Chương 1 Giới thiệu về hệ thống khí nén 1. Sơ lược về lịch sử ra đời và phát triển hệ thống điều khiển điện khí nén. Giới thiệu cho người học hiểu về các hệ thống điều khiển chuyển mạch tự động và vai trò quan trọng trong việc thiết kế một hệ thống tuần tự, mà cụ thể là hệ thống khí nén tuần tự Trong những thập niên 50 và 60 của thế kỷ 20, kỹ thuật tự động hóa quá trình sản xuất đã được phát triển mạnh mẽ; cùng với quá trình đó, kỹ thuật điều khiển bằng khí nén được phát triển rộng rãi và được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong tự động hóa, hệ thống tự động hóa bắng khí nén thuộc về loại hệ thống chuyển mạch (switching systems) tự động do vậy trước khi trình bầy về kỹ thuật tư động hóa trong hệ thống điều khiển bằng khí nén, điện - khí nén, một số kiến thức cơ bản liên quan sẽ được đề cập dưới đây: Giới thiệu về các hệ thống điều khiển chuyển mạch tự động Các hệ thống chuyển mạch (hình 1.1) tự động bao gồm trong đó hai loại chính: Các hệ thống kết hợp (combinational systems) Các hệ thống tuần tự (sequencial systems) bao gồm hệ thống đồng bộ và không đồng bộ.
Các hệ thống chuyển mạch Các hệ thống chuyển Các hệ thống mạch tuần tự Chuyển mạch kết hợp Các hệ thống Các hệ thống đồng bộ không đồng bộ Hình 1.1 Các loại hệ thống chuyển mạch. Các hệ thống chuyển mạch kết hợp Trong các hệ thống chuyển mạch kết hợp hay hệ thống mạch logic kết hợp, các tín hiệu ra (outputs) nhị phân luôn chỉ là hàm của các tín hiệu vào (inputs) hiện tại. Ví dụ: Các cổng logic đặc trưng cho các hệ thống kết hợp, trong đó các tín hiệu ra chỉ phụ thuộc vào trạng thái kết hợp của các tín hiệu vào hiện tại. Các hệ thống chuyển mạch tuần tự 7 Khác với các hệ thống chuyển mạch kết hợp, trong các hệ thống chuyển mạch tuần tự, một số hoặc tất cả các tín hiệu ra phụ thuộc vào các tín hiệu vào trước đó có nghĩa nó phục thuộc vào “quá khứ” của hệ thống này.
Do vậy, hệ thống tuần tự phải sử dụng các flip – flop, các phần tử nhớ các trạng thái trước đó. Các hệ thống chuyển mạch tuần tự được chia nhỏ làm hai loại hệ thống đồng bộ và hệ thống không đồng bộ. Hệ thống không đồng bộ hoạt động trên cơ sở sự kiện. điều này có nghĩa là một bước hoạt động nào đó xẩy ra chỉ khi một bước hoạt động trước của hệ thống đã được hoàn tất.
Các hệ thống đồng bộ là hệ thống hoạt động trên cơ sở thời gian. Ở các hệ thống này, người ta sử dụng một đồng hồ tạo ra xung, mục đích để ra các xung với chu kỳ nhất định, mà mỗi xung này được kích hoạt các bước tiếp theo. Tín hiệu vào xi zjTín hiệu ra Hệ thống kết hợp yk Flip - Flops Sk y’k Rk Hình 1.2 Cấu tạo của hệ thống chuyển mạch tuần tự Hình 1.2 thể hiện cấu tạo chung của một hệ thống chuyển mạch tuần tự trong đó bao gồm cả hệ thống kết hợp (logic); trong các tín hiệu x i và zj lần lượt là các tín hiệu vào ra của hệ thống, các phần tử nhớ flip-flop đóng vai trò ghi nhớ các trạng thái “quá khứ” trước đó, chúng bao gồm các hàm kích hoạt Sk và Rk (tín hiệu điều khiển flip-flop) và các biến trạng thái yk va y’k (tín hiệu ra flip- flop). Các tín hiệu vào xi , yk và y’k của hệ thống thong qua các hệ thống kết hợp sẽ tạo ra các tín hiệu ra zj và các hàm kích hoạt Sk và Rk để tác động trở lại flip- flop để tạo ra các biến yk và y’k tương ứng các sự kiện tiếp theo.
Vì vậy, khi thiết kế một hệ thống tuần tự, việc quan trọng đầu tiên là phải xác định số lượng flip-flops và các hàm kích hoạt. Như trên đã trình bầy, các hệ thống logic kết hợp, các phần tử nhớ flip-flop đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế một hệ thống tuần tự, mà cụ thể là hệ thống khí nén tuần tự. Để hiểu rõ bản chất quá trình thiết kế, điều khiển các hệ thống khí nén, cần lắm vững một số lý thuyết cơ bản nhất định, đặc biệt là đại số Boolean và các phần tử logic cơ bản. Ưu, nhược điểm của hệ thống điều khiển điện khí nén.
Mục tiêu: So sánh tính ưu nhược điểm của hệ thống điều khiển điện khí nén hiện nay, trong lĩnh vực điều khiển, người ta thường kết hợp hệ thống điều khiển bằng khí nén với điện hoặc điện tử. Cho nên rất khó xác định một cách chính xác, rõ ràng ưu điển của từng hệ thống điều khiển. Tuy nhiên, có thể so sánh một số khía cạnh,đặc tính của truyền động bằng khí nén đối với truyền động bằng cơ, bằng điện. Ưu điểm - Tính đồng nhất năng lượng giữa phần I và O ( điều khiển và chấp hành) nên bảo dưỡng, sửa chữa, tổ chức kỹ thuật đơn giản, thuận tiện.
Không yêu cầu cao đặc tính kỹ thuật của nguồn năng lượng: 3 – 8 bar. Khả năng quá tải lớn của động cơ khí Độ tin cậy khá cao ít trục trặc kỹ thuật Tuổi thọ lớn Tính đồng nhất năng lượng giữa các cơ cấu chấp hành và các phần tử chức năng báo hiệu, kiểm tra, điều khiển nên làm việc trong môi trường dễ nổ, và bảo đảm môi trường sạch vệ sinh. Có khả năng truyền tải năng lượng xa, bởi vì độ nhớt động học khí nén nhỏ và tổn thất áp suất trên đường dẫn ít. - Do trọng lượng của các phần tử trong hệ thống điều khiển bằng khí nén nhỏ, hơn nữa khả năng giãn nở của áp suất khí lớn, nền truyền động có thể đạt được vận tốc rất cao.
Nhược điểm Thời gian đáp ứng chậm so với điện tử Khả năng lập trình kém vì cồng kềnh so với điện tử , chỉ điều khiển theo chương trình có sẵn. Khả năng điều khiển phức tạp kém. Khả năng tích hợp hệ điều khiển phức tạp và cồng kềnh. Lực truyền tải trọng thấp.
Dòng khí nén thoát ra ở đường dẫn gây tiếng ồn Không điều khiển được quá trình trung gian giữa 2 ngưỡng. Phạm vi ứng dụng của khí nén. Mục tiêu: Làm rõ mục tiêu chính phạm vi ứng dụng của khí nén sau: Trong lĩnh vực điều khiển Trong lĩnh vực truyền động: Các dụng cụ,thiết bị máy va đập, truyền động quay, truyền động thẳng, trong các thiết bị đo và kiểm tra Hệ thống điều khiển khí nén được sử dụng rộng rãi ở những lĩnh vực mà ở đó vấn đề nguy hiểm, hay xảy ra các cháy nổ, như: các đồ gá kẹp các chi tiết nhựa, chất dẻo; hoặc được sử dụng trong ngành cơ khí như cấp phôi gia công; hoặc trong môi trường vệ sinh sạch như công nghệ sản xuất các thiết bị điện tử. Ngoài ra hệ thống điều khiển bằng khí nén được sử dụng trong các dây chuyền sản xuất thực phẩm, như: rữa bao bì tự động, chiết nước vô chai…; trong các thiết bị vận chuyển và kiểm tra của các băng tải, thang máy công nghiệp, thiết bị lò hơi, đóng gói, bao bì, in ấn, phân loại sản phẩm (hình 1.4) và trong công nghiệp hóa chất, y khoa và sinh học.3 Phân loai sản phẩm Hình 1.4 Súng xiết bulông Sự phát triển về điều khiển bằng khí nén không ngừng diễn ra.
Các ứng dụng của khí nén để điều khiển như: phun sơn, gá kẹp chi tiết v. Các ứng dụng của khí nén trong truyền động như máy vặn vít (hình 1.3) , các moto khí nén, máy khoan, các máy va đập dùng trong đào đường, hệ thống phanh ôtô v.5 Đóng gói sản phẩm 10 Chương 2 Các phần tử trong hệ thống điện khiển khí nén 2. Các loại van trong hệ thống điều khiển khí nén. Phân loại các loại van đảo chiều là cơ cấu chỉnh hướng có nhiệm vụ điều khiển dòng khí nén.
Hiểu được tín hiệu tác động của van và kí hiệu van đảo chiều cũng như nguyên lý làm việc của các loại van điều khiển. Giới thiệu các loại van khí nén trong thực tế và các loại van logic khác 2. Van đảo chiều. Van đảo chiều là cơ cấu chỉnh hướng có nhiệm vụ điều khiển dòng năng lượng đi qua van chủ yếu bằng cách đóng, mở hay chuyển đổi vị trí để thay đổi hướng của dòng năng lượng.
Các thành phần được mô tả ở hình 2.1 Các thành phần van chỉnh hướng Tín hiệu tác động Nếu kí hiệu lò xo nằm ngay phía bên phải của kí hiệu van đảo chiều, thì van đảo chiều đó có vị trí “không”, vị trí đó là ô vuông nằm bên phải của kí hiệu van đảo chiều và được kí hiệu là “0”. Điều đó có nghĩa là chừng nào chưa có lực tác động vào pít tông trượt trong nòng van, thì lò xo tác động vẫn giữ ở vi trí đó. Tác động vào làm thay đổi trực tiếp hay gián tiếp pít tông trượt là các tín hiệu sau (hình 2.2): Tác động bằng tay 11 Tác động bằng cơ Tác động bằng điện Tác động bằng khí và dầu Hình 2.2 Tín hiệu tác động Kí hiệu van đảo chiều Van đảo chiều có rất nhiều dạng khác nhau, nhưng dựa vào đặc điểm chung là số cửa, số vị trí và số tín hiệu tác động để phân biệt chúng với nhau (hình 2.3): Số vị trí: là số chỗ định vị con trượt của van. Thông thường van đảo chiều có hai hoặc ba vị trí; ở những trường hợp đặc biệt thì có thể nhiều hơn.
Thường kí hiệu: bằng các chữ cái o, a, b,… hoặc các con số 0,1, 2,… Số cửa ( đường): là số lỗ để dẫn khí hoặc dầu vào hay ra. Số cửa của van đảo chiều thường dùng là 2, 3, 4, 5. Đôi khi có thể nhiều hơn. Thường kí hiệu: Cửa nối với nguồn : P Cửa nối làm việc: A, B, C… 12 Cửa xả lưu chất: R, S, T… Số tín hiệu: là tín hiệu kích thích con trượt chuyển từ vị trí này sang vị trí khác.
Có thể là 1 hoặc 2. Thường dùng các kí hiệu: X, Y, … Hình 2.3 Kí hiệu van đảo chiều Quy ước về đặt tên các cửa van. Cửa nối van được ký hiệu như sau: ISO 5599 ISO 1219 Cửa nối với nguồn(từ bộ lọc khí) 1 P Cửa nối làm việc 2 , 4, 6, … A , B , C, … Cửa xả khí 3 , 5 , 7… R , S , T… Cửa nối tín hiệu điều khiển 12 , 14… X,Y… 2.