đề tài.

Chương 2: Các phần tử của hệ thống thuỷ lực

Chương 2 mô tả chi tiết nguyên lý làm việc và ký hiệu đồ họa quốc tế của các phần tử cơ bản cấu thành hệ thống thủy lực:

• Nguồn động lực: Cấu tạo bơm thủy lực (loại thể tích cố định 1 chiều và 2 chiều; quy ước ký hiệu tam giác bôi đen cho dầu thủy lực, tam giác rỗng cho khí nén), thùng chứa, bộ lọc cặn, bộ tách nước/khí, thiết bị gia nhiệt và làm mát dầu.
• Van điều khiển hướng: Phân tích các loại van 2/2, 3/2, 4/2, 4/3; quy ước ký hiệu cổng cấp nguồn (P hoặc A), cửa xả về thùng (T hoặc B), cửa làm việc (A, B hoặc C, D), cửa dầu rò (L); các cơ cấu tác động bằng nút nhấn, bàn đạp, cần đẩy có khóa hãm và lò xo phản hồi.
• Van áp suất: Phân loại van áp suất cố định và hiệu chỉnh được; nguyên lý hoạt động của van an toàn (trạng thái thường đóng, mở xả khi áp suất vượt lực lò xo) và van điều chỉnh áp suất (trạng thái thường mở, đóng lại khi áp suất ngõ ra tăng cao).
• Van tiết lưu và van một chiều: Cơ chế chỉnh lưu tốc bằng van tiết lưu không hiệu chỉnh và van điều khiển lưu lượng 2 đường (bộ cân bằng áp suất); cấu tạo van một chiều, van một chiều có điều khiển trợ lực (cửa điều khiển X) và van khóa đóng mở bằng tay.
• Cơ cấu chấp hành (Xy lanh): Phân tích xy lanh tác động đơn (hồi vị bằng tải ngoài, lò xo hoặc kiểu ống lồng) và xy lanh tác động kép (cần đơn, cần xuyên suốt hai đầu, xy lanh vi sai, xy lanh nhiều tầng, xy lanh có bộ giảm chấn cuối hành trình cố định hoặc hiệu chỉnh được).

Chương 3: Giới thiệu về điện – thủy lực kết hợp điều khiển bằng PLC

Chương 3 thiết lập cơ sở điều khiển liên động giữa phần điện và phần thủy lực:

• Phần tử phát và xử lý tín hiệu: Khảo sát công tắc đóng mở, công tắc chuyển mạch, nút nhấn; các dòng rơle (rơle đóng mạch công suất, rơle điều khiển, rơle thời gian tác động muộn, rơle thời gian nhả muộn); công tắc hành trình tiếp xúc điện - cơ và không tiếp xúc kiểu nam châm; cảm biến tiệm cận cảm ứng từ, cảm biến điện dung, cảm biến quang thu phát trực tiếp và phản hồi.
• Chuyển đổi tín hiệu: Cơ chế biến đổi áp suất thủy lực thành tín hiệu điện qua màng tiếp điểm hoặc bộ khuếch đại; cơ chế biến đổi tín hiệu điện thành chuyển động thủy lực qua cuộn nam châm điện hút nòng van.
• Nguyên tắc thiết kế mạch: Hướng dẫn xây dựng mạch tự duy trì (Set trội, Reset trội) cho hệ thống dùng 1 xy lanh; kỹ thuật phân tầng điều khiển theo nhịp và mạch khóa lẫn dùng cho hệ thống nhiều xy lanh.
• Kiến trúc và tập lệnh PLC S7-200: Khảo sát cấu trúc vùng nhớ PLC (V, I, Q, M, SM, T, C, AIW, AQW, AC, HSC) với các kiểu truy xuất Bit, Byte, Word, Double Word. Phân tích chi tiết tập lệnh LAD/STL: nhóm lệnh nhập/xuất (LD, LDN, LDI, LDNI, =, =I), nhóm lệnh Set/Reset mảng bit (S, R, SI, RI), nhóm lệnh logic (A, AN, O, ON, ALD, OLD, LPS, LRD, LPP, NOT, EU, ED), nhóm lệnh so sánh dữ liệu, lệnh rẽ nhánh/gọi chương trình con (JMP, LBL, CALL, SBR, RET), lệnh điều khiển Timer (TON, TONR) và Counter (CTU).

Chương 4: Các ví dụ về điều khiển thuỷ lực kết hợp PLC

Chương này triển khai 5 ví dụ mạch thực nghiệm cụ thể, bao gồm sơ đồ chức năng theo thời gian, sơ đồ mạch thủy lực, sơ đồ mạch điện và bảng mã chương trình điều khiển dạng STL:

• Ví dụ 1 (Mạch điều khiển xy lanh cơ bản): Sử dụng van đảo chiều 4/2 (nam châm điện 1Y) và 2 nút bấm. Nhấn nút START S1 (I0.0), cuộn 1Y kích hoạt làm xy lanh tiến ra hết hành trình; nhấn nút RETURN S2 (I0.1), rơle ngắt điện, van hồi vị bằng lò xo đưa xy lanh lùi về. Van điều khiển lưu lượng lắp phía trước van hướng để ổn định vận tốc cả hai chiều.
• Ví dụ 2 (Mạch đảo chiều tự động theo áp suất): Nhấn START S1 (I0.0), cuộn 1Y đóng điện, xy lanh tiến ra. Khi gặp cản làm áp suất ngõ vào xy lanh tăng đạt ngưỡng 3 MPa (30 bar), rơle áp suất 1B (I0.1) tác động ngắt mạch tự duy trì của 1Y, đưa xy lanh tự động co về vị trí ban đầu.
• Ví dụ 3 (Mạch vi phân tăng tốc hành trình tiến): Ứng dụng cho xy lanh cần đơn dùng van 3/2 (1Y). Khi cấp điện cho 1Y qua nút S1 (I0.0), dòng dầu từ khoang có cần được nối tuần hoàn về khoang không có cần, làm tăng lưu lượng nạp giúp cần piston tiến ra với vận tốc cao hơn. Khi nhấn S2 (I0.1), 1Y mất điện và xy lanh co về.
• Ví dụ 4 (Mạch kẹp/hãm thủy lực chống rơi tải kéo): Kết hợp van 4/2 (1Y1), van 3/2 (1Y2) và van một chiều có điều khiển trợ lực (cửa X). Nhấn giữ S1 (I0.0), van trợ lực mở cho phép xy lanh tiến ra; khi nhả S1, van trợ lực đóng lập tức khóa chặn dòng dầu, hãm cứng xy lanh tại vị trí bất kỳ để chống trôi tải kéo. Nhấn S2 (I0.1) kích hoạt 1Y1 để thu hồi xy lanh. Hai nút S1 và S2 được khóa liên động cơ khí để đảm bảo an toàn.
• Ví dụ 5 (Mạch điều khiển liên động với công tắc hành trình): Sử dụng công tắc hành trình 1S1, 1S2 kết hợp van 4/2 (1Y1) và 3/2 (1Y2) để tự động hóa chu trình chuyển động của xy lanh theo vị trí tác động cơ khí.

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

Chương cuối tổng kết toàn bộ các nội dung lý thuyết và thực nghiệm đã thực hiện trong khóa luận, đánh giá mức độ hoàn thành mục tiêu nghiên cứu và đưa ra các kiến nghị về việc duy trì, mở rộng ứng dụng thiết bị thí nghiệm trong công tác giảng dạy tại trường.

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đạt được các kết quả cụ thể sau:

• Tổng hợp đầy đủ hệ thống lý thuyết về các phần tử cơ bản trong truyền động thủy lực, điện - thủy lực và vi cấu trúc điều khiển của dòng PLC Siemens S7-200 (CPU 214).
• Thiết lập và chuẩn hóa sơ đồ kết nối phần cứng giữa bộ điều khiển PLC và bàn thí nghiệm thủy lực Festo.
• Xây dựng, biên dịch và chạy thử nghiệm thành công 5 chương trình điều khiển mạch thủy lực trên phần mềm Step7-Micro/WIN với các giải thuật logic: duy trì trạng thái, tự động đảo chiều bằng tín hiệu áp suất (3 MPa), mạch vi phân tăng tốc lưu lượng và mạch khóa an toàn thủy lực chống rơi tải kéo.
• Đóng góp trực tiếp vào nguồn học liệu thực hành của Khoa Công nghiệp phát triển nông thôn - Trường Đại học Lâm nghiệp, giúp chuyển đổi các bài thí nghiệm từ thao tác cơ khí thuần túy sang hệ thống điều khiển tự động hóa bằng PLC.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận tự nhận định một số hạn chế:

• Do giới hạn kiến thức và thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp của sinh viên, đề tài mới chỉ dừng lại ở việc khảo sát cấu tạo phần tử sẵn có và thiết lập các mạch điều khiển đơn lẻ, cơ bản cho từng xy lanh riêng biệt.
• Chưa mở rộng nghiên cứu sang các thuật toán điều khiển phức tạp nhiều cơ cấu chấp hành đồng thời hoặc tích hợp các module mở rộng tương tự (Analog) và mạng truyền thông công nghiệp.

Hướng nghiên cứu tiếp theo dựa trên phạm vi đề tài:

• Xây dựng các bài toán điều khiển tự động chu trình làm việc phối hợp của nhiều xy lanh thủy lực theo biểu đồ trạng thái nhiều nhịp phức tạp trên bàn Festo.
• Mở rộng khai thác các tập lệnh xử lý ngắt, bộ đếm tốc độ cao (HSC), bộ phát xung PWM và các cổng analog trên PLC S7-200 để điều khiển vị trí và vận tốc tuyến tính.

Giá trị tham khảo

Tài liệu này hữu ích cho:

• Sinh viên và giảng viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử, Tự động hóa và Chế tạo máy: Dùng làm tài liệu hướng dẫn thực hành và tham khảo khi tiếp cận hệ thống thiết bị thủy lực Festo và PLC S7-200.
• Người làm đề tài tốt nghiệp hoặc đồ án môn học liên quan đến điều khiển thủy lực: Có thể tham khảo phương pháp quy chuẩn sơ đồ mạch điện - thủy lực, bảng địa chỉ I/O và cú pháp mã lệnh STL mẫu cho các dạng mạch cơ bản (mạch vi phân, mạch duy trì áp suất, mạch hãm thủy lực).

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ điều khiển PLC được sử dụng trong đề tài có cấu hình I/O và thông số kỹ thuật như thế nào?

Khóa luận sử dụng PLC Siemens Simatic S7-200 dòng CPU 214 DC/DC/DC, tích hợp sẵn 14 ngõ vào số 24VDC (từ I0.0 đến I1.5) và 10 ngõ ra số 24VDC dòng cực đại 50mA (từ Q0.0 đến Q1.1). Thiết bị có khả năng gắn thêm tối đa 7 module mở rộng để đạt mức 64 ngõ vào cực đại, bộ nhớ chương trình 2048 từ ROM, bộ nhớ dữ liệu 2048 từ (lưu trữ 190 giờ khi mất nguồn) cùng 128 Timer và 128 Counter.

2. Ngưỡng áp suất tác động trong mạch tự động đảo chiều (Ví dụ 2) là bao nhiêu và vị trí cảm biến được lắp đặt ở đâu?

Trong Ví dụ 2, ngưỡng áp suất cài đặt trên công tắc áp suất 1B để kích hoạt hành trình co về của xy lanh là 3 MPa (tương đương 30 bar). Tác giả lưu ý công tắc/cảm biến áp suất bắt buộc phải được lắp đặt ngay phía trước cửa cấp nguồn của xy lanh (phía trên van điều khiển lưu lượng một chiều) để tránh hiện tượng áp suất giả tăng vọt trên 30 bar do trở kháng van tiết lưu khi vừa mở mạch.

3. Nguyên lý hoạt động của mạch vi phân trong Ví dụ 3 giúp tăng tốc độ tiến của xy lanh ra sao?

Mạch vi phân áp dụng cho xy lanh có cần piston đơn. Khi van 3/2 cấp dầu, áp suất tác động đồng thời lên cả hai mặt của piston. Do diện tích mặt đáy lớn hơn diện tích mặt có cần, lực tổng hợp đẩy cần tiến ra. Lượng dầu bị chiếm chỗ từ khoang có cần không xả về thùng mà được dẫn tuần hoàn hòa vào dòng cấp cho khoang đáy, làm tăng lưu lượng nạp tức thời và tăng tốc độ đẩy của xy lanh.

4. Mạch hãm chống rơi tải kéo trong Ví dụ 4 sử dụng giải pháp an toàn nào?

Mạch sử dụng một van một chiều có điều khiển trợ lực (cổng điều khiển X) kết hợp van 3/2 (1Y2) và van 4/2 (1Y1). Khi nhả nút bấm S1, van 3/2 trở về vị trí ban đầu làm ngắt dòng trợ lực khiến van một chiều đóng ngay lập tức, khóa kín đường dầu để kẹp thủy lực cố định vị trí piston. Đồng thời, hai nút nhấn S1 và S2 được bố trí khóa liên động cơ khí để ngăn chặn hiện tượng kích hoạt đồng thời cả hai chiều.

5. Cần sử dụng những công cụ phần mềm nào để lập trình và truyền dữ liệu cho hệ thống PLC trong đề tài?

Quá trình lập trình điều khiển được thực hiện trên máy tính cá nhân hoặc thiết bị lập trình PG702 thông qua phần mềm Step7-Micro/WIN V4.0 (hoặc Step7-Micro/WIN32, Step7-Micro/DOS), kết hợp cùng phần mềm S7-200-PC-Access-V10 để phục vụ quá trình trao đổi dữ liệu.

Kết luận

Khóa luận đã khảo sát toàn diện cơ sở lý thuyết về các phần tử cơ bản trong truyền động thủy lực và cấu trúc phần cứng, tập lệnh của PLC Siemens S7-200 CPU 214. Trên cơ sở bàn thực hành Festo tại Trường Đại học Lâm nghiệp, tác giả đã thiết kế và thử nghiệm thành công 5 sơ đồ mạch điện - thủy lực kết hợp mã chương trình điều khiển dạng STL. Đề tài cung cấp tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn phục vụ trực tiếp cho công tác đào tạo, thực hành tự động hóa và cơ điện tử tại nhà trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu Chương 2 : Các phần tử của hệ thống thuỷ lực Chương 3 : Giới thiệu về điện - thuỷ lực kết hợp điều khiển PLC Chương 4 : Dùng PLC điều khiển các mạch thuỷ lực Chương 5 : Kết luận và kiến nghị 1. Phương pháp nghiên cứu Tôi thực hiện khoá luận theo phương pháp dựa trên trang thiết bị đã có trong phòng thí nghiệm, các tài liệu về thuỷ lực, điện - thuỷ lực và các đề tài có liên quan cùng với sự hướng dẫn giúp đỡ của các thầy cô giáo trong việc làm các thí nghiệm lắp và điều khiển mạch thuỷ lực. Kết quả và giới hạn của đề tài Kết quả là đưa ra một bản báo cáo với nội dung như sau: Nêu ra được lý do thực hiện đề tài, cơ sở lý thuyết về thuỷ lực, điện - thuỷ lực, các đặc tính của PLC S7 – 200 và dùng nó để điều khiển các mạch thuỷ lực. Với góc độ là một đề tài tốt nghiệp của sinh viên, do kiến thức còn nhiều hạn chế nên đề tài chỉ dừng lại ở việc tìm hiểu về cấu tạo của hệ thống các thiết bị điện - thuỷ lực và từ các thiết bị đã có tôi xây dựng các mạch thuỷ lực cơ bản, các mạch điện điều khiển và kết hợp PLC điếu khiển chúng.

CÁC PHẦN TỬ CỦA HỆ THỐNG THUỶ LỰC 2. Khái niệm về truyền động thuỷ lực Truyền động thuỷ lực là quá trình biến đổi năng lượng của hệ thống thuỷ lực mà bơm thuỷ lực và động cơ thuỷ lực là hai khâu của quá trình này. Bơm thuỷ lực làm nhiệm vụ biến đổi cơ năng thành thuỷ năng, động cơ thuỷ lực thì biến đổi thủy năng thành cơ năng. Dầu thuỷ lực là môi chất của sự truyền năng lượng.

Các phần tử của hệ thống thuỷ lực 2. Nguồn động lực Bộ nguồn cung cấp công suất năng lượng cần thiết bằng cách chuyển hoá cơ năng từ động cơ. Bộ phận quan trọng nhất trong bộ nguồn là bơm thuỷ lực. Bơm tải dầu thuỷ lực từ thùng dầu và cung cấp cho hệ thống qua các đường ống dẫn trong hệ thống lắp đặt thuỷ lực để vượt qua lực cản.

Áp suất không được tạo ra cho đến khi chất lỏng bị lực cản tác động.1 : Bơm thuỷ lực Ký hiệu đồ họa : Bơm thuỷ lực được diễn tả bằng một vòng tròn và cho thấy vị trí trục động cơ hay đầu ra. Hình tam giác trong vòng tròn cho biết hướng dòng chảy. Nếu hình tam giác này được bôi đen thì dầu thuỷ lực được sử dụng trong hệ thống, trong trường hợp khí nén các hình tam giác này không được bôi đen. Dưới đây là hai loại bơm thuỷ lực: Bơm thuỷ lực thể tích cố định 5 với dòng chảy một chiều (hình 2.2a) và bơm thuỷ lực thể tích cố định với dòng chảy hai chiều (hình 2.2: Ký hiệu bơm thuỷ lực Trong bộ nguồn còn có cả bộ lọc dầu để loại bỏ các chất thải ra khỏi dầu thuỷ lực.

Nước và các chất khí trong dầu cũng là các yếu tố phân huỷ và được loại ra bằng các phương pháp đặc biệt. Bộ gia nhiệt và bộ làm mát cũng được lắp đặt để ổn định nhiệt độ của dầu thuỷ lực. Các thiết bị này có cần thiết hay không tuỳ thuộc vào các yêu cầu của các ứng dụng đặc biệt của hệ thống thuỷ lực được sử dụng. Dầu thuỷ lực Dầu thuỷ lực là một môi chất làm việc được sử dụng để chuyền năng lượng từ bộ nguồn đến các bộ phận của động cơ.

Dầu thuỷ lực có nhiều đặc tính khác nhau. Vì thế chúng phải được lựa chọn phù hợp với các ứng dụng. Van điều khiển hướng Các van này có tác dụng điều khiển dòng chảy của dầu thuỷ lực, hướng chuyển động và các vị trí của các cơ phận. Những van điều khiển hướng có thể tác động bằng tay, cơ khí, điện, khí nén hoặc thuỷ lực.

Chúng chuyển hoá và khuếch đại tín hiệu bằng điện hoặc khí nén để tạo nên giao diện giữa phần điều khiển công suất và phần điều khiển tín hiệu.3: Van điều khiển hướng 6 a. Ký hiệu của van điều khiển hướng Số hình vuông cho biết số vị trí có thể đóng mở cho một van. Các mũi tên trong hình vuông cho biết hướng dòng chảy. Các đường thẳng cho biết các cửa van được kết nối với các vị trí đóng mở khác nhau như thế nào.

Có hai phương pháp thiết kế các cửa van. Phương pháp thứ nhất sử dụng các mẫu tự P, T, A, B và L, phương pháp thứ hai đánh dấu các cửa van với các mẫu tự theo thứ tự A, B, C, D,…Các cửa van luôn được đánh dấu với van ở vị trí nghỉ. Nếu không có vị trí nghỉ chúng được đặt tại vị trí đóng mở giống như van của hệ thống đang ở vị trí ban đầu của nó. A Van 2/2 P Định danh cửa van: A P : Cửa cấp nguồn T : Cửa xả Van 3/2 A , B : Cửa công suất P T L : Cửa dầu rò rỉ A B Hoặc : Van 4/2 A : Cửa cấp nguồn P T B : Cửa xả C , D : Cửa công suất A B L : Cửa dầu rò rỉ Van 4/3 P T Hình 2.4: Ký hiệu van điều khiển hướng 7 b.

Các phương pháp điều khiển van Có thể đóng mở vị trí của một van điều khiển tuyến tính bằng nhiều phương pháp tác động khác nhau: nút nhấn, bàn đạp, đòn bẩy, … Lò xo luôn luôn cần thiết để đưa về vị trí ban đầu. Trả về vị trí ban đầu cũng có thể bằng cách đóng mở van lần thứ hai. Dưới đây là các phương pháp tác động quan trọng : Ký hiệu tổng quát với lò xo hồi và lỗ xả dầu rò rỉ Bằng nút nhấn với lò xo hồi. Bằng cần đẩy.

Bằng cần đẩy với khoá hãm Bằng bàn đạp chân với lò xo hồi Hình II.5:Các phương pháp điều khiển van 2. Van áp suất Những van này có chức năng tác động đến áp suất của toàn bộ hệ thống thuỷ lực hoặc một phần của hệ thống. Phương pháp vận hành của các van này dựa trên thực tế là áp suất từ hệ thống tác động lên bề mặt của van. Lực tạo ra được cân bằng bởi một lò xo phản hồi.6: Van áp suất 8 Ký hiệu của van áp suất:Van áp suất được diễn tả qua các hình vuông.

Chiều dòng chảy được xác định bằng một mũi tên. Các cửa van có thể được đánh dấu bằng P(Port) và T(Tank) kết nối với thùng dầu hoặc A và B. Vị trí của van trong hình vuông cho biết van thường đóng hay van thường mở.7a van thường mở, hình 2.7b thể hiện dòng chảy từ P đến A cửa T đóng, hình 2.7c là van thường đóng A A P B P T T a b c Hình 2.7: Ký hiệu van áp suất Còn một sự phân biệt khác giữa van áp suất cố định (hình 2.8a) và có thể điều chỉnh được. Van áp suất có thể điều chỉnh được được diễn tả bằng một mũi tên chéo xuyên qua lò xo (hình 2.8a: loại cài đặt Hình 2.8b: loại hiệu chỉnh được Van áp suất được chia thành hai loại: Van an toàn: Ở vị trí thường đóng áp suất điều khiển được nhận ra tại cửa van vào áp suất này tác động lên van qua đường điều khiển đến từ cửa van vào trên bề mặt piston được giữ cân bằng với một áp suất điều khiển nhờ một lò xo.

Nếu lực được tạo ra do áp suất tác động lên bề mặt thực của piston vượt quá lực lò xo van sẽ mở. Như thế, có thể xác lập được áp suất giới hạn tại một giá trị cố định P(A) T(B) Hình 2.9: Van an toàn 9 Van điều chỉnh áp suất: Trong trường hợp van điều chỉnh áp suất thường mở, áp suất điều khiển được nhận ra tại cửa van ra. Áp suất này tác động trong van qua đường điều khiển trên bề mặt piston và sinh ra một lực. Lực này tác động đối nghịch với lực lò xo.

Van bắt đầu đóng khi áp suất cửa van ra lớn hơn lực lò xo. Quá trình đóng này tạo ra sự sụt áp từ cửa van vào đến cửa van ra của van (do điều khiển dòng chảy). Khi áp suất cửa van ra đạt một giá trị xác định, van đóng hoàn toàn.10: Van điều chỉnh áp suất 2. Van tiết lưu Những van này tác động tương tác với van áp suất để tác động đến lưu tốc.

Chúng cho khả năng điều khiển và điều chỉnh vận tốc của bộ phận truyền động Hình 2.11: Van tiết lưu Trong trường hợp van tiết lưu, cần phân biệt loại van tiết lưu không hiệu chỉnh được (hình 2.11a) và van điều khiển lưu lượng (hình 2. Van điều khiển lưu lượng hai đường gồm hai thiết diện giới hạn, một tiết diện không bị tác động bởi độ nhớt và một loại tiết lưu có thể chỉnh được. Sự thiếu hụt của tiết lưu điều chỉnh có thể được giảm bớt bằng cách thay đổi áp suất. Loại tiết lưu có thể điều chỉnh này còn gọi là một bộ cân bằng áp suất.

Những van này được diễn tả bằng một hình vuông trong đó có vẽ ký hiệu tiết lưu khác nhau và một mũi tên tượng trưng cho cân bằng áp suất. Mũi tên nằm ngang qua hình vuông tượng trưng cho van có thể điều chỉnh được.11: Ký hiệu van tiết lưu 2. Van một chiều Hinh 2.12: Van một chiều Ký hiệu của van một chiều là một quả cầu được đặt trên một hình chữ Y. Ký hiệu này được vẽ như một hình tam giác mở trong đó chứa một quả cầu.

Điểm hội tụ trên hình tam giác cho biết hướng bị khoá và không phải hướng của dòng chảy. Van trợ lực điều khiển một chiều được diễn tả qua một hình vuông trong đó có vẽ ký hiệu của van một chiều. Đường trợ lực điều khiển trong van được diễn tả bằng một kết nối điều khiển dưới dạng một đường gián đoạn. Cửa van trợ lực điều khiển được đặt tên bằng mẫu tự X B A X Hình 2.13: Van trợ lực điều khiển một chiều Van đóng mở (van khoá) được biểu diễn qua hai hình tam giác đối mặt nhau.

Chúng được sử dụng để hạ áp suất trong hệ thống bằng tay hoặc giảm tải trong ắc quy. Trên nguyên tắc, tại bất cứ nơi nào cần đóng mở bằng tay. Xy lanh là những bộ phận được sử dụng để chuyển hóa năng lượng thủy lực thành cơ năng. Chúng tạo ra các chuyển động thẳng nhờ áp suất tác động lên bề mặt của piston.

Xy lanh được phân loại theo kiểu tác động đơn (hình 2.15a ) và tác động kép (hình 2.