Giáo trình Điều khiển điện khí nén - Trần Nhân Quý

 đảo chiều đổi vị trí:
* Tín hiệu ở cổng A có giá trị L.
* Chuẩn bị cho nhịp tiếp theo bằng phần tử AND của tín hiệu X.
* Đèn tín hiệu sáng.
* Phần tử nhớ của nhịp trước đó trở về vị trí RESET.
Hình MĐ15-06-51 - Bộ điều khiển loại TAA.
- Loại ký hiệu TAB (hình MĐ15-06-52): Loại này thường được bố trí ở vị trí cuối cùng trong chuỗi điều khiển theo nhịp. Ngược lại với kiểu TAA, kiểu TAB có phần tử OR nối với cổng Yn. Khi cổng L có khí nén, thì toàn bộ các khối của chuỗi điều khiển (trừ khối cuối cùng) sẽ trở về vị trí ban đầu. Như vậy, khối kiểu TAB có chức năng như là điều kiện để chuẩn bị khởi động của mạch điều khiển. Khối kiểu TAB cũng có chức năng tương tự như khối kiểu TAA. Đó là: khi cổng Yn có giá trị L, van đảo chiều (phần tử nhớ) đổi vị trí:
* Tín hiệu ở cổng A có giá trị L.
* Chuẩn bị cho nhịp tiếp theo bằng phần tử AND của tín hiệu ở cổng X.
* Đèn tín hiệu sáng.
* Phần tử nhớ của nhịp trước đó trở về vị trí RESET.
Hình MĐ15-06-52 - Bộ điều khiển loại TAB.
- Loại ký hiệu TAC (hình MĐ15-06-53): Loại tín hiệu không có phần tử nhớ và phần tử OR. Như vậy, loại TAC có chức năng là trong nhịp điều khiển tiếp theo, khi tín hiệu của nhịp trước đó vẫn còn giá trị L. thì đèn tín hiệu vẫn còn sáng ở nhịp tiếp theo.
Hình MĐ15-06-53 - Bộ điều khiển loại TAC.
Chuỗi điều khiển với nhịp 4 khối: 3 khối kiểu TAA và 1 khối kiểu TAB biểu diễn ở trên hình MĐ15-06-54:
Hình MĐ15-06-54 - Chuỗi điều khiển theo nhịp gồm 3 khối TAA và 1 khối TAB.
5. Mạch tổng hợp điều khiển theo nhịp
Mục tiêu:
- Trình bày, lắp ráp và vận hành được mạch điều khiển với chu kỳ đồng thời.
- Trình bày, lắp ráp và vận hành được mạch điều khiển với chu kỳ tuần tự.
5.1. Mạch điều khiển với chu kì đồng thời
Nguyên lý hoạt động:
- Sau khi qui trình M thực hiện xong, thì các qui trình 1, qui trình 2, qui trình 3 sẽ thực hiện đồng thời. Sau khi 3 qui trình thực hiện đồng thời hoàn thành, tín hiệu ở cổng ra Yn+1 sẽ được kết hợp lại bằng phần tử AND, để qui trình N được thực hiện.
Như vậy trước khi chuẩn bị thực hiện đồng thời các qui trình, tín hiệu sẽ được phân nhánh. Sau khi các qui trình đồng thời thực hiện xong, các tín hiệu sẽ được kết hợp lại. Nguyên lý hoạt động điều khiển theo nhịp với các chu kì thực hiện đồng thời được biểu diễn ở hình MĐ15-06-55:
Hình MĐ15-06-55 - Mạch điều khiển theo nhịp 
với các chu kì thực hiện đồng thời.
Bài tập thực hành:
Em hãy lắp ráp và vận hành mạch điều khiển với chu kỳ đồng thời.
5.2. Mạch điều khiển với các chu kì thực hiện tuần tự
- Sau khi qui trình M thực hiện, nếu k = 1 thì qui trình thứ nhất sẽ thực hiện, nếu k = 0, thì qui trình thứ hai sẽ thực hiện. Sau đó, qui trình N sẽ thực hiện.
Hình MĐ15-06-56 - Mạch điều khiển tuần tự theo nhịp
với các chu kì thực hiện tuần tự.
Bài tập thực hành:
Em hãy lắp ráp và vận hành mạch điều khiển với chu kỳ tuần tự.
6. Thiết kế mạch điều khiển khí nén theo biểu đồ Karnaugh
Mục tiêu:
- Thiết kế được mạch điều khiển khí nén cho một máy khoan gồm hai xy- lanh bằng biều đồ Karnaugh.
- Giả sử qui trình làm việc của một máy khoan gồm hai xy- lanh: khi đưa chi tiết vào pít- tông A sẽ đi ra để kẹp chi tiết. Sau đó pít- tông B đi xuống khoan chi tiết và sau khi khoan xong thì pít- tông B lùi về. Sau khi pít- tông B đã lùi về thì pít- tông A mới lùi về.
Ta có sơ đồ khí nén và biểu đồ thời gian (biểu đồ trạng thái) như sau:
Hình MĐ15-06-57 - Sơ đồ mạch điều khiển khí nén
và biểu đồ trạng thái.
Từ biểu đồ trạng thái, ta xác định điều kiện để các xy- lanh làm việc:
+ Bước 1: Pít- tông A đi ra với tín hiệu điền khiển A+
A+ = a0.b0.
+ Bước 2: Pít- tông B đi ra với tín hiệu điều khiển B+
B+ = a1.b0.
+ Bước 3: Pít- tông B đi về với tín hiệu điều khiển B-
B- = a1.b1.
+ Bước 4: Pít- tông A đi về với tín hiệu điều khiển A-
A- = a1.b0.
Như vậy phương trình logic của qui trình khoan như sau:
A+ = a0.b0.
B+ = a1.b0.
B- = a1.b1.
A- = a1.b0.
So sánh các phương trình trên, ta thấy điều kiện để thực hiện B+ v A- giống nhau. Như vậy về phương diện đều khiển thì điều đó không thể thực hiện được. Để có thể phân biệt được các bước thực hiện B+ và A- có cùng điều kiện (a1.b0) thì cả 2 phương trình phải thêm điều kiện phụ. Trong điều khiển người ta sử dụng phần tử nhớ trung gian (ký hiệu x và là tín hiệu ra của phần tử nhớ trung gian).
Phương trình logic trên được viết lại như sau: 
A+ = a0.b0.
 B+ = a1.b0. .
B- = a1.b1.
 A- = a1.b0.x.
Để tín hiệu ra của phần tử nhớ trung gian thực hiện bước 2 (B+), thì tín hiệu đó tín hiệu đó phải được chuẩn bị trong bước thực hiện trước đó (tức là bước thứ 1). Tương tự như vậy để tín hiệu ra x của phần tử nhớ trung gian thực hiện bước 4 (A-), thì tín hiệu đó phải được chuẩn bị trong bước thực hiện trước đó (tức là bước thứ 3). Từ đó ta viết lại phương trình logic như sau:
 A+ = a0.b0. .
 B+ = a1.b0. .
 B- = a1.b1.x.
 A- = a1.b0.x.
Trong qui trình thêm một phần tử nhớ trung gian (Z), ta có tín hiệu ra để điều khiển phần tử nhớ là:
Như vậy ta có 6 phương trình không trùng nhau:
A+ = a0.b0. .
B+ = a1.b0. .
B- = a1.b1.x.
A- = a1.b0.x.
X+ = a1.b1. .
X- = a0.b0.x.
Với 6 phương trình trên ta có sơ đồ mạch logic như sau:
Hình MĐ15-06-58 - Sơ đồ mạch logic.
Rút gọn bằng phương pháp biểu đồ Karnaugh:
Biểu đồ Karnaugh với 3 biến( a1 và ; b1 và ; x) được biểu diễn như sau:
Hình MĐ15-06-59 - Biểu đồ Karnaugh với 3 biến.
Các công tắc hành trình sẽ biểu diễn qua trục đối xứng nằm ngang, biến của phần tử nhớ trung gian biểu diễn qua trục đối xứng thẳng đứng. Trong điều khiển giả thiết rằng, khi công tắc hành trình (ví dụ a0) bị tác động thì công tắc hành a1 sẽ không tác động. Không xảy ra trường hợp cả 2 công tắc hành trình a0 và a1 cùng tác động đồng thời hoặc cả 2 công tắc cùng không tác động đồng thời.
* Đơn giản hành trình của xilanh A bằng biểu đồ Karnaugh:
Theo biểu đồ trạng thái, ta thiết lập được biểu đồ Karnaugh cho xy- lanh A:
Hình MĐ15-06-60 - Biều đồ Karnaugh cho xy- lanh A.
Bước thực hiện thứ nhất là pít- tông A đi ra (A+) và dừng lại cho đến bước thực hiện thứ 3. Sang bước thứ 4 thì pít- tông A lùi về (A-). Các khối 1, 2, 3 và 7 ký hiệu A+ và các khối 5, 6 ký hiệu A-. Đơn giản hành trình đi ra của xy- lanh A (A+) sẽ được thực hiện trong cột thứ nhất (x). Ta có phương trình logic của A+ là:
Trong đó S0 là nút ấn khởi động. Tương tự khi đơn giản hành trình đi về của xy- lanh A (A-), ta có phương trình logic của A- là:
A- = b0.x.
* Đơn giản hành trình của xy- lanh B bằng biểu đồ Karnaugh
Hình MĐ15-06-61 - Biểu đồ Karnaugh của xy - lanh B.
Đơn giản hành trình đi ra của pít- tông B (B+), ta có phương trình logic sau:
Đơn giản hành trình đi về của pít- tông B (B-), ta có phương trình logic sau:
B- = x.
* Đơn giản phần tử nhớ trung gian bằng biểu đồ Karnaugh
Ta có phương trình logic như sau:
X+ = b1.
X- = a0.
Vậy phương trình logic sau khi đơn giản là:
 A- = b0.x.
 B- = x.
 X+ = b1.
 X- = a0.
Hình MĐ15-06-62 - Sơ đồ mạch logic sau khi đơn giản.
Từ sơ đồ mạch logic trên hình MĐ15-06-62, ta có sơ đồ mạch điều khiển khí nén như sau:
Hình MĐ15-06-63 - Sơ đồ lắp ráp mạch điều khiển khí nén.
Sơ đồ nguyên lý của mạch khí nén sau khi đã đơn giản như sau:
Hình MĐ15-06-64 - Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển khí nén.
Từ sơ đồ mạch logic trên hình MĐ15-06-62, ta có mạch điều khiển điện khí nén như sau:
Hình MĐ15-06-65 - Sơ đồ nguyên lý mạch điện khí nén.
7. Các mạch ứng dụng
Mục tiêu:
- Trình bày được nguyên lý hoạt động, lắp ráp và vận hành được mạch điều khiển điện khí nén của máy cắt giấy.
- Trình bày được nguyên lý hoạt động, lắp ráp và vận hành được mạch điều khiển điện khí nén của máy khoan.
7.1. Mạch điều khiển điện khí nén của máy cắt giấy.
Công nghệ được miêu tả như sau: Đầu cần pít- tông của xy- lanh tác động đơn phục hồi bằng lò xo 1A mang lưỡi dao cắt giấy. Khi ấn nút S2 thì cần pít- tông đi xuống cắt giấy. Ấn nút S1 thì cần pit- tông đi lên để lấy sản phẩm ra.
- Mạch điều khiển của máy cắt giấy được biểu diễn như sau:
* Bước 1: Các phần tử trong mạch điều khiển bao gồm:
- 1A: Xy- lanh tác động đơn phục hồi bằng lò xo.
- V1: Van đảo chiều 3/2 điều khiển gián tiếp bằng nam châm điện qua van phụ trợ, phục hồi bằng lò xo.
- S1: Nút ấn tự phục hồi có cặp tiếp điểm thường đóng S1(31-32).
- S2: Nút ấn tự phục hồi có cặp tiếp điểm thường mở S2(13-14).
- K: Rơle điều khiển với:
+ K(A1-A2): Cuộn hút.
+ K(11-14), K(21-24): Hai cặp tiếp điểm thường mở.
- Y(12-0): Cuộn hút nam châm điện của van V1.
* Bước 2: Thuyết minh nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển.
- Khi chưa có tác động vào mạch điều khiển thì cặp tiếp điểm S2(13-14) đang mở nên cuộn hút K(A1-A2) không có điện, cặp tiếp điểm K(21-24) mở nên cuộn hút nam châm điện Y(12-0) không có điện, van V1 thiết lập ở vị trí “0”, không có dòng khí nén cấp tới khoang sau của xy- lanh 1A, lực lò xo giữ cho pít- tông và cần pít- tông đứng yên ở vị trí trên cùng.
- Khi tác động vào nút ấn S2 thì cặp tiếp điểm S2(13-14) đóng lại cấp điện cho cuộn hút rơ le điều khiển K(A1-A2), cặp tiếp điểm K(11-14) đóng lại làm nhiệm vụ duy trì, cặp tiếp điểm K(21-24) đóng lại cấp điện cho cuộn hút nam châm điện Y(12-0), van V1 chuyển sang vị trí “1”, dòng khí nén từ máy nén khí vào cửa 1 ra cửa 2 của van V1 tới khoang sau của xy- lanh 1A, đẩy pít- tông và cần pít- tông đi xuống, khi đi xuống tới vị trí dưới cùng thì đứng lại ở vị trí đó.
- Khi tác động vào nút ấn S1 thì cặp tiếp điểm S1(31-32) mở ra, cắt điện cuộn hút rơ le điều khiển K(A1-A2), cặp tiếp điểm K(21-24) mở ra cắt điện cuộn hút nam châm điện Y(12-0), van V1 chuyển về vị trí “0”, cắt khí nén cấp tới khoang sau xy- lanh 1A, lực lò xo đẩy pít- tông và cần pít- tông đi lên, đi lên tới vị trí trong cùng thì đứng lại ở vị trí đó. Kết thúc 1 chu trình hoạt động.
Bài tập thực hành:
Em hãy lắp ráp và vận hành mạch điều khiển điện khí nén của máy cắt giấy.
7.2. Mạch điều khiển điện khí nén của máy khoan
Mô tả công nghệ: Xy- lanh kép 2A có nhiệm vụ kẹp chặt chi tiết cần khoan. Xy- lanh tác động đơn phục hồi bằng lò xo 1B có nhiệm vụ khoan chi tiết. Khi ấn nút S1 thì pít- tông 2A đi ra để kẹp chi tiết (gặp cảm biến CB). Sau đó pít- tông 1B tự động đi xuống khoan chi tiết, khoan đạt vị trí yêu cầu (gặp công tắc hành trình S3) thì pít- tông 1B tự động đi lên, lên tới vị trí trên cùng (gặp công tắc hành trình S2) thì pít- tông 2B tự động đi về nhả phôi, về tới vị trí trong cùng (gặp công tắc hành trình S4) thì mạch tự động Reset sẵn sàng cho chu kì làm việc mới. Trong mạch có sử dụng thêm van tiết lưu để điều chỉnh tốc độ chuyển động của cơ cấu.
- Mạch điều khiển của máy khoan được biểu diễn như sau:
* Bước 1: Các phần tử trong mạch bao gồm.
- 2A: Xy- lanh tác động kép có giảm chấn.
- 1B: Xy- lanh tác động đơn phục hồi bằng ngoại lực.
- V2, V4: Van tiết lưu một chiều điều chỉnh bằng tay.
- V1: Van đảo chiều 5/2 điều khiển gián tiếp bằng nam châm điện qua van phụ trợ cả hai phía.
- V3: Van đảo chiều 3/2 điều khiển gián tiếp bằng nam châm điện qua van phụ trợ, phục hồi bằng lò xo.
- S1: Nút ấn tự phục hồi có cặp tiếp điểm thường mở S1(13-14).
- S2: Công tắc hành trình điện- cơ với cặp tiếp điểm thường mở S2(1-4).
- S3: Công tắc hành trình điện- cơ với cặp tiếp điểm thường mở S3(1-4).
- S4: Công tắc hành trình điện- cơ với cặp tiếp điểm thường đóng S4(1-4).
- K: Role điều khiển với:
+ K(A1-A2): cuộn hút.
+ K(21-24), K(31-34): Hai cặp tiếp điểm thường mở.
+ K(11-12): Cặp tiếp điểm thường đóng.
- CB: Cảm biến quang.
- Y1(14-0), Y2(12-0): Hai cuộn hút nam châm điện của van V1.
- Y3(12-0): Cuộn hút nam châm điện của van V3.
* Bước 2: Thuyết minh nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển.
- Khi chưa có tác động vào mạch điều khiển thì cặp tiếp điểm S1(13-14) đang mở nên cuộn hút nam châm điện Y1(14-0) không có điện, cảm biến quang chưa tác động nên cuộn hút Y3(12-0) không có điện, cặp tiếp điểm K(31-34) mở nên cuộn hút Y2(12-0) không có điện, van V1 thiết lập ở vị trí “b” van V3 thiết lập ở vị trí “0”, dòng khí nén từ máy nén khí qua van V2 tới cửa 1 ra cửa 2 của van V1 vào khoang trước của xy- lanh 2A giữ cho pít- tông và cần pít- tông 2A đứng yên ở vị trí trong cùng, đồng thời không có dòng khí nén vào khoang sau của xy- lanh 1B nên lực lò xo giữ cho pít- tông và cần pít- tông 1B đứng yên ở vị trí trên cùng.
- Khi tác động vào nút ấn S1 thì cặp tiếp điểm S1(13-14) đóng lại cấp điện cho cuộn hút Y1(14-0), van V1 chuyển sang vị trí “a”, dòng khí nén từ máy nén khí qua van V2 tới cửa 1 ra cửa 4 của van V1 vào khoang sau của xy- lanh 2A đẩy pít- tông và cần pít-tông đi ra, S4 bị cắt tác động nên cặp tiếp điểm S4(1-2) đóng lại, lượng khí trong khoang trước thoát ra theo đường vào cửa 2 và xả ra ở cửa 3 của van V1. Ngay khi nhả tay khỏi nút ấn S1 thì cặp tiếp điểm S1(13-14) mở ra, cắt điện cuộn hút Y1(14-0), van V1 vẫn duy trì ở vị trí “a” giữ cho pít- tông 2A đi ra. Khi cần pít- tông 2A đi ra tới vị trí tác động vào cảm biến CB thì cuộn hút Y3(12-0) có điện, van V3 chuyển sang vị trí “1”, dòng khí nén từ máy nén khí vào cửa 1 ra cửa 2 của van V3 qua van V4 vào khoang sau của xy- lanh 1B đẩy pít- tông và cần pít- tông 1B đi xuống, ngay khi cần pít- tông đi xuống khỏi vị trí tác động lên con lăn S2 thì cặp tiếp điểm S2(1-4) mở ra. Khi cần pít- tông 1B đi xuống tới vị trí tác động vào S3 thì cặp tiếp điểm S3(1-4) đóng lại cấp điện cho cuộn hút K(A1-A2), cặp tiếp điểm K(21-24) đóng lại làm nhiệm vụ duy trì, cặp tiếp điểm K(31-34) đóng lại sẵn sàng cấp điện cho cuộn hút Y2(12-0), cặp tiếp điểm K(11-12) mở ra cắt điện cuộn hút Y3(12-0), van V3 chuyển về vị trí “0”, cắt dòng khí nén vào khoang sau của xy- lanh 1B, lực lò xo đẩy pít- tông và cần pít- tông 1B đi lên, lượng khí trong khoang sau thoát ra theo đường vào cửa 2 xả ra cửa 3 của van V3. Khi pít- tông và cần pít- tông 1B đi lên tác động vào con S2 thì cặp tiếp điểm S2(1-4) đóng lại cấp điện cho cuôn hút Y2(12-0), van V1 chuyển về vị trí “b”, dòng khí nén từ máy nén khí qua van V2 tới cửa 1 ra cửa 2 của van V1 vào khoang trước của xy- lanh 2A đẩy pít- tông và cần pít- tông 2A đi về, lượng khí trong khoang sau thoát ra theo đường vào cửa 4 xả ra cửa 5 của van V1. Khi cần pít- tông 2A đi về tới vị trí tác động lên con lăn của van S4 thì cặp tiếp điểm S4(1-2) mở ra cắt điện cuộn hút K(A1-A2), cặp tiếp điểm K(31-34) mở ra cắt điện cuộn hút Y2(12-0), cặp tiếp điểm K(11-12) đóng lại để sẵn sàng cho chu kì làm việc tiếp theo.
- Van V2 có vai trò điều chỉnh vận tốc chuyển động đi ra và đi về của pít- tông 2A. Van V4 có vai trò điều chỉnh vận tốc chuyển động đi ra của pít- tông 1B.
Bài tập thực hành:
Em hãy lắp ráp và vận hành mạch điều khiển điện khí nén của máy khoan.
---------------------------------------
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Bùi Hải, Trần Thế Sơn, Kỹ thuật nhiệt, NXB Giáo dục.
[2] Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tùy, Thông gió và điều hòa không khí, NXB Khoa học và Kỹ thuật.
[3] Nguyễn Đức Lợi, Máy và thiết bị lạnh, NXB Khoa học và Kỹ thuật. 
[4] Nguyễn Ngọc Phương, Hệ thống điều khiển bằng khí nén, NXB Giáo dục 1999.
[5] Lê Văn Tiến Dũng, Điều khiển khí nén và thuỷ lực, Trường ĐHCN TPHCM.
[6] Tài liệu dự án của hãng Festo.