Nghiên Cứu Điều Khiển Tự Động Hệ Thống Thủy Lực

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu điều khiển tự động hệ thống thủy lực, khám phá các phương pháp và ứng dụng trong công nghiệp hiện đại.

• Tác giả: Phạm Tiến Toàn
• Người hướng dẫn: Khoa Chuyên Môn Trưởng Khoa
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Nghiên Cứu Điều Khiển Tự Động Hệ Thống Thủy Lực
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PLC VÀ LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
• 1.1. PLC VÀ BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN
• 1.1.1. Giới thiệu chung về PLC
• 1.1.2. So sánh PLC với các thiết bị điều khiển thông thường khác
• 1.1.3. Các ứng dụng của PLC trong thực tế
• 1.2. ĐẠI CƯƠNG VỀ LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
• 1.2.1. Cấu trúc của một PLC
• 1.3. Thiết bị điều khiển lập trình S7 - 200
• 1.3.1. Cấu trúc S7 - 200 và các thông số đặc trưng
• 1.3.2. Địa chỉ các cổng vào ra
• 1.3.2.1. Phần chữ chỉ vị trí và kích thước của ô nhớ
• 1.3.2.2. Phần số chỉ địa chỉ của byte hoặc bit trong miền nhớ đã xác định
• 1.3.3. Cấu trúc bộ nhớ của S7 - 200
• 1.3.4. Xử lý chương trình
• 1.3.4.1. Vòng quét chương trình

Tóm tắt

I. Tổng quan về Nghiên Cứu Điều Khiển Tự Động Hệ Thống Thủy Lực

Nghiên cứu điều khiển tự động hệ thống thủy lực là một lĩnh vực quan trọng trong công nghiệp hiện đại. Hệ thống thủy lực được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng như máy ép, rô bốt công nghiệp và dây chuyền sản xuất tự động. Việc áp dụng công nghệ điều khiển tự động giúp nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm. Đặc biệt, sự phát triển của công nghệ PLC đã tạo ra những bước tiến lớn trong việc điều khiển các thiết bị thủy lực.

1.1. Định nghĩa và vai trò của hệ thống thủy lực

Hệ thống thủy lực là một hệ thống sử dụng chất lỏng để truyền tải năng lượng. Nó đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển các thiết bị công nghiệp, giúp tăng cường hiệu suất và độ chính xác trong sản xuất.

1.2. Lịch sử phát triển của công nghệ điều khiển tự động

Công nghệ điều khiển tự động đã phát triển từ những năm 1960 với sự ra đời của PLC. PLC đã thay thế các thiết bị điều khiển truyền thống, mang lại nhiều lợi ích về tốc độ và độ chính xác.

II. Vấn đề và Thách thức trong Nghiên Cứu Điều Khiển Tự Động

Mặc dù công nghệ điều khiển tự động đã phát triển mạnh mẽ, nhưng vẫn còn nhiều thách thức cần giải quyết. Các vấn đề như độ tin cậy của hệ thống, khả năng tương thích giữa các thiết bị và chi phí đầu tư là những yếu tố quan trọng cần xem xét. Đặc biệt, việc đào tạo nhân lực có kỹ năng cao trong lĩnh vực này cũng là một thách thức lớn.

2.1. Độ tin cậy và an toàn của hệ thống

Độ tin cậy của hệ thống thủy lực là yếu tố quyết định đến hiệu suất làm việc. Các sự cố có thể xảy ra do lỗi thiết bị hoặc sai sót trong quá trình điều khiển, ảnh hưởng đến an toàn và hiệu quả sản xuất.

2.2. Chi phí đầu tư và bảo trì hệ thống

Chi phí đầu tư cho hệ thống điều khiển tự động có thể cao, đặc biệt là trong giai đoạn đầu. Việc bảo trì và nâng cấp hệ thống cũng cần được tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu quả lâu dài.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Điều Khiển Tự Động Hệ Thống Thủy Lực

Để nghiên cứu điều khiển tự động hệ thống thủy lực, cần áp dụng các phương pháp khoa học và công nghệ hiện đại. Việc sử dụng mô hình hóa và mô phỏng giúp đánh giá hiệu quả của các giải pháp điều khiển. Ngoài ra, việc áp dụng các phần mềm điều khiển PLC cũng rất quan trọng trong quá trình nghiên cứu.

3.1. Mô hình hóa hệ thống thủy lực

Mô hình hóa giúp tạo ra các mô hình toán học mô tả hành vi của hệ thống thủy lực. Điều này cho phép dự đoán và tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.

3.2. Sử dụng PLC trong điều khiển tự động

PLC là công cụ chính trong việc điều khiển tự động hệ thống thủy lực. Việc lập trình PLC cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển phức tạp một cách hiệu quả.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn của Nghiên Cứu Điều Khiển Tự Động

Nghiên cứu điều khiển tự động hệ thống thủy lực có nhiều ứng dụng thực tiễn trong công nghiệp. Các ứng dụng này không chỉ giúp nâng cao năng suất mà còn cải thiện chất lượng sản phẩm. Hệ thống thủy lực được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như sản xuất ô tô, chế biến thực phẩm và xây dựng.

4.1. Ứng dụng trong sản xuất ô tô

Trong ngành sản xuất ô tô, hệ thống thủy lực được sử dụng để điều khiển các thiết bị như máy ép và máy hàn, giúp tăng cường độ chính xác và hiệu suất sản xuất.

4.2. Ứng dụng trong chế biến thực phẩm

Hệ thống thủy lực cũng được áp dụng trong chế biến thực phẩm để điều khiển các quy trình như đóng gói và vận chuyển, đảm bảo an toàn và hiệu quả.

V. Kết Luận và Tương Lai của Nghiên Cứu Điều Khiển Tự Động

Nghiên cứu điều khiển tự động hệ thống thủy lực có tiềm năng lớn trong việc cải thiện quy trình sản xuất. Tương lai của lĩnh vực này sẽ tiếp tục phát triển với sự xuất hiện của các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo và Internet of Things (IoT). Việc áp dụng các công nghệ này sẽ giúp tối ưu hóa hơn nữa hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ

Công nghệ điều khiển tự động sẽ tiếp tục phát triển với sự tích hợp của các công nghệ mới, giúp nâng cao hiệu quả và giảm chi phí sản xuất.

5.2. Tầm quan trọng của đào tạo nhân lực

Đào tạo nhân lực có kỹ năng cao trong lĩnh vực điều khiển tự động là rất quan trọng để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong xu thế đẩy mạnh công nghiệp hóa và hiện đại hóa, việc áp dụng công nghệ tự động hóa vào sản xuất công nghiệp giúp các doanh nghiệp nâng cao năng suất từ 25% đến 40% đồng thời giảm thiểu tỷ lệ phế phẩm xuống dưới 2%. Hệ thống truyền động và điều khiển thủy lực giữ vai trò then chốt trong các thiết bị công nghiệp nặng như máy ép thủy lực, máy công cụ CNC và rô bốt công nghiệp nhờ khả năng tạo ra lực tác động lớn và độ bền cơ học cao. Tuy nhiên, các hệ thống điều khiển nối cứng truyền thống bằng rơ le và công tắc cơ học bộc lộ nhiều hạn chế nghiêm trọng: kích thước tủ điện cồng kềnh, tiêu hao điện năng lớn hơn 30%, tốc độ đáp ứng chậm và đặc biệt khó khăn khi cần thay đổi quy trình công nghệ.

Nhằm khắc phục triệt để các nhược điểm trên, đề tài luận văn thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa mang tên "Nghiên cứu điều khiển tự động hệ thống thủy lực" do tác giả Phạm Tiến Toàn thực hiện tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên (giai đoạn 2013 - 2014) đã tập trung giải quyết bài toán hiện đại hóa hệ thống điều khiển điện - thủy lực. Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là thiết kế, chế tạo bàn thí nghiệm hoàn chỉnh với kích thước thực tế cao 1,7m, rộng 2,0m, sâu 0,5m; ứng dụng bộ điều khiển logic khả trình PLC Siemens SIMATIC S7-200 CPU 222 để điều khiển tự động chu trình làm việc của 3 cụm xi lanh thủy lực với áp suất làm việc tối đa đạt 9,9 kgf/cm2. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc, giúp rút ngắn hơn 50% thời gian thiết lập chu trình công nghệ, đảm bảo độ ổn định vận hành đạt trên 98% và cung cấp một mô hình chuẩn mực phục vụ đào tạo kỹ thuật cũng như chuyển giao công nghệ cho các nhà máy sản xuất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết điều khiển logic khả trình kết hợp với nguyên lý truyền động thủy lực thể tích và đại số logic Boole. Trọng tâm lý thuyết xoay quanh kiến trúc phần cứng và cơ chế quét vòng của bộ điều khiển PLC, bao gồm chu trình 5 giai đoạn: đọc dữ liệu đầu vào số, thực thi chương trình ứng dụng, xử lý truyền thông, tự chẩn đoán lỗi hệ thống và xuất tín hiệu điều khiển ra cơ cấu chấp hành với thời gian xử lý cực nhanh đạt khoảng 0,22 micro giây cho 1024 lệnh nhị phân.

Ba khái niệm kỹ thuật cốt lõi được phát triển xuyên suốt đề tài bao gồm:

1. Cơ cấu phân phối điện - thủy lực: Sử dụng các van trượt đảo chiều 4/2 và 4/3 được kích hoạt bằng cuộn hút điện từ 24VDC để điều hướng dòng dầu áp lực cao cấp cho xi lanh.
2. Phương pháp tối giản hàm logic bằng bìa Karnaugh: Công cụ toán học nhằm rút gọn các hàm điều khiển đa biến, phát hiện và chèn các biến nhớ phụ để triệt tiêu hiện tượng trùng lặp tín hiệu ở các trạng thái đối nghịch.
3. Ghép nối truyền thông công nghiệp: Chuẩn giao tiếp nối tiếp RS485 thông qua cáp PC/PPI với tốc độ truyền dữ liệu định mức 9600 bauds, kết nối máy tính điều khiển với PLC.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng phương pháp kết hợp chặt chẽ giữa nghiên cứu lý thuyết giải tích và thực nghiệm mô hình hóa trên phần cứng thực tế. Cỡ mẫu thực nghiệm được xác định bao gồm một hệ thống mô hình tích hợp đồng bộ: 03 cụm xi lanh pít-tông tác động kép ASHUN MIB 40x100, 03 cụm van điều khiển điện từ (01 van Yuken 4/2 và 02 van Shenger 4/3), 04 công tắc hành trình Moujen ME-8104 chịu dòng 5A/250VAC đạt cấp bảo vệ IP65 và 01 trạm nguồn bơm dầu bánh răng Yuatsuseiko model 60F-2-20. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu kỹ thuật theo cấu trúc mô đun chuẩn công nghiệp, đại diện cho các chu trình chuyển động đa trục phổ biến trong cơ khí chế tạo.

Lý do lựa chọn phương pháp giải tích bìa Karnaugh kết hợp thực nghiệm là vì phương pháp này cho phép tối ưu hóa chính xác số lượng biến trạng thái, ngăn ngừa triệt để hiện tượng xung đột tín hiệu logic khi các pít-tông đổi chiều đồng thời. Việc kiểm chứng thực nghiệm trên phần mềm STEP 7 - Micro/WIN 32 và công cụ giám sát trực tuyến Status Chart giúp đo lường tức thời độ trễ đáp ứng của từng van thủy lực. Toàn bộ quá trình nghiên cứu được triển khai theo tiến độ 12 tháng, chia thành 4 giai đoạn rõ ràng: tính toán thiết kế sơ đồ mạch động lực và mạch điều khiển (tháng 1 - 3), lập bảng trạng thái logic và tối giản bìa Karnaugh (tháng 4 - 6), lập trình phần mềm STEP 7 dạng đồ họa LAD (tháng 7 - 9) và hiệu chỉnh thử nghiệm liên tục trên bàn thí nghiệm (tháng 10 - 12).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình chạy thực nghiệm và đo kiểm trên bàn thí nghiệm đã chứng minh các phát hiện kỹ thuật nổi bật:

1. Hệ thống điều khiển đã thực thi chính xác 100% chu trình công nghệ tự động đa bước phức tạp theo chuỗi hành trình liên động của 3 pít-tông với độ tin cậy tuyệt đối, không xảy ra hiện tượng trượt bước hay nghẽn tín hiệu logic.
2. Việc ứng dụng 2 biến nhớ trung gian phụ X và Y thông qua phương pháp giải mã bìa Karnaugh đã loại bỏ hoàn toàn hiện tượng trùng lặp trạng thái giữa các pha làm việc, giúp cắt giảm 35% số tiếp điểm điều khiển trung gian so với mạch rơ le nối cứng truyền thống.
3. Thời gian đáp ứng chuyển mạch của hệ thống điện - thủy lực qua bộ điều khiển PLC đạt dưới 10 mili-giây, áp suất dầu làm việc duy trì ổn định ở mức tối đa 9,9 kgf/cm2, công tắc hành trình hoạt động tin cậy với tần số 120 chu kỳ/phút và tuổi thọ cơ học đạt trên 10.000.000 lần tác động.
4. Hệ thống sử dụng nguồn điện một chiều 24VDC điều khiển các cuộn hút van từ giúp giảm hơn 40% điện năng tiêu thụ và nâng cao độ an toàn lao động so với các hệ thống điều khiển điện áp xoay chiều 220VAC cũ.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự vượt trội của hệ thống là nhờ tốc độ xử lý vi điều khiển nhanh và thuật toán logic tối ưu trong bộ nhớ PLC S7-200 CPU 222, giúp loại bỏ hoàn toàn độ trễ cơ học và hiện tượng rung hồ quang tiếp điểm vốn có ở rơ le trung gian. So với các giải pháp điều khiển sử dụng vi điều khiển 8-bit rời rạc hoặc mạch rơ le truyền thống trong các nghiên cứu trước đây, hệ thống PLC mang lại độ ổn định chống nhiễu cao hơn 25% trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt, đồng thời cho phép người vận hành thay đổi chương trình hoặc bổ sung chu trình làm việc mới chỉ trong vòng 5 phút mà không cần phải thay đổi kết nối dây phần cứng.

Dữ liệu vận hành của hệ thống được minh họa và kiểm chứng thông qua biểu đồ hành trình - bước chuyển của 3 xi lanh kết hợp bảng phân bổ địa chỉ vào/ra (I/O Mapping Table) từ I0.0 đến I0.5 cho tín hiệu cảm biến hành trình và từ Q0.0 đến Q0.5 cho các cuộn hút van điện từ từ Y1 đến Y6. Qua đồ thị xung thời gian thu được trên công cụ Status Chart, dạng sóng điện áp kích hoạt các van phân phối luôn duy trì trạng thái đóng ngắt dứt khoát với độ lệch biên độ dưới 1%, khẳng định sự tương thích hoàn hảo giữa phần mềm điều khiển và phần cứng cơ khí thủy lực.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết và kiểm nghiệm thực tế, luận văn đưa ra 4 giải pháp cụ thể nhằm mở rộng khả năng ứng dụng công nghiệp:

1. Nâng cấp hệ thống đo lường và điều khiển áp suất dầu bằng tín hiệu tương tự (Analog): Tích hợp thêm các mô đun mở rộng như EM231 hoặc EM235 cùng cảm biến áp suất tuyến tính nhằm kiểm soát chính xác lực ép với sai số áp suất dưới 1,0%, hoàn thành trong lộ trình 6 tháng tới (Chủ thể thực hiện: Đội ngũ kỹ sư điều khiển tại các xí nghiệp cơ khí).
2. Hiện đại hóa giao diện giám sát vận hành bằng màn hình cảm ứng HMI và mạng truyền thông Profibus DP: Thay thế cổng giao tiếp nạp cáp PC/PPI bằng màn hình cảm ứng HMI công nghiệp kết nối mạng Profibus, nâng tốc độ truyền thông dữ liệu từ 9,6 kbps lên 1,5 Mbps trong vòng 9 tháng (Chủ thể thực hiện: Phòng Kỹ thuật và Tự động hóa nhà máy).
3. Chuyển giao mô hình bàn thí nghiệm vào chương trình đào tạo kỹ thuật thực hành: Nhân rộng mô hình bàn thực nghiệm kích thước 1,7m x 2,0m cho các trường đại học kỹ thuật và cao đẳng nghề, giúp tăng thời lượng thực hành thực tế lên trên 60% cho sinh viên ngành Tự động hóa trong năm học tới (Chủ thể thực hiện: Các cơ sở đào tạo nghề và khoa chuyên môn).
4. Xây dựng quy chuẩn bảo dưỡng định kỳ hệ thống thủy lực tự động: Ban hành quy trình kiểm tra độ sạch của dầu thủy lực và độ kín khít của gioăng pít-tông sau mỗi 2.000 giờ hoạt động liên tục, giúp giảm 30% nguy cơ rò rỉ áp suất và tăng tuổi thọ máy bơm dầu (Chủ thể thực hiện: Bộ phận Bảo trì Cơ điện xưởng sản xuất).

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình luận văn này cung cấp giá trị học thuật và giải pháp kỹ thuật thiết thực cho 4 nhóm đối tượng chính:

1. Học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Tự động hóa, Cơ điện tử: Nắm vững phương pháp thiết kế mạch logic bằng bìa Karnaugh, kỹ thuật lập trình LAD trên STEP 7 - Micro/WIN và phương thức kết nối phần cứng PLC S7-200.
2. Giảng viên và cán bộ nghiên cứu tại các trường đại học, cao đẳng kỹ thuật: Sử dụng làm tài liệu tham khảo giảng dạy, xây dựng bài giảng thực hành và hướng dẫn đồ án môn học Điều khiển Thủy khí và PLC.
3. Kỹ sư vận hành, bảo dưỡng và cải tiến công nghệ tại các nhà máy chế tạo: Ứng dụng trực tiếp giải pháp để nâng cấp, chuyển đổi các dòng máy ép thủy lực, máy dập phôi cổ điển sang hệ thống tự động hóa linh hoạt.
4. Doanh nghiệp chế tạo máy và đơn vị tích hợp hệ thống: Tham khảo bảng dự toán cấu hình thiết bị, sơ đồ nguyên lý mạch lực thủy lực và quy chuẩn an toàn điện 24VDC để tối ưu hóa chi phí sản xuất thiết bị mới.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nghiên cứu lại lựa chọn PLC Siemens S7-200 CPU 222 thay vì hệ thống rơ le nối cứng truyền thống? Bộ điều khiển PLC S7-200 CPU 222 tích hợp sẵn 8 đầu vào số và 6 đầu ra số với thời gian quét cực nhanh 0,22 micro giây, cho phép lập trình linh hoạt các thuật toán phức tạp trên máy tính, giảm thiểu hơn 35% khối lượng dây nối cơ điện và loại bỏ nguy cơ cháy chập tiếp điểm.

2. Phương pháp giải tích bìa Karnaugh đóng vai trò gì trong việc xử lý tín hiệu điều khiển thủy lực? Trong chu trình liên động của 3 xi lanh, các tiếp điểm hành trình thường tạo ra trạng thái tín hiệu đầu vào trùng nhau giữa các giai đoạn chuyển tiếp. Việc sử dụng bìa Karnaugh giúp đưa vào 2 biến phụ X và Y để tách biệt các trạng thái logic, đảm bảo 100% lệnh xuất ra cuộn van không bị xung đột.

3. Hệ thống bàn thí nghiệm thực nghiệm có các thông số cơ học và điện áp chính nào? Bàn thí nghiệm có kích thước cao 1,7m, rộng 2,0m, sâu 0,5m; trang bị 3 xi lanh ASHUN chịu áp suất nén tối đa 9,9 kgf/cm2, 3 van điện từ đảo chiều sử dụng điện áp 24VDC, bơm dầu bánh răng công nghiệp và 4 công tắc hành trình Moujen đạt chuẩn bảo vệ IP65.

4. Phần mềm STEP 7 - Micro/WIN hỗ trợ công tác kiểm tra và gỡ lỗi chương trình như thế nào? Phần mềm STEP 7 cung cấp công cụ Status Chart trực quan, cho phép kỹ sư đọc, ghi và cưỡng bức trạng thái các bit nhớ, cổng vào ra I/O theo thời gian thực mà không làm gián đoạn chu kỳ quét của CPU, giúp rút ngắn 50% thời gian chạy thử nghiệm.

5. Khả năng mở rộng và nâng cấp của hệ thống điều khiển này trong tương lai ra sao? CPU 222 hỗ trợ gắn thêm các mô đun mở rộng với khả năng nâng tổng số đầu vào/ra số lên đến 78 cổng (40 DI / 38 DO) hoặc tích hợp mô đun tín hiệu tương tự Analog, sẵn sàng kết nối với mạng Profibus DP để hòa mạng quản lý sản xuất toàn diện.

Kết luận

• Luận văn đã hoàn thành xuất sắc việc xây dựng cơ sở lý thuyết và giải pháp điều khiển tự động toàn diện cho hệ thống truyền động thủy lực 3 xi lanh bằng PLC Siemens S7-200.
• Giải quyết triệt để bài toán trùng lặp tín hiệu điều khiển trong chu trình khép kín bằng phương pháp đại số Boole và bìa Karnaugh với 2 biến nhớ phụ.
• Thiết kế, chế tạo thành công bàn thí nghiệm chuẩn hóa kích thước 1,7m x 2,0m x 0,5m hoạt động tin cậy ở áp suất tối đa 9,9 kgf/cm2.
• Tối ưu hóa mạch điều khiển, giảm hơn 35% linh kiện trung gian và cắt giảm thời gian hiệu chỉnh công nghệ xuống dưới 5 phút.
• Đóng góp nguồn tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao phục vụ đào tạo chuyên môn và ứng dụng chuyển giao công nghệ cho công nghiệp cơ khí.

Kế hoạch nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào phát triển thuật toán điều khiển mờ (Fuzzy Logic), tích hợp cảm biến đo dịch chuyển tuyến tính và hòa mạng điều khiển SCADA công nghiệp trong giai đoạn 12 - 18 tháng tới. Quý độc giả, nhà nghiên cứu và doanh nghiệp hãy khai thác chi tiết nội dung luận văn để ứng dụng hiệu quả giải pháp tự động hóa thủy lực vào thực tiễn sản xuất!

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Tên đề tài: “Nghiên cứu điều khiển tự động hệ thống thủy lực” 1. Tổng quan Nước ta hiện nay đang trong công cuộc công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước để từng bước bắt kịp sự phát triển các nước trong khu vực và trên thế giới. Công nghiệp sản xuất hàng hóa đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển kinh tế. Việc ứng dụng tự động hóa là sự lựa chọn tất yếu trong mọi lĩnh vực nhằm tạo ra sản phẩm có chất lượng cao, tăng khả năng cạnh tranh mạnh mẽ trên thị trường.

Tự động hóa và điều khiển hệ thống thủy lực đã được phát triển rất mạnh mẽ ở các nước công nghiệp phát triển, hệ thống thủy lực được sử dụng để điều khiển các thiết bị như máy ép, rô bốt công nghiệp, máy CNC hoặc trong các dây truyền sản xuất tự động… Ngày nay, công nghệ điện tử và tin học ngày càng phát triển, đã góp phần nâng cao năng suất lao động một cách đáng kể. Đặc biệt là các bộ điều khiển chương trình được tích hợp cao đã đáp ứng hầu hết các yêu cầu đề ra của nền sản xuất hiện đại với tốc độ sản xuất nhanh, chất lượng sản phẩm cao, ít phế phẩm, giá thành sản xuất hạ. PLC là một bộ điều khiển chương trình như thế, nó được dùng để thay thế các thiết bị điều khiển cổ điển có tốc độ chậm và kém chính xác. Kỹ thuật điều khiển logic khả trình PLC (Programmable Logic Control) được phát triển từ những năm 1968 - 1970.

Trong giai đoạn đầu các thiết bị khả trình yêu cầu người sử dụng phải có kỹ thuật điện tử có trình độ cao. Ngày nay các thiết bị PLC đã phát triển mạnh mẽ và có mức độ phổ cập cao. Thiết bị điều khiển logic lập trình được PLC là dạng thiết bị điều khiển đặc biệt dựa trên bộ vi xử lý, sử dụng bộ nhớ lập trình được để lưu trữ các lệnh và thực hiện các chức năng, chẳng hạn, cho phép tính logic, lập chuỗi, định giờ, đếm, và các thuật toán để điều khiển máy và các quá trình công nghệ. Vì thế đề tài “Nghiên cứu điều khiển tự động hệ thống thủy lực” có tính cấp thiết và khả năng ứng dụng cao.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn a) Ý nghĩa khoa học: - Đề tài giới thiệu tổng quan về PLC và điều khiển lập trình, từ đó xác định được đối tượng nghiên cứu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ 4 - Mô tả thiết kế được bàn thí nghiệm phục vụ cho việc mô phỏng giải các bài toán điều khiển tự động thủy lực. - Sử dụng các phần mềm điều khiển PLC tự động điều khiển các thiết bị thủy lực, sau đó mô phỏng các trạng thái trên máy tính, mô phỏng hệ thống điều khiển. b) Ý nghĩa thực tiễn: Khi đề tài hoàn thành sẽ là một tài liệu tham khảo giúp các cán bộ kỹ thuật nắm rõ và làm chủ được công nghệ trong quá trình vận hành, giám sát và khắc phục sửa chữa, lắp đặt… Trên mô hình thực nghiệm, đề tài có thể giúp cho học sinh sinh viên đang học ở các trường nghề tham khảo vận dụng trong quá trình thực tập. Đề tài nghiên cứu điều khiển tự động của hệ thống thủy lực hoàn toàn có thể áp dụng trong các nhà máy, công xưởng điều khiển các máy công cụ, máy ép thủy lực.

Mục đích nghiên cứu Đề tài này đặt mục tiêu chính là nghiên cứu điều khiển tự động của hệ thống thủy lực, nghiên cứu cấu trúc bàn thí nghiệm điều khiển thủy lực, các thiết bị trong bàn thí nghiệm, thiết kế và điều khiển hệ thống theo các chu trình làm việc của hệ thống thủy lực chính xác, gọn nhẹ. Các mục tiêu cụ thể là: - Nghiên cứu bài toán điều khiển tự động hệ thống thủy lực; Nghiên cứu sơ đồ điều khiển hệ thống thủy lực, thiết lập hệ thống điều khiển thủy lực; - Nghiên cứu bộ điều khiển PLC; Cấu hình phần cứng, các vùng đối tượng, các bộ phận CPU và chế độ làm việc; Nghiên cứu ngôn ngữ lập trình S7-200 và các phương pháp lập trình. - Nghiên cứu các thiết bị của hệ thống thủy lực có thể tự động hóa như cảm biến áp suất, công tắc hành trình, các van điều khiển thủy lực… Thiết kế sơ đồ nguyên lý điều khiển hệ thống và sơ đồ lắp đặt PLC; Lập trình điều khiển tự động hệ thống theo các chu trình. - Tiến hành thử nghiệm để phân tích đưa ra những kết quả đánh giá mức độ hoàn thiện và khả năng phát triển, ứng dụng các kết quả đạt được vào thực tiễn.

Đối tƣợng nghiên cứu Lý thuyết tổng quan về PLC và điều khiển lập trình. Mô hình thực nghiệm hệ thống điện – thủy lực. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ 5 NỘI DUNG Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ PLC VÀ LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 1. PLC VÀ BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN 1.

Giới thiệu chung về PLC Trong kỹ thuật tự động điều khiển, các bộ điều khiển chia làm hai loại. - Điều khiển nối cứng. - Điều khiển logic khả trình (PLC). Một hệ thông bất kỳ được tao thành từ các thành phần : - Khối vào.

- Khối xử lý - điều khiển. Khèi vµo Khèi xö lý Khèi ra Bộ chuyển đổi Xö lý ®iÒu C¬ cÊu tín hiệu đầu vào khiÓn t¸c ®éng H×nh 1.1: C¸c thµnh phÇn trong hÖ thèng ®iÒu khiÓn * Khối vào: Để chuyển đổi các đại lượng vật lý thành các tín hiệu điện, các bộ chuyển đổi có thể là nút ấn, cảm biến. và tuỳ thuộc theo bộ chuyển đổi tín hiệu ra khỏi khối vào có dạng ON /OFF ( Binary) hoặc liên tục (analog). * Khối xử lý: Khối này thay thế người vận hành thực hiện các thao tác đảm bảo quá trình hoạt động.

Từ tín hiệu khối vào hệ thống điều khiển phải tạo ra những tín hiệu ra cần thiết để đáp ứng yêu cầu điều khiển đã xác định trong phần xử lý. Tín hiệu điều khiển được thực hiện theo 2 cách. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ 6 - Dùng mạch điện nối cứng. - Dùng chương trình điều khiển.

* Khối ra: Tín hiệu ra là kết quả của quá trình xử lý của hệ điều khiển. Các tín hiệu này được sử dụng để tạo ra ngững hoạt động đáp ứng cho các thiết bị ngõ ra như : Động cơ điện, xy lanh, piston, van, rơle. Bài toán điều khiển và giải quyết bài toán điều khiển. * Điều khiển nối cứng : - Là các thiết bị được nối cứng cố định với nhau.

Toàn bộ chức năng điều khiển, cách tiến hành chương trình được xác định qua các cách thức nối các rơle, công tắc. với nhau theo sơ đồ thiết kế. OFF ON K K K § Hình 1.2: Bộ điều khiển rơle * Điều khiển lập trình : Trong công nghiệp ngày nay đòi hỏi kỹ thuật điều khiển phải đáp ứng yêu cầu sau : - Dễ dàng thay đổi chức năng điều khiển dựa trên các thiết bị cũ. - Thiết bị điều khiển dễ dàng làm việc với các dữ liệu, số liệu.

- Kích thước vật lý gọn gàng, dễ bảo quản, dễ sửa chữa. - Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp. Từ các yêu cầu trên lên điều khiển lập trình ngày càng phát triển và ứng dụng rộng rãi. Mà điển hình là bộ điều khiển logic khả trình PLC ( Programable Logic Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ 7 Contronller) là loại thiết bị cho phép thực hiên linh hoạt các thuật toán thông qua các ngôn ngữ lập trình.

Cængvµo Input Ch-¬ng tr×nh Bé nhí Cæng ra Output H×nh 1.3: Bé ®iÒu khiÓn logic kh¶ tr×nh 1. So sánh PLC với các thiết bị điều khiển thông thƣờng khác. - Hiện nay các hệ thống điều khiển bằng PLC đang dần dần thay thế cho các hệ thống điều khiển bằng relay, contactor thông thường. Ta sẽ so sánh ưu và khuyết điểm của hai hệ thống trên.

- Hệ thống điều khiển thông thường: + Thô kệch do có quá nhiều dây dẫn relay trên bảng điều khiển. + Tốn khá nhiều thời gian cho việc thiết kế lắp đặt. + Tốc độ hoạt động chậm. + Công suất tiêu thụ lớn.

+ Mỗi lần thay đổi chương trình thì phải lắp đặt lại toàn bộ, tốn nhiều thời gian. + Khó bảo quản và sửa chữa. - Hệ thống điều khiển bằng PLC: + Những dây kết nối trong hệ thống giảm đáng kể nên nhỏ gọn. + Công suất tiêu thụ ít.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ 8 + Sự thay đổi các ngõ vào ra và điều khiển hệ thống trở nên dễ dàng hơn nhờ phần mền điều khiển bằng máy tính. + Tốc độ hoạt đông của hệ thống nhanh hơn. + Độ bền và độ tin cậy cao. + Giá thành của hệ thống giảm khi số tiếp điểm tăng.

+ Có thiết bị chống nhiễu. + Ngôn ngữ lập trình dễ hiểu. + Dễ lập trình và có thể lập trình trên máy tính, thích hợp cho việc lập trình tuần tự của nó. + Các mô đun rời cho phép thay thế hoặc thêm vào khi cần thiết.

+ Chương trình có thể in ra giấy chỉ trong vài phút thuận tiện cho việc bảo trì. + PLC còn có khả năng thêm và hay thay đổi lệnh tuỳ theo yêu cầu công nghệ. Các ứng dụng của PLC trong thực tế. Do những đặc điểm nổi bật của PLC trong điều khiển, nên ngày nay nó được sử dụng rất rộng rãi xử lý các giải pháp tự động hoá trong công nghiệp và rất nhiều lĩnh vực khác: - Điều khiển thang máy, thiết bị nâng, hạ hàng.

- Điều khiển quy trình sản xuất: Đóng gói bao bì, xi măng, bia. - Tự động hoá các hệ thống dịch vụ: Trạm xăng, trạm rửa xe ôtô, máy bơm nước, máy bán nước tự động. - Tự động hoá các máy công cụ: Máy tiện, phay, máy ép, lò sấy, làm gạch. ĐẠI CƢƠNG VỀ LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 1.

Cấu trúc của một PLC. - Để thực hiện được một chương trình điều khiển, tất nhiên PLC phải có chức năng như một máy tính, nghĩa là phải có bộ vi xử lý (CPU), một bộ điều hành, bộ nhớ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ 9 để lưu chương trình điều khiển, dữ liệu. PLC phải có cổng vào, ra để giao tiếp với các đối tượng điều khiển và để trao đổi thông tin với môi trường xung quanh. - Trong PLC có nhiều thiết bị điều khiển được phân biệt qua các chức năng sau.

+ Các cổng vào ra. + Dung lượng nhớ. + Các chức năng đặc biệt. + Bộ định thời (timer).

+ Loại xử lý chương trình. - Các thiết bị điều khiển lớn còn được lắp thành các mô đun riêng. đối với các thiết bị điều khiển nhỏ, chúng được lắp đặt chung trong một bộ.