Đề tài Thiết kế hệ thống điều khiển máy khoan có sơ đồ như hình vẽ bằng phương pháp ma trận trạng thái với mạch động lực dùng thiết bị khí nén và mạch điều khiển dùng thiết bị điện

trường đại học bách khoa hà nội khoa năng lượng bộ môn tự động hoá xncn thiết kế môn học điều khiển logic đồ án môn học Sinh viên : TRIệU TUYÊN HOàNG Lớp : Tự động hoá 3 K43 Nhiệm vụ thiết kế Thiết kế hệ thống điều khiển máy khoan có sơ đồ như hình vẽ bằng phương pháp ma trận trạng thái với mạch động lực dùng thiết bị khí nén và mạch điều khiển dùng thiết bị điện. Nội dung Thiết kế sơ đồ nguyên lý. Tính chọn thiết bị điều khiển. Thiết kế sơ đồ lắp ráp. Thuyết minh và bản vẽ 1 quyển thuyết minh. 2 bản vẽ kỹ thuật khổ A0 cho sơ đồ nguyên lý và lắp ráp. cán bộ hướng dẫn mục lục nhiệm vụ thiết kế 02 mục lục 03 Tài liệu tham khảo 04 Lời nói đầu 05 Chương I: giới thiệu chung về công nghệ 1. sơ đồ công nghệ 06 2. nguyên lý hoạt động của sơ đồ công nghệ 06 Chương II: tổng hợp hàm điều khiển 1. tổng hợp hàm điều khiển bằng phương pháp hàm tác động 08 1.1 xác định các biến điều khiển 08 1.2 tổng hợp hàm điều khiển 09 2. sơ đồ nguyên lý điều khiển hệ thống 11 2.1 các phần tử 11 2.2 sơ đồ nguyên lý 12 2.3 thuyết minh nguyên lý hoạt động của sơ đồ 13 Chương III: Tính chọn và thiết kế mạch lắp ráp 1. Chọn các thiết bị 14 1. chọn các phần tử logic 14 2. chọn công tắc 15 3. Chọn Van phân phối 16 4. Chọn thiết bị chấp hành 17 5. chọn nút ấn 17 2. SƠ Đồ LắP RáP 1. Lựa chọn vị trí lắp đặt thiết bị 17 2. Sơ đồ lắp ráp của mạch điều khiển hệ thống 18 Mở đầu Trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước, có thể nói một trong những tiêu chí để đánh giá sự phát triển kinh tế của mỗi quốc gia là mức độ tự động hoá trong các quá trình sản xuất mà trước hết đó là năng suất sản xuất và chất lượng sản phẩm làm ra. Sự phát triển rất nhanh chóng của máy tính điện tử , công nghệ thông tin và những thành tựu của lý thuyết Điều khiển tự động đã làm cở sở và hỗ trợ cho sự phát triển tương xứng của lĩnh vực tự động hoá. ở nước ta mặc dầu là một nước chậm phát triển, nhưng những năm gần đây cùng với những đòi hỏi của sản xuất cũng như sự hội nhập vào nền kinh tế thế giới thì việc áp dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật mà đặc biệt là sự tự động hoá các quá trình sản xuất đã có bước phát triển mới tạo ra sản phẩm có hàm lượng chất xám cao tiến tới hình thành một nền kinh tế tri thức. Ngày nay tự động hoá điều khiển các quá trình sản xuất đã đi sâu vào từng ngõ nghách, vào trong tất cả các khâu của quá trình tạo ra sản phẩm. Một trong nhữnh ứng dụng đó mà đồ án này thiết kế là điều khiển công nghệ khoan. Tự động hoá điều khiển công nghệ khoan là quá trình tạo ra một lỗ thủng trên bề mặt vật thể có kích thước chiều sâu định trước. Trong công việc thiết kế, tự động hoá điều khiển được thể hiện qua hai quá trình sau: - Tự động hoá điều khiển công việc đưa vật thể vào vị trí định trước (xác định vị trí lỗ khoan). - Tự động hoá đưa mũi khoan vào khoan vật thể sau đó quay về vị trí cũ đễ đảm bảo cho quy trình tiếp theo. Chất lượng mũi khoan và năng suất làm việc phụ thuộc rất nhiều vào công nghệ điều khiển. Quá trình làm việc được thực hiện theo một trật tự logic, theo trình tự thời gian xác định do đó để điều khiển được công nghệ ta phải tổng hợp được hàm điều khiển cho hệ thống. Có rất nhiều phương pháp để tổng hợp hàm điều khiển nhưng ở đây ta sử dụng phương pháp GRAPCET. So với các phương pháp khác thì phương pháp hàm tác động có ưu điểm đơn giản và đảm bảo sự chính xác về tuần tự thực hiện quá trình. Sinh viên . Chương I : Giới thiệu công nghệ Công nghệ : Khoan một lỗ hai giai đoạn Máy khoan được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy cơ khí. Bên cạnh các máy móc cơ khí khác như các máy tiện, máy doa, máy bào giường, bào xọc ... dần dần được tự động hóa theo một dây chuyền ngày càng hiện đại. Các máy khoan cũng được tự động hoá theo dây chuyền nhằm nâng cao năng suất và giảm sự nặng nhọc cho người công nhân. Trong đó công nghệ khoan một lỗ hai giai đoạn cũng được sử dụng trong các nhà máy cơ khí, nhà máy sửa chữa và chế tạo máy. Trong môi trường làm việc nặng nhọc công nghệ yêu cầu : Khoan làm việc ổn định, chắc chắn. Tần số làm việc lớn. Chương II : Thiết kế Theo phương pHáp Grapcet 1. Grapcet - công cụ để mô tả mạch trình tự trong công nghiệp Trong dây chuyền sản xuất công nghiệp, các thiết bị máy móc thường hoạt động theo một trình tự lôgic chặt chẽ nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, an toàn cho người và thiết bị. Cấu trúc làm việc trình tự của dây chuyền đã đưa ra yêu cầu cho điều khiển là điều khiển sự hoạt động chặt chẽ thống nhất của dây chuyền đồng thời cũng gợi ý cho ta sự phân nhóm lôgic của automat trình tự bởi các tập hợp con của máy móc và các thuật toán. Ta có sơ đồ khối : Tín hiệu vào Quá trình Cấu trúc điều khiển trình tự Quá trình công nghệ có thể bao gồm : Hoàn toàn tự động Bán tự động Hoàn toàn bằng tay Khi thiết kế hệ thống phải tính toán đến các phương thức làm việc khác nhau để đảm bảo an toàn và xử lí kịp thời các hư hỏng trong hệ thống. Phải luôn có phương án can thiệp trực tiếp của người vân hành đến việc dừng máy khẩn cấp ... Grapcep là công cụ rất hữu ích để thiết kế và thực hiện đầy đủ các yêu cầu của công nghệ tự động hoá các quá trình công nghệ kể trên. 2.Phương pháp Grapcet Yêu cầu công nghệ : a, b, c, d là các công tắc hành trình cảm nhận vị trí của lưỡi khoan. Hoạt động : Khoan đi xuống với vận tốc v1 gặp ‘b’ (gặp vật liệu) giảm tốc độ khoan với vận tốc v2. Xuống gặp ‘c’ lưỡi khoan nhấc lên tháo phoi chuẩn bị cho giai đoạn khoan thứ hai. Đi lên với vận tốc V1 gặp ‘a’ khoan đảo chiều đi xuống với vận tốc V1 bắt đầu giai đoạn hai. Đi xuống gặp ‘c’ (gặp phôi) bắt đầu khoan xuống với vận tốc V2 . Gặp ‘d’ khoan hết một lỗ khoan được nhấc lên với vận tốc V1 . Đi lên gặp ‘a’ thì dừng lại kết thúc quá trình khoan. 3.Tín hiệu vào, trạng thái ra Tín hiệu vào : Các cảm biến vị trí a, b, c, d Tín hiệu ra : X : trạng thái đi xuống L : trạng thái đi lên V1 : chạy xuống với vận tốc v1 V2 : chạy xuống với vận tốc v2 4.Thành lập Grapcet 1 -Xác lập trạng thái ban đầu -Trạng thái ban đầu -Đã ở trạng thái ban đầu -Đi xuống với vận tốc v1 -Đã đi xuống với vân tốc v1 -Đi xuống với vận tốc v2 -Đã đi xuống với vận tốc v2 -Đi lên với vận tốc v1 -Đã đi lên với vận tốc v1 *Nhận xét : Nếu Grapcet chỉ có vậy khoan sẽ đi xuống găp b giảm tốc, gặp c đi lên, gặp a lặp lại quá trình trên mà không khoan 2 giai đoạn. Vì vậy, phải thêm 1 biến phụ nhận biết cho phép : . gặp b lần thứ nhất đi xuống với vận tốc v2 nhưng gặp b lần thứ hai vẫn duy trì vận tốc cũ. . đồng thời gặp c lần thứ nhất đi lên nhưng cấm đi lên lần thứ hai mà gặp c đi xuống với vận tốc v2. Chỉ khi gặp d mới đi lên. Gọi biến P gặp c hàm đóng và gặp d thì cắt. Từ những điều trên Grapcet 2 có thể thành lập như sau 5.Thành lập Grapcet 2 Ta rút ra được hàm đóng cắt như sau : So+ = g + L.a So- = X.v1 X+ = m.a.So + a.L.P X- = L.v1 V1+ = m.a.So + (c+d).X.v2 + a.L.P V1- = v2 V2+ = c.v1 + b.v1.P V2- = L.v1 L+ = (c+d).X.v2 L- = So + X.v1 P+ = c P- = d “ + “ : hàm đóng “ – “ : hàm cắt Grapcet sử dụng các phần tử nhớ thực hiện công nghệ trên. Nhưng yêu cầu bài toán sử dụng phần tử tiếp điểm nên : Viết hàm đóng có tiếp điểm tự duy trì để nhớ Viết hàm cắt Ta có sơ đồ mạch điều khiển trang sau 6.Nguyên lí hoạt động sơ đồ như sau : Khi có tín hiệu sẵn sàng của So tự duy trì theo đường 1-So-5-4-2 Tiếp điểm So98, So12 15 đóng lại sẵn sàng làm việc. Tại vị trí ban đầu a ấn nút mở máy m rơle trung gian X có điện và tự duy trì bởi tiếp điểm X1-8, X5-4 lúc này mở ra. Đồng thời khi đó rơle V1 có điện và tự duy trì bởi tiếp điểm V1 1-12 tiếp điểm V1 5-4 mở ra làm mất điện So. Khoan chạy xuống với vận tốc v1. Gặp b tiếp điểm V1 20-22 đang đóng nên V2 có điện và tự duy trì bởi V2 1-16 V2 có điện đồng thời tiếp điểm V2 12-10 mở ra cắt điện V1. Các rơle khác không bị ảnh hưởng. Khoan lúc này giảm tốc độ xuống vận tốc v2 (bắt đầu quá trình khoan giai đoạn một) Gặp c rơle P có điện và tự duy trì bởi tiếp điểm P1-29 tiếp điểm P20-16 mở ra đồng thời P23-12 đóng lại sẵn sàng. Cùng lúc đó bởi các tiếp diểm V2 25-27, X2 17-28 đang đóng nên rơle L có điện tự duy trì bởi L1-28. Tiếp điểm X17-19, V2 19-12 đóng nên rơle V1 cũng có điện. Chúng cắt V2 và X do vậy khoan chạy lên với vận tốc v1. Gặp b không chuyện gì xảy ra P20-16 đã mở . Gặp a vì các tiếp điểm L11’-11, P11-8 đang duy trì nên rơle X có điện và duy trì bởi X1-8. Đồng thời V1 có điện và cắt L Khoan lại chạy xuống với vận tốc v1 (bắt đầu chu trình thứ hai) Gặp b do P20-16 đã mở cho nên rơle V2 không thể có điện Khoan tiếp tục chạy xuống với vận tốc v1. Đến khi gặp c do V2 25-27 đang mở nên rơle L không có điện Vì V1 18-16 đang có điện nên V2 có điện và tự duy trì bởi V2 1-16. Có V2 thì V1 bị cắt bởi V210-12. Khoan tiếp tục chạy xuống với vận tốc mới v2. Gặp d do V2 25-27, X27-28 đang đóng nên rơle L có điện. Tương tự rơle V1 có điện. V1, L có điện các tiếp điểm thường đóng của nó mở ra do đó cắt điện X, V1 Đồng thời gặp d nên P mất điện. Khoan chạy lên với vận tốc v1 Gặp a rơle So có điện và tự duy trì các tiếp điểm của nó đóng lại ở trạng thái sẵn sàng đợi lệnh mới. Kết thúc quá trình khoan một lỗ hai giai đoạn Chương III : Sơ dồ mạch lực – Lựa chọn thiết bị Mạch lực Công suất động cơ 2KW Điện áp định mức 220V Động cơ một chiều kích từ độc lập. Dòng điện định mức : Iđm = Pđm/Uđm = 2.103/220 =9,1 A Đối với động cơ công suất nhỏ thế này có thể sử dụng phương pháp mở máy trực tiếp không cần qua ddiện trở hàn chế. Đối với mạch bảo vệ ta có thể chọn phương án bảop vệ cầu chì đơn giản và rẻ tiền. Khi đảo chiều thực hiện hãm ngược bằng tất cả các điện trở tham gia trong mạch phần ứng theo nguyên tắc dòng điện bởi rơle dòng điện cực đại RH. Sơ đồ nguyên lí mạch lực , mạch lực như hình bên : Lựa chọn thiết bị Phần tử chấp hành Dòng điện định mức Iđm = 9,1 A Khi mở máy dòng điện Imm < 2,5. Iđm . Dòng cực đại khi mở máy là : Imm = 2,5.Iđm =2,5 . 9,1 =22,7 (A) Ta có thể chọn công tắc tơ có các thông số thoả mãn Loại Dòng điện Số lượng tiếp điểm Uđm CS cuộn dây Kích thước Iđm Imax Thường mở Thường đóng Kế1-0021 15 60 2 220 10 200x128 Chọn 4 công tắc tơ như trên cho các công tắc tơ X, L, V1, V2. Từ công suất cuộn hút có thể tính được dòng qua cuộn hút : Ih = P/U =10/220 = 0,05 (A) Phần tử điều khiển Từ dòng cuộn hút ta có thể chọn được các rơle trung gian có tiếp điểm thoả mãn. Chọn rơle trung gian : Loại Dòng điện Số lượng tiếp điểm Uđm CS cuộn hút Kích thước Thường mở Thường đóng RH101 5 4 4 220 2 92x128 Các thiết bị bảo vệ Bảo vệ bằng cầu chì ta chọn cầu chì : Động lực Điều khiển Mạch động lực Kiểu cầu chì Dòng đm dây chảy Dòng cắt giới hạn Điện áp định mức Kích thước chung A B C H ế H 15 8000 220 91 16 25 Cầu chì kiểu ống nên khi đứt rất an toàn. Mạch điều khiển Kiểu cầu chì Dòng đm dây chảy Dòng cắt giới hạn Điện áp định mức Kích thước chung A B C H ế H 6 1200 220 91 16 25 Chọn rơle dòng điện cực đại Bảng đấu dây có thể lập như sau : STT Tên thiết bị Điểm nối 1 Đầu nối động lực ĐL 1 – 1RH 1 – 2 – X1 2 – 3 – X2 3 – 4 – L1 4 – 5 – L2 5 – 6 – V1 6 – 7 – V2 7 – 8 – N+ 8 – 9 – N- 9 – STT Tên thiết bị Điểm nối 2 Đầu nối điều khiển ĐK 1 – A 1 – 1So 2 – A 3 – B 3 – 1ĐK 4 – B 4 – 5 – C 5 – 3ĐK 6 – C 6 – 7 – D 7 – 5ĐK 8 – D 8 – 9 – m 9 – 10 – m 10 – 11 – D 11 – 12 – D 12 – 6ĐK 13 – g 13 – 14 – g 14 – STT Tên thiết bị Điểm nối 3 Cầu dao CD 1 – N+ 1’ – 2 – 2’ – 4 Cầu chì động lực 1CC 1 – 1’CD 1’ – 5 Cầu chì điều khiển 2CC 1 – 2’CD 1’ – 6 Rơle hãm RH 1 – 1’ – 1’.1CC 2 – 2’ – 7 Rơle trung gian So 1 – 1’-2CC 2 – 2’.CD 4 – 4.X STT Tên thiết bị Điểm nối 7 Rơle trung gian So 5 – 10ĐK 8 – 8X 9 – 9ĐK 15 – 9So 26 – 8 Rơle trung gian X 1 – 2ĐK 2 – 2So 5 – 5So 6 – 6L 8 – 8L 17 – 5ĐK 26 – 26So 27 – 27V2 28 – 28P 9 Rơle trung gian V1 1 – 1So 2 – 1X 6 – 6L 8 – 8X 10 – 10V2 STT Tên thiết bị Điểm nối 9 Rơle trung gian V1 12 – 12So 16 –16L 18 – 6ĐK 20 – 20P 22 – 4ĐK 24 – 24X 26 – 26X 10 Rơle trung gian V2 1 – 1ĐK 2 – 2V1 12 – 12So 12 – 12V2 14 – 14L 16 – 16V1 19 – 19X 25 – 8ĐK 11 Rơle trung gian L 1 – 1V2 2 – 2V2 3 – 11L 5 – 10ĐK STT Tên thiết bị Điểm nối 11 Rơle trung gian L 11 – 11P 11’ – 21L 16 – 16P 21 – 2ĐK 23 – 23P 24 – 24X 28 – 28So 12 Nút ấn g 1 – 13ĐK 2 – 14ĐK 13 Nút mở máy m 7 – 9ĐK 9 – 14 Công tắc tơ X 2 – 2P 32 – 32X 15 Công tắc tơ V1 2 – 2P 34 – 34V1 16 Công tắc tơ V2 2 – 2X 36 – 36V2 17 Công tắc tơ L 2 – V2 38 – 38L Tài liệu tham khảo PGS - TS Nguyễn Trọng Thuần - Điều khiển logic và ứng dụng Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 2000. Trịnh Đình Đề, Võ Trí An - Điều khiển tự động truyền động điện Nhà xuất bản Đại học và Trung học chuyên nghiệp, Hà Nội 1986. Nguyễn Xuân Phú, Tô Đằng - Sử dụng và sửa chữa khí cụ điện hạ áp Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 1998. Các CD-ROM catalogue tra cứu thiết bị khí nén và điện của các hãng OMRON, FESTO, MITSUBISHI. Bản dịch: Cẩm nang Kỹ thuật điện Tự động hoá và Tin học Công nghiệp Người dịch: PGS - TS Lê Văn Doanh Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 1999. Lewin, D. - Logical design of switching circuits Nhà xuất bản MacMillan, 1986.