Giáo trình Hệ thống sản xuất tự động hóa với PLCs - Phần 5: Thiết bị truyền động logic

5. THIẾT BỊ TRUYỀN ĐỘNG LOGIC

Các chủ đề:

 Các cuộn cảm, các van và các xy lanh

 Thủy lực và khí nén

 Các bộ truyền động khác

Mục tiêu:

 Nhận biết về các bộ truyền động có sẵn

5.1 GIỚI THIỆU

Các bộ truyền động điều khiển hoạt động trong các hệ cơ khí. Việc điều khiển

này hầu hết thông thường bằng cách chuyển đổi năng lượng điện vào trong một số

dạng của chuyển động cơ học.

5.2 CÁC CUỘN CẢM

Các cuộn cảm là những thành phần truyền động thông thường nhất. Ý tưởng cơ

bản của hoạt động là có một lõi sắt chuyển động (một pít tông) mà lõi này sẽ chuyển

động bên trong cuộn dây bên trong như hình 5.1. Bình thường pít tông này được giữ

bên ngoài cuộn dây ấy bởi một lò xo. Khi một điện áp được cấp tới cuộn dây và dòng

di chuyển, cuộn dây này sẽ tạo nên một từ trường mà từ trường này hút pít tông và

kéo nó về bên trong tâm của cuộn dây. Pít tông này có thể dùng để cung cấp một lực

tuyến tính. Các ứng dụng nổi tiếng của các cuộn cảm bao gồm các giá trị khí nén và

các bộ mở cửa xe hơi.

Figure 5.1 A Solenoid – Một cuộn cảm

Như đã nói trước, các thiết bị cảm ứng có thể tạo các đột biến điện áp và có thể

cần bộ giảm điện áp, mặc dầu hầu hết các ứng dụng công nghiệp có điện áp tiêu thụ

và dòng tiêu thụ đủ thấp chúng có thể được kết nối trực tiếp tới các đầu ra PLC. Hầu

hết các cuộn cảm công nghiệp sẽ được cấp nguồn ở 24Vdc và hút một vài trăm mA.

5.3 CÁC VAN

Dòng chất lỏng và chất khí có thể điều khiển bởi các van cuộn cảm được điều

khiển. Một ví dụ của một van cuộn cảm được điều khiển được chỉ ra trong hình 5.2.

Cuộn cảm này được gắn ở bên cạnh. Khi được truyền động nó sẽ điều khiển ống

trung tâm sang trái. Đỉnh của thân van có hai cổng mà các cổng này sẽ được kết nối

tới một thiết bị nào đó như là xy lanh thủy lực. Đáy của của thân van này có một

đường áp suất đơn trong trung tâm với hai ống xả ra bên cạnh. Trong đỉnh của hình

dòng điện qua trung tâm tới cổng xy lanh bên phải. Cổng xy lanh bên tay trái được

cho ra ngoài qua một cổng xả. Trong đáy hình cuộn cảm này ở một vị trí mới và áp

suất bây giờ được cấp sang cổng bên trái bên trên, và cổng bên tay phải có thể xả ra.

Các ký hiệu bên trái của hình chỉ ra sự tương ứng giản đồ của các vị trí van thực tế.

Các van cũng có khả năng cho phép các van này bị khóa khi không dùng đến.

Ghi chú của người gõ: Cuộn cảm này có hai vị trí và khi được truyền động sẽ

thay đổi hướng mà theo hướng này chất lỏng chảy tới thiết bị. Các ký hiệu được chỉ

ra ở đây là thường được sử dụng biểu thị loại này của van.

Figure 5.2 A Solenoid Controlled 5 Ported, 4 Way 2 Position Valve

Một van cuộn cảm điều khiển 5 cổng, 4 đường 2 vị trí

Các loại van được liệt kê dưới đây. Trong thuật ngữ chuẩn, ‘n-way’ (n-đường)

chỉ rõ số lượng kết nối cho các lối vào và các lối ra. Trong một số trường hợp có

nhiều cổng thừa ra cho các ống xả. Vai trò thường đóng/mở cho biết tình trạng van

này khi bị mất điện. Mọi van được liệt kê là van hai vị trí, nhưng các van ba vị trí cũng

là có sẵn.

2-đường thường đóng – có một lối vào, và một lối ra. Khi bị cúp điện, van

này sẽ đóng. Khi được cấp điện, van này sẽ mở, cho phép dòng đi qua. Chúng được

dùng cho phép dòng chảy qua.

2-đường thường mở - loại này có một lối vào, và một lối ra. Khi cúp điện, van

này sẽ mở, cho phép dòng đi qua. Khi cấp điện, van này sẽ đóng. Chúng được dùng

để dừng dòng chảy lại. Khi điện của hệ thống là tắt, thì dòng chảy sẽ được cho phép

chạy qua.

3-đường thường đóng – loại van này có một lối vào, một lối ra, và các cổng

xả. Khi cúp điện, cổng lối ra được kết nối với cổng xả. Khi cấp điện, lối vào được kết

nối với cổng lối ra. Chúng được dùng cho các xy lanh hoạt động đơn.

3-đường thường mở - loại van này có một lối vào, một lối ra và các cổng xả.

Khi cúp điện, lối vào được kết nối tới lối ra. Cấp điện cho van này kết nối lối ra với

cổng xả. Chúng được dùng cho các xy lanh hoạt động đơn.

3-đường phổ dụng – loại van này có ba cổng. Một trong số các cổng hoạt

động như một lối vào hay một lối ra, và nó được kết nối với một trong số hai lối này,

khi cấp điện/cúp điện. Chúng được dùng để chuyển dòng chảy, hay lựa chọn các

nguồn thay thế.

4-đường – Các van loại này có 4 cổng, hai lối vào và hai lối ra. Cấp điện cho

van làm cho kết nối giữa các lối vào và các lối ra bị đảo ngược. Chúng được dùng cho

các xy lanh hoạt động kép.

Một vài ký hiệu của các ký hiệu chuẩn ISO cho các van được chỉ ra trong hình

5.3. Khi dùng các ký hiệu để vẽ các kết nối được chỉ ra khi trạng thái là cúp điện. Mũi

tên chỉ các đường chảy trong các vị trí khác nhau. Các tam giác nhỏ biểu thị một cổng

xả.

Figure 5.3 ISO Valve Symbols – Các ký hiệu chuẩn quốc tế cho các van

Khi lựa chọn các van có một số chi tiết mà ta nên cân nhắc, như được liệt kê

dưới:

Cỡ ống – các lối vào và các lối ra là luồng hóa một các thông thường để chấp

nhận NPT (national pipe thread – luồng ống quốc gia)

Tốc độ dòng chảy – tốc độ dòng chảy cực đại thường được cấp cho các van

thủy lực.

Áp suất hoạt động – một áp suất hoạt động cực đại sẽ được chỉ định. Một

vài van sẽ cũng yêu cầu một áp lực tối thiểu để hoạt động.

Điện – Cuộn cảm sẽ có một điện thế (AC – xoay chiều hay DC – một chiều) cố

định và có một dòng cố định.

Thời gian đáp ứng – thời gian cho van đóng/mở một cách đầy đủ. Thời gian

điển hình cho các van là khoảng từ 5ms đến 150ms.

Điều kiện bảo vệ - Các vỏ bọc cho van sẽ được ước lượng như sau:

Loại 1 hay 2 – dùng trong nhà, yêu cầu bảo vệ khỏi nước

Loại 3 – dùng ngoài trời, sẽ chống lại bụi và điều kiện thời tiết

Loại 3R hay 3S hay 4 – nước và bụi nhỏ

Loại 4X – nước hay bụi nhỏ, chống ăn mòn

5.4 CÁC XY LANH

Một xy lanh dùng một áp lực chất lỏng hay khí để tạo ra một lực/chuyển động

tuyến tính như trong hình 5.4. Trong hình này một dòng chất lỏng được bơm vào

một bên của xy lanh dưới áp suất, làm cho phía này của xy lanh mở rộng, và tiến pít

tông. Chất lỏng ở bên kia của pít tông phải được cho thoát ra một cách tự do – nếu

dòng chất lỏng không nén được này bị mắc kẹt xy lanh này không thể tiến. Lực mà xy

lanh này có thể gây ra là tỷ lệ với tiết diện ngang của xy lanh.

Cho lực: ꢀ = ^ꢁ_ꢂF=PA

trong đó: P là áp suất của dòng chất lỏng

A là diện tích của pít tông

F là lực có sẵn từ cần pít tông

Figure 5.4 A Cross Section of a Hydraulic Cylinder

Mặt cắt ngang của một xy lanh thủy lực

Các xy lanh hoạt động đơn gây ra lực khi mở rộng và thường sử dụng một lò xo

để kéo lại xy lanh này. Các xy lanh hoạt động kép gây ra lực trong cả hai hướng.

Figure 5.5 Schematic Symbols for Cylinders

Các ký hiệu cho các xy lanh trong giản đồ

Các xy lanh từ thường được dùng như có một nam châm trên đầu pít tông. Khi

nó chuyển động tới các giới hạn của chuyển động, các chuyển mạch lưỡi gà sẽ phát

hiện nó.

5.5 CÁC HỆ THỐNG THỦY LỰC

Các hệ thống thủy lực dùng các chất lưu không thể nén được để cung cấp các

lực rất lớn ở các tốc độ chậm hơn và các phạm vi được giới hạn của chuyển động.

Nếu tốc độ của chất lưu này được giữ đủ thấp, nhiều hiệu ứng được tiên đoán bởi

phương trình Béc nu li có thể được tránh khỏi. Hệ thống này sử dụng dòng chất lưu

(thường là dầu) được gây áp lực bởi một bơm và được chuyển qua các ống và các

van để điều khiển các xy lanh. Ở trái tim của hệ thống này là một bơm mà bơm này

sẽ cấp các áp lực lên tới hàng trăm hay hàng ngàn psi. Những dòng chất lưu này

được chuyển tới một xy lanh mà xy lanh này chuyển đổi nó thành một lực và một sự

dịch chuyển tuyến tính.

Các hệ thống thủy lực thường bao gồm các thành phần sau:

1. Dòng chất lưu

2. Một hồ chứa dầu

3. Một bơm để di chuyển dầu, và cung cấp áp lực

4. Các tuyến dẫn áp lực

5. Các van điều khiển – để điều chỉnh dòng chảy chất lưu

6. Pít tông và xy lanh – để phát động các cơ chế bên ngoài

Chất lưu thường là một loại dầu không ăn mòn được chọn để nó bôi trơn các

thành phần. Nó thường được chứa trong một hồ chứa như hình 5.6. Chất lưu được

hút từ hồ chứa tới một bơm ở đó nó được cấp áp lực. Đây thường là một bơm được

chia số (geared pump) để nó có thể đưa chất lưu ở một áp suất cao ở một tốc độ

dịch chuyển không đổi. Một bộ điều chỉnh thường được đặt ở lối ra áp suất cao từ

bơm này. Nếu dòng chất lưu không di chuyển trong các phần khác của hệ thống này

điều này sẽ cho phép chất lưu tuần hoàn trở lại hồ chứa để giảm tổn hại tới bơm.

Dòng chất lưu áp suất cao được đưa tới các van cuộn cảm điều khiển mà các van này

có thể chuyển dòng chất lưu là đi hay dừng. Từ các van này chất lưu sẽ được chuyển

tới hệ thống thủy lực này ở áp suất cao, hay thoát ngược trở lại hồ (bồn) chứa.

Figure 5.6 A Hydraulic Fluid Reservoir

Một bồn chứa chất lưu thủy lực

Các hệ thống thủy lực có thể rất hiệu quả cho các ứng dụng năng lượng cao,

nhưng việc dùng các chất lưu, và áp suất cao có thể làm cho phương pháp này nguy

hiểm, lộn xộn và gây ồn cho các ứng dụng khác.

5.6 KHÍ NÉN

Các hệ thống khí nén là rất phổ biến, và có nhiều điểm chung với các hệ thống

thủy lực với một vài điểm khác biệt quan trọng. Bồn chứa được loại ra vì không có gì

cần để thu lại và chứa không khí giữa các lần sử dụng trong hệ thống. Mặc dù bởi vì

không khí là khí nó có thể được nén lại và các bộ điều chỉnh là không cần đến để tuần

hoàn dòng chảy. Nhưng, việc có thể nén được cũng có nghĩa các hệ thống này là

không vững chắc hay mạnh mẽ. Các hệ khí nén hồi đáp rất nhanh chóng, và thường

được dùng cho các ứng dụng lực thấp trong nhiều vị trí trong nhà máy.

Một số đặc điểm cơ bản của các hệ thống khí nén là:

-

Nhịp từ vài mi li mét tới vài mét theo chiều dài (các nhịp dài hơn có

nhiều sự co dãn hơn)

-

Các bộ truyền động sẽ cho một bit – chúng là dễ đàn hồi

Các áp suất thường lên tới 85 psi trên áp suất khí quyển bình thường

Trọng lượng của xy lanh có thể hơi thấp

Thiết bị bổ sung là cần thiết cho một nguồn cấp áp lực khí – các bộ

truyền động tuyến tính hay quay là có sẵn

Các bộ giảm chấn có thể được dùng để làm nhẹ bớt tác động tại các

-

đầu cuối chuyển động của xy lanh

Khi thiết kế các hệ khí lực phải chú ý đến việc xác minh vị trí hoạt động. Đặc biệt

độ cao trên mực nước biển sẽ gây ra một áp suất không khí khác biệt một cách đáng

kể. Ví dụ, ở mực nước biển áp suất khí là khoảng 14,7 psi, nhưng ở độ cao 7800ft

(thành phố Mê hi cô) áp suất khí là 11,1 psi. Các môi trường hoạt động khác nhau,

như là trong tàu lặn, áp suất khí có lẽ cao hơn ở tại mực nước biển.

Một vài ký hiệu cho các hệ khí lực được chỉ ra trong hình 5.7. Van điều khiển

dòng chảy được dùng để hạn chế dòng chảy, thường làm chậm tốc độ. Van con thoi

cho phép dòng trong một hướng, nhưng ngăn nó lại trong hướng kia. Bồn thu cho

phép khí có áp lực được tích lũy. Máy sấy và bộ lọc cho phép loại trừ bụi và độ ẩm từ

không khí, kéo dài tuổi thọ của các van và các xy lanh.

Figure 5.7 Pneumatics Components – Các thành phần của các hệ khí lực

5.7 CÁC ĐỘNG CƠ

Các động cơ là những bộ truyền động thông dụng, nhưng cho các ứng dụng

điều khiển logic các thuộc tính của chúng là không quan trọng đến thế. Thông thường

điều khiển logic của các động cơ bao gồm các động cơ dòng thấp chuyển mạch một

cách trực tiếp với một PLC, hay cho các động cơ mạnh hơn bằng cách dùng một rơ le

hay động cơ khởi động. Các động cơ sẽ được thảo luận chi tiết nhiều hơn trong

chương về các bộ truyền động liên tục.

5.8 CÁC MÁY TÍNH

- Các thiết bị phức tạp hơn bao gồm các máy tính và các logic kỹ thuật số

- Để giao diện tới các thiết bị này ta dùng logic TTL, 0V=sai (false), 5V=đúng

(true)

- Nguồn cấp điện cho các thẻ các đầu ra TTL và không cần một nguồn điện riêng

lẻ

- Nhạy cảm với ồn điện

5.9 CÁC LOẠI KHÁC

Có nhiều loại khác nhau của các bộ truyền động bao gồm những thứ trong danh

sách tóm tắt sau:

Các lò sưởi – Thường được điều khiển bởi một rơ le và được bật lên và tắt đi để

duy trì một nhiệt độ trong một khoảng nào đó.

Các đèn – Các đèn được dùng cho hầu hết các máy để chỉ ra trạng thái máy và

cung cấp hồi đáp cho người (bộ) vận hành. Hầu hết đèn dùng dòng thấp và được kết

nối trực tiếp với PLC.

Các còi – Các còi có thể hữu ích cho các máy không có người điều khiển hay các

máy nguy hiểm để làm cho các trạng thái hoạt động (của các máy này) đều được

biết. Chúng có thể được kết nối trực tiếp tới PLC.

5.10 TÓM TẮT

 Các cuộn cảm có thể được dùng để chuyển một dòng điện tới một chuyển

động tuyến tính có giới hạn

 Các hệ thủy lực và khí lực dùng các xy lanh để chuyển các dòng chất lưu và khí

tới các chuyển động tuyến tính có giới hạn.

 Các van cuộn cảm có thể được dùng để chuyển hướng dòng chất lưu và khí.

 Các hệ thống khí lực cung cấp các lực nhỏ hơn tại các tốc độ cao hơn, nhưng

không vững chắc. Các hệ thống thủy lực cung cấp các lực mạnh hơn và vững

chắc, nhưng ở các tốc độ thấp hơn.

 Nhiều loại bộ truyền động khác nhau có thể được sử dụng.

5.11 BÀI TẬP THỰC HÀNH

1. Một pít tông được thiết kế để đưa một lực đẩy là 120 lbs trên nhịp mở rộng của

nó. Đường kính bên trong của xy lanh là 2,0 ing và đường kính pít tông là 0,375 ing.

Áp suất không khí cung cấp nào sẽ được yêu cầu để cung cấp lực truyền động này. Sử

dụng một hệ số an toàn là 1,3.

2. Vẽ một hệ thủy lực đơn giản mà nó sẽ tiến và lùi một xy lanh bằng cách dùng các

đầu ra PLC.

Bản phác thảo phải gồm các chi tiết từ thẻ đầu ra PLC tới xy lanh thủy lực.

3. Phát triển một sơ đồ bậc thang điện và sơ đồ khí lực cho một hệ điều khiển PLC.

Hệ này bao gồm các thành phần dưới đây. Hệ này phải gồm có mọi yêu cầu an toàn

và các cân nhắc về đi dây.

- một động cơ ba pha 50 HP

- một cảm biến NPN

- một nút nhấn NO

- một chuyển mạch giới hạn NC

- một đèn chỉ thị

- một xy lanh khí lực hoạt động kép

5.12 GIẢI PHÁP CHO BÀI TẬP THỰC HÀNH

1. A = pi*r^2 = 3,14159in^2, P=FS*(F/A)=1,3(120/3,14159)=49,7psi. Ghi chú, nếu xy

lanh này đang được kéo lùi ta sẽ cần trừ diện tích cần từ diện tích pít tông. Ghi chú:

áp suất khí này là hơn nhiều so với những cái thường nhìn thấy trong một cửa hàng

nào đó, vì vậy nó sẽ không thiết thực, và một sự thiết kế lại là cần thiết.

2.

3. ADD SOLUTION

5.13 GIAO BÀI TẬP

1. Vẽ một ký hiệu dưới dạng giản đồ cho một van khí lực điều khiển cuộn cảm và giải

thích van này hoạt động như thế nào.

3. Một hệ dựa trên một PLC có 3 cảm biến lân cận, một nút start (bắt đầu), và một E-

stop (E-dừng) như là các đầu vào. Hệ này điều khiển một hệ khí lực với một van điều

khiển cuộn cảm. Nó cũng điều khiển một người máy với một đầu ra TTL. Phát triển

một sơ đồ đi dây hoàn thiện bao gồm tất cả những chi tiết an toàn.

4. Một hệ gồm một xy lanh khí lực với hai cảm biến lân cận cảm ứng mà nó sẽ phát

hiện khi xy lanh này là hoàn toàn tiến lên hay hoàn toàn rút lại. Xy lanh này được

điều khiển bởi một van điều khiển cuộn cảm. Vẽ các giản đồ khí lực và điện cho hệ

thống.

5. Vẽ một sơ đồ đi dây bậc thang điện cho một hệ điều khiển PLC mà nó gồm 2 cảm

biến PNP, một nút nhấn NO, một chuyển mạch giới hạn NC, một động cơ nguồn xoay

chiều điều khiển công tắc và một đèn chỉ thị. Bao gồm tất cả các mạch an toàn.

2. Ta đang kết nối một PLC để phát hiện các hộp di chuyển xuống một dây chuyền lắp

đặt và chuyển hướng di chuyển các hộp lớn hơn. Độ rộng dây chuyền là 12 ing và đặt

nghiêng sao cho các hộp rơi vào một phía khi chúng di chuyển qua. Một cảm biến sẽ

được gắn vào mặt dưới của băng chuyền này để phát hiện khi một hộp có mặt. Một

cảm biến thứ hai sẽ được gắn vào phía trên của băng chuyền để xác định khi một

hộp lớn hơn có mặt. Nếu hộp này có mặt, một đầu ra tới một cuộn cảm khí lực sẽ

được phát động để chuyển hướng hộp này. Công việc của bạn là chọn một PLC xác

định, các cảm biến, và van cuộn cảm. Các chi tiết (cực tiểu tuyệt đối là các số loại

hình máy) được mong đợi với một sơ đồ đi dây bậc thang. (Ghi chú: tận dụng lợi thế

của các địa chỉ web của các nhà sản xuất).