Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển PLC thủy lực - khí nén

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển PLC cho các hệ thống thủy lực - khí nén, phục vụ chương trình đào tạo đại học ngành kỹ thuật.

• Tác giả: Nguyễn Chung
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Trọng Doanh
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy
• Đề tài: Nghiên Cứu Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển PLC Cho Các Hệ Thống Thủy Lực - Khí Nén Phục Vụ Chương Trình Đào Tạo Đại Học
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2009
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Hệ thống Điều khiển PLC Thủy lực Khí nén

Hệ thống điều khiển PLC thủy lực khí nén đã trở thành một giải pháp không thể thiếu trong ngành công nghiệp hiện đại. Thiết bị điều khiển lập trình (PLC - Programmable Logic Controller) được phát triển từ năm 1968 bởi Công ty General Motors, Mỹ. Hệ thống này kết hợp công nghệ điều khiển thủy lực và khí nén để tạo ra các ứng dụng công nghiệp đa dạng. PLC thủy lực khí nén cung cấp khả năng điều khiển chính xác, linh hoạt và an toàn cho các hệ thống tự động hóa. Sự phát triển từ những năm 1975 đến nay đã giúp hệ thống PLC nâng cao hiệu suất với dung lượng bộ nhớ lên tới 128.000 từ và khả năng xử lý hơn 8.000 cổng vào/ra.

1.1. Lịch sử phát triển của PLC

PLC được phát minh lần đầu tiên vào năm 1968 nhằm thay thế hệ thống relay truyền thống. Những năm đầu, hệ thống này còn khá cơ bản và khó khăn trong vận hành. Đến năm 1969, PLC cầm tay (handheld controller) được phát triển để đơn giản hóa quá trình lập trình. Tiêu chuẩn lập trình dùng giản đồ hình thang (ladder diagram) được thiết lập, tạo nền tảng cho sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ này.

1.2. Ứng dụng của PLC trong các hệ thống hiện đại

Hệ thống PLC thủy lực khí nén được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp chế tạo máy, sản xuất, tự động hóa và xây dựng. Điều khiển PLC cho phép điều khiển chính xác các xi lanh tác động, van phối phát, và các cơ cấu thực hiện công việc phức tạp. Khả năng giao tiếp với các hệ thống khác thông qua CIM (Computer Integrated Manufacturing) giúp tích hợp toàn bộ quy trình sản xuất.

II. Cấu trúc và Nguyên lý hoạt động của PLC Thủy lực Khí nén

Cấu trúc PLC bao gồm ba phần chính: module ngõ vào, bộ xử lý trung tâm (CPU), và module ngõ ra. Hệ thống hoạt động theo nguyên lý quét tuần hoàn (scan cycle), liên tục đọc tín hiệu từ các cảm biến, xử lý dữ liệu theo chương trình lập sẵn, và gửi tín hiệu đến các thiết bị thực hiện. Chu kỳ quét của PLC thủy lực khí nén hiện đại rất nhanh, cho phép xử lý các chức năng phức tạp với độ chính xác cao. Tốc độ xử lý được cải thiện liên tục, giúp hệ thống điều khiển có thể đáp ứng với các yêu cầu điều khiển vòng kín (feedback control) và những ứng dụng yêu cầu đáp ứng nhanh.

2.1. Các thành phần chính của hệ thống

PLC thủy lực khí nén bao gồm cảm biến (limit switch), van solenoid (solenoid valve), xi lanh (cylinder), và bộ điều khiển. Các cảm biến giới hạn hành trình (limit switch) phát hiện vị trí xi lanh và gửi tín hiệu về bộ điều khiển. Van phối phát điều khiển hướng dòng chất lỏng hoặc khí nén, còn xi lanh tác động thực hiện công việc. Module ngõ ra từ PLC kích hoạt các van solenoid để điều khiển chuyển động.

2.2. Nguyên lý điều khiển của PLC

Hệ thống PLC hoạt động dựa trên nguyên lý điều khiển vòng hở hoặc vòng kín. Trong điều khiển vòng kín, tín hiệu phản hồi từ cảm biến được gửi lại bộ xử lý để điều chỉnh quá trình điều khiển. Chương trình PLC được lập dưới dạng giản đồ hình thang, giúp lập trình viên dễ dàng tạo logic điều khiển cho các hệ thống thủy lực khí nén.

III. Thiết kế Mạch Điều khiển Hệ thống Thủy lực Khí nén

Thiết kế mạch điều khiển cho hệ thống thủy lực khí nén yêu cầu sự kết hợp giữa lý thuyết điều khiển và kinh nghiệm thực tiễn. Có hai phương pháp thiết kế chính: điều khiển tùy chọn (selective control) và điều khiển theo hành trình (sequence control). Điều khiển tùy chọn cho phép người vận hành chọn một trong số các chương trình sẵn có. Điều khiển theo hành trình tự động thực hiện một chuỗi các bước theo thứ tự được lập sẵn. Mạch điều khiển phải đảm bảo an toàn với các nút ấn khẩn cấp (emergency stop), nút ấn kết thúc chu kỳ (end of cycle), và các tiếp điểm thường đóng (NC) hoặc thường mở (NO). Hệ thống PLC cung cấp các chức năng bảo vệ và điều khiển an toàn cho toàn bộ quá trình.

3.1. Phương pháp điều khiển tùy chọn

Điều khiển tùy chọn trong hệ thống PLC thủy lực khí nén cho phép lựa chọn chế độ hoạt động chu kỳ tự động (automatic cycle) hoặc chu kỳ đơn (single cycle). Người vận hành có thể khởi động hoặc dừng hệ thống bất cứ lúc nào bằng nút ấn bắt đầu (start) hoặc nút ấn kết thúc. Chế độ này phù hợp với những ứng dụng yêu cầu độ linh hoạt cao và sự can thiệp của con người.

3.2. Phương pháp điều khiển theo hành trình

Điều khiển theo hành trình tự động điều khiển xi lanh tác động kép (double acting cylinder) và xi lanh tác động đơn (single acting cylinder) theo một trình tự xác định trước. Hành trình đi ra (working stroke, stem out) và hành trình đi về (working stroke, stem in) được thực hiện theo chương trình PLC. Phương pháp này tối ưu hóa tốc độ sản xuất và giảm thiểu lỗi do con người gây ra.

IV. Ưu điểm và Ứng dụng của Hệ thống Thủy lực Khí nén

Hệ thống thủy lực khí nén được điều khiển bằng PLC cung cấp nhiều ưu điểm nổi bật. Thứ nhất, khí nén nhẹ, an toàn, không gây ô nhiễm môi trường, phù hợp với những ứng dụng yêu cầu tính sạch sẽ cao. Thứ hai, thủy lực cung cấp lực mạnh với kích thước compact, lý tưởng cho những công việc nặng. Kết hợp hai công nghệ này trong một hệ thống PLC tạo ra giải pháp toàn diện cho công nghiệp. Phạm vi ứng dụng rất rộng: từ máy công cụ, ép khuôn, robot công nghiệp, cho đến các hệ thống tự động hóa sản xuất. Điều khiển PLC đảm bảo hiệu suất cao, độ tin cậy lớn, và chi phí vận hành thấp.

4.1. Ưu điểm của điều khiển khí nén

Khí nén có ưu điểm là an toàn, không cháy nổ, dễ cấp phát, và vận hành đơn giản. Hệ thống khí nén được điều khiển bằng PLC cho phép điều khiển nhanh chóng và chính xác. Ứng dụng phổ biến bao gồm các hệ thống ấn, kẹp, và vận chuyển trong các nhà máy sản xuất.

4.2. Ưu điểm của điều khiển thủy lực

Thủy lực cung cấp lực tập trung lớn trong không gian nhỏ, cho phép thiết kế máy móc compact và hiệu quả. Hệ thống thủy lực điều khiển bằng PLC được sử dụng rộng rãi trong ép khuôn, cắt, và các ứng dụng yêu cầu lực mạnh và kiểm soát chính xác.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TÌM IHẺU VE PLC VÀ CÁC UNG DUNG TRONG DIEU KITIEN, 1.1 Lịch sử phát trién.2 Cầu trúc và hoạt động của PLC - - g 1.2 Hoạt động của một PLC - Tả - 8 1.3 Phân loại PLC - - "` 1.4 So sanh PLC với các hệ thông điều khiến khác, lợi ich của việc sử dụng PLC .1, Việc sử dụng PLC với hệ thống điều khiển khác.1 PLC wéi hé thống điều khiển bằng rơie 14.2 PLC véi may tính.3 PLLC với máy tính cá nhân (PC: ‘crsonal Computers) .2 Lợi ích của việc sử dụng PLC 1.3 Một số lĩnh vực tiều biểu ứng đụng PL. CHUONG 2 TIM HIEU VE HE THONG DIEU KHIEN THỦY LỰC — KHÍ NÉN.1 Sơ lược về hệ thông điều khiển thủy lực — khi nén 2.1 Hệ thông điều khiển 2.2 Các loại tin hiệu điều khiển.3 Diễu khiển vòng hở.4 Điều khiển vòng kín (hồi tiếp) - .1 2-2 Ưu và nhược điểm của hệ thông điều khiển thủy lực — khi nén .2 Nhược điểm 2. 23 Phạm vị ứng dựng của điều khiển thủy lực — khí nén.1 Pham vi ửng dụng của diều khiển khí nén. Phạm vì ứng dụng của điểu khiển thủy lực.

«occoeeeeoeeoeceoeoe 2Ô CHUONG 3 THIET KE MACH ĐIỀU KHIỂN HỆ THÓNG THỦY LỰC — KHÍ NÉN „22 3.1 Phân loại phương pháp điều khiểu.22 3,1,1 Diễu khiển tùy chọn - - 22 3,1.2 Điều khiển theo hành trình - rel Học viên: Nguyễn Chung 1 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật BẰNG CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT Ký hiệu Tên gọi Tên gọi a0, b0,. | Điểm giới hạn hành trình về cửa xỉ lanh | Limit switch, stem in al,bl,. | Diểm giới hạn hành trình đi của xí lanh | Limit switch, stem out A+,B+,. | Hành trình đi ra của xi lanh ‘Working stroke, stem out A.B, Hành trình đi về của xỉ lanh Working stroke, stom in AC Chu kỳ tự dộng Automatic Cicle BI, B2,._| Cudn dây cẩm ứng Valve coil DA Xi lanh tác động kép.

Double Acting (cylinder) ED. Phần phối bằng điện Electro Distributor FM Núi ấn khẩn cấp TMergency FOC Núi ấn kếi thúc chủ kỳ End Of Cycle LY Van diéu khién bing dién Hlectro Valve NC 'Tiếp điểm thường đóng Normally Closed NO Tiếp điểm thường mở Normally Open PM Núi ấn bất đần Start pushbutfon RE REsci REM Nút ấn thiết lập lại khẩn cấp EM Reset s Công tắt Switch, Selector S. Xi lanh tác động đơn Single Acting (cylinder) sc Chu ky đơn Single Cycle soc Nii dn bat dau chu ky Start OF Cycle Học viên: Nguyễn Chung 5 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật CHƯƠNG1 TÌM HIỀU VÈ PLC VÀ CÁC ỨNG DỤNG TRONG ĐIÊU KHIỂN 1.1 Lịch sử phát triển Thiết bị điều khiển lập trình đầu tién (programmable controller) da duigc o ra đời năm 1968 (Công ty General Moio - Mỹ). Tuy nhiên, hệ thống này còn khá đơn giần và cong kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó khăn trong việc vận hành hệ thống.

Vì vậy các nhà thiết kế từng bước cải tiến hệ thống đơn giẩn, gọu nhẹ, dễ vận hành, nhưng việc lập trình cho hệ thống còn khó khân, do lúc này không có các thiết bị lập trình ngoại vì hổ trợ cho công việc lập trình Dẻ đơn giẩn hóa việc lập trình, hệ thống điều khiển lập trình cầm tay (prograumable cơntroller handle) đầu tiên được ra đời vào năm 1969, Điều này đổ tạo ra một sự phát triển thật sự cho kỹ thuật điều khiển lập trình, Trong giai đoạn này các hệ thống điều khiển lập trình (PLC) chỉ đơn giản nhằm thay thế hệ thống Rclay và dây nối trong hệ thống diều khiển cổ diển. Qua quá trình vận hành, các nhà thiết kế đã từng bước tạo ra được một tiêu chuẩn mới cho hệ thống, tiêu chuẩu đó là: Dạng lập trình dùng giản đồ hình thang (The diagroom format), Irong những năm đầu thập niên 12/0, những hệ thống PLC còn có thêm khả năng vận hành với những thuật toán hổ trợ (aritbmetic). “vận hành với các dữ liệu cập nhật” (data manipulation), Do sự phát triển của loại mãn hình dùng cho máy tính (Cathode Ray Tube: CRT), nên việc giao tiếp giữa người điều khiển để ập trình cho hệ thốn ¡ trổ nên thuận t Sự phát triển của hệ thống phần cứng và phần mềm từ nãm 1975 cho đến nay đã làm cho hệ thống PLC phát triển mạnh mẽ hơn với các chức năng mổ rộng: hệ thống ngõ vàoíra có thể tầng lêu dến 8.000 cổng vào/ra, dung lượng bộ nhé chương trình tăng lên hơn 128.000 từ bộ nhớ (word of memory), Ngoài ra các nhà thiết kế còn tạo ra kỹ thuật kết nối với các hệ thống PLLC riêng lẻ thành một hệ thống PLC chung, tăng khả năng cổa từng hệ thống riêng lễ. Tốc độ xử lý cửa hệ thống được cải thiện, chu kỳ quét (scan) nhanh hơn làm cho hệ thống PLC xử lý tốt với những chức năng phức tạp số lượng cổng ra#vào lớn.

Trong tương lai hệ thống PLC không chỉ giao tiếp với các hệ thống khác thông qua CIM (Compuier Intergrated Manufacturing) để điều khiển các hệ thống: Robot, Cad/Cam. ngoài ra ác nhà thiết kế cồn đang xây dựng các loại ĐPLC với các chức năng điều khiển “thông minh” (intelligence) còn gợi là các Học viên: Nguyễn Chung 7 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật siêu PI,C (super PL .CS) cho lưỡng lai 1.2 Câu trúc và hoạt động cia PLC 1.1 Cấu trúc Một hệ thống điều khiển lập trình cơ bản phải gồm có hai phần: khối xử ly trung tim (CPU: Central Processing Unit) vA hé théng giao tiếp vào/ra (1/0), 0 | Central tị” I oO r Progessing P ‘hat T : Chit Ỹ pt ‹ 3 &— Hình 1. Sơ để khối của hệ thống điểu khiển lập trình Khối điều khiển trung tâm (CPU) gồm ba phần: bộ xử lý, hệ thống bộ nhớ và hệ thống nguồn cung cấp, llình 1,2 mô tổ ba phần cẩu thành một PLC, |———x Proceaao k Memory Power Supply Hình 1. Sư để khối tổng quát của CPU 1,2,2 1loạt động của một PLC Về cơ bắn hoạt động của một PLC cũng khá dơn giẩn.

Đầu tiên, hệ thống các cổng vào/#a (TnpuOutput) (còn gọi là các Module xuất /nhập) đùng để đưa các tín hiệu từ cáo thiết bị ngoại vi vào CPU (như các scnsor, công tắc, tín hiệu từ động cơ. Sau khi nhận được tín hiệu ở ngõ vào thì CPU sẽ xử lý và đưa các tấn hiệu điều khiển qua Modole xuất ra các thiết bị được điều khiển, 'rong suốt quá trình hoạt động, CPU đọc hoặc quét (scan) dữ liệu hoặc trạng thái cửa thiết bị ngoại vì thông qua ngõ vào, s: đó thực hiện các chương trình trung bộ nhớ như sau: ¡nột bệ đếm chương trình sẽ nhật lênh từ bộ nhớ chương trình đưa ra thanh ghỉ lệnh để thi hành, Chương trình ở đạng STL Học viên: Nguyễn Chung 8 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 4.3 Điều khiển bằng PLC 55 4.4 Sơ đồ mạch điều khiển.5 Điều khiển bằng điện - - - $7 4.6 Điều khiển bằng PLC.6 Chu kỳ liên tục tuần tự vào ra (aun: Dy với nút € ding i khẩn cấp và thực hiệu theo bước .1 5g đồ mạch điều khiển - .2 Diều khiển bằng điện - - s0 4.3 Diều khiển bằng PLC 26H 7 Chu trình liên Iụe với hành tình tuẫn tự vào ra (A¥/A-BHAS/A-B-) điều khiển đông thời hai xy lanh. 63 47,159 đồ mạch điều khiển.2 Diều khiển bằng điện - - 63 4.3 Diều khiển bằng PLC 64 48 Chủ tình liền tye Luân tự vào ra (A+/B+/B-! A.) vii bin hiệu lự giữ 2 66 4.1 Sơ đã mạch diều khiển - .6 khiển bằng điện.6T 4,8,3 Điều khiển bằng PLC.9 Chu ky lién tue tuan tự vào ra của chuối A=/B3/C+/Ð+/ 70 4.1 Sở đồ mạch điều khiển 70 4.2 Điều khiển bằng điện - wu TB 4.3 Điều khiển bằng PI.10 Chu trình liên tue tun te vào ra (A+/A-/B~, ⁄B-JC+/D+/D.10,1 Sở đồ mạch điều khiển 16 4.2 Điều khiển bằng điện 77 4.3 Điều khiển bằng PI.11 Chu kỳ tự đông đơn trẳn tư vào ra của chuỗi A /A-+⁄IiI/T-/CL/1/D- __Ñl ALLL So dd mạch diều khi .112 Điều khiển bằng diện.3 Điều khiển bằng PLC - "- TÀI LIỆU THAM KIIU. Học viên: Nguyễn Chung 3 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật CHƯƠNG1 TÌM HIỀU VÈ PLC VÀ CÁC ỨNG DỤNG TRONG ĐIÊU KHIỂN 1.1 Lịch sử phát triển Thiết bị điều khiển lập trình đầu tién (programmable controller) da duigc o ra đời năm 1968 (Công ty General Moio - Mỹ).

Tuy nhiên, hệ thống này còn khá đơn giần và cong kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó khăn trong việc vận hành hệ thống. Vì vậy các nhà thiết kế từng bước cải tiến hệ thống đơn giẩn, gọu nhẹ, dễ vận hành, nhưng việc lập trình cho hệ thống còn khó khân, do lúc này không có các thiết bị lập trình ngoại vì hổ trợ cho công việc lập trình Dẻ đơn giẩn hóa việc lập trình, hệ thống điều khiển lập trình cầm tay (prograumable cơntroller handle) đầu tiên được ra đời vào năm 1969, Điều này đổ tạo ra một sự phát triển thật sự cho kỹ thuật điều khiển lập trình, Trong giai đoạn này các hệ thống điều khiển lập trình (PLC) chỉ đơn giản nhằm thay thế hệ thống Rclay và dây nối trong hệ thống diều khiển cổ diển. Qua quá trình vận hành, các nhà thiết kế đã từng bước tạo ra được một tiêu chuẩn mới cho hệ thống, tiêu chuẩu đó là: Dạng lập trình dùng giản đồ hình thang (The diagroom format), Irong những năm đầu thập niên 12/0, những hệ thống PLC còn có thêm khả năng vận hành với những thuật toán hổ trợ (aritbmetic). “vận hành với các dữ liệu cập nhật” (data manipulation), Do sự phát triển của loại mãn hình dùng cho máy tính (Cathode Ray Tube: CRT), nên việc giao tiếp giữa người điều khiển để ập trình cho hệ thốn ¡ trổ nên thuận t Sự phát triển của hệ thống phần cứng và phần mềm từ nãm 1975 cho đến nay đã làm cho hệ thống PLC phát triển mạnh mẽ hơn với các chức năng mổ rộng: hệ thống ngõ vàoíra có thể tầng lêu dến 8.000 cổng vào/ra, dung lượng bộ nhé chương trình tăng lên hơn 128.000 từ bộ nhớ (word of memory), Ngoài ra các nhà thiết kế còn tạo ra kỹ thuật kết nối với các hệ thống PLLC riêng lẻ thành một hệ thống PLC chung, tăng khả năng cổa từng hệ thống riêng lễ.

Tốc độ xử lý cửa hệ thống được cải thiện, chu kỳ quét (scan) nhanh hơn làm cho hệ thống PLC xử lý tốt với những chức năng phức tạp số lượng cổng ra#vào lớn. Trong tương lai hệ thống PLC không chỉ giao tiếp với các hệ thống khác thông qua CIM (Compuier Intergrated Manufacturing) để điều khiển các hệ thống: Robot, Cad/Cam. ngoài ra ác nhà thiết kế cồn đang xây dựng các loại ĐPLC với các chức năng điều khiển “thông minh” (intelligence) còn gợi là các Học viên: Nguyễn Chung 7 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 3,1,3 Diều khiển theo thời gian 3,1,4 Điều khiển phối hop.