Thiết kế hệ thống điều khiển cho máy đóng hộp tự động

mở đầu Sự phát triển kinh tế của mỗi quốc gia phụ thuộc rất nhiều vào mức độ cơ giới hoá và tự động hoá các quá trình sản xuất. Với vai trò là mũi nhọn của kỹ thuật hiện đại, lĩnh vực tự động hoá đang phát triển với tốc độ ngày càng cao. Những thành tựu của lý thuyết Điều khiển tự động, Tin học công nghiệp, Điện tử công suất, Kỹ thuật đo lường.... đã và đang được triển khai trên quy mô rộng lớn, tạo nên những thiết bị và dây chuyền công nghiệp sản xuất tự động với năng suất cao và chất lượng tốt. Trong quá trình sản xuất, việc tự động hoá một dây chuyền sản xuất đóng vai trò rất quan trọng. Nó là cầu nối giữa các hạng mục sản xuất, giữa các phân xưởng trong nhà máy, giữa các máy công tác trong một dây chuyền. Việc điều khiển hoạt động của các dây chuyền hiện đại, tiên tiến cũng ngày càng đa dạng và phức tạp. Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nhiệp chế biến, các dây chuyền sản xuất trong ngành này ngày càng hiện đại hoá và tự động hoá cao. Các quá trình từ sản xuất chế biến đến đóng gói sản phẩm được tự động hoá. Trong chương trình học môn Điều khiển logic, với mục đích giúp cho mỗi sinh viên chúng em làm quen với việc thực hiện xây dựng một hệ thống điều khiển tự động cho một quá trình thiết bị trong thực tế,em được thầy giáo giao cho thiết kế Hệ THốNG ĐIềU KHIểN CHO MáY đóng hộp tự động theo phương pháp Hàm tác động sử dụng các thiết bị điện khí nén. Phương pháp thiết kế hệ thống bằng Hàm tác động là công cụ rất hữu ích để thiết kế và thực hiện đầy đủ các yêu cầu của hệ tự động hoá máy đóng hộp tự động Trong quá trình thiết kế, với sự giúp đỡ của các thầy giáo, cô giáo trong Bộ môn và của các bạn, công với sự nỗ lực của bản thân, em đã hoàn thành được bản đồ án này. tuy nhiên, do thời gian tương đối ngắn và trình độ chuyên môn còn hạn chế nên bản đồ án không tránh khỏi thiếu sót. Em mong nhận được sự góp ý của các thầy cô giáo và các bạn để bản đồ án này được hoàn thiện hơn. Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo Nguyễn Hồng Quang và các giáo viên trong bộ môn Tự Động Hoá đã giúp em hoàn thành đồ án này Mục lục Chương I: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống máy đóng hộp tự động 3 I, Quá trình công nghệ của máy đóng hộp tự động 3 II, Lựa chọn công nghệ: 3 III, Xây dựng hàm điều khiển cho các biến 4 w Các phương pháp tổng hợp mạch logic 4 w Giới thiệu về phương pháp hàm tác động 4 w Hoạt động của hệ thống 6 IV, Khả năng sự cố và bảo vệ hệ thống 7 V, Sơ đồ nguyên lý 7 VI, Hoạt động của sơ đồ 10 ChươngII: Tính chọn các thiết bị của hệ thống 11 1, Chọn van phân phối 2, Chọn xilanh 3, Chọn Rơle 4, Chọn công tắc hành trình 5, Chọn cầu dao đóng cắt 6, Chọn cầu chì 7, Chọn nút ấn Chương III: Bảng đấu dây 14 I, Các nguyên tắc lắp đặt thiết bị 14 II, Sơ đồ lắp ráp mạch 14 III, Bảng đấu dây 16 Tài liệu tham khảo 18 Chương I: sơ đồ nguyên lí của hệ thống máy đóng hộp tự động I, Quá trình công nghệ của máy đóng hộp tự động : Hình 1:Sơ đồ máy đóng hộp tự động Hoạt động của máy đóng hộp tự động khởi đầu bằng chuyển động đi vào của xilanh A đẩy hộp rỗng đi vào vị trí đế của cân định lượng. Tại đây hệ thống van được điều khiển mở van để sản phẩm theo đường ống lớn chảy vào trong hộp.Cùng lúc đó xi lanh A chuyển động trở lại vị trí ban đầu. Khi lượng sản phẩm trong hộp đạt đến 80-90% thì thực hiện đóng van trên và mở một van khác để sản phẩm đi theo đường ống nhỏ chảy vào hộp với tốc độ chậm hơn. Khi hộp đã được đổ đầy sản phẩm thì xi lanh B chuyển động từ trong ra ngoài thực hiện đẩy hộp ra băng chuyền đang quay. Sau đó xi lanh B trở về vị trí ban đầu và xi lanh A chuyển động đi vào thực hiện chu trình tiếp theo. II, Lựa chọn công nghệ: * Chọn 2 xi lanh A và B là 2 xilanh điều khiển bằng van khí nén điều khiển 2 chiều . * Cân định lượng có các cảm biến có thể xác định sự có mặt của hộp d1, xác định thời điểm để đóng đường ống lớn mở đường ống nhỏ d2 và xác định thời điểm đầy hộp d3 * Tại đầu cuối pítông A đặt công tắc hành trình a0 để xác định chuyển động của A * Để xác định hộp đưa vào đã hết hay chưa ta dùng công tắc hành trình f đặt dưới chồng hộp rỗng. * Tại đầu cuối pítông B đặt công tắc hành trình b0 , b1 để xác định chuyển động của B * Các phần tử điều khiển là các phần tử điện khí nén .Ta sử dụng 2 van phân phối không tự phục hồi điều khiển xi lanh A và B Ta gọi: Khi pitông A chuyển động đẩy hộp rỗng vào là A+, chuyển động di ra ngược lại là A-. Khi pitông B chuyển động để đẩy hộp đầy ra băng tải là B+, chuyển động ngược lại là B-. Các van mở đường ống lớn và đường ống nhỏ là C+ và E+ Như vậy,hệ thống có các biến đầu vào là a0,b0 ,b1,f,d1,d2,d3 nhằm điều khiển các biến ra A+ ,A- ,B+,B-,C+,E+ III,Xây dựng hàm điều khiển cho các biến: & Các phương pháp tổng hợp mạch logíc tuần tự: F Phương pháp ma trận trạng thái F Phương pháp hàm tác động F Phươngpháp phân tầng Phương pháp GRAFCET & Giới thiệu về phương pháp hàm tác động : Thông thường các sự kiện xảy ra trong thời gian nối tiếp nhau do đó các sự kiện có thể mô tả dưới dạng hàm tác động dạng dưới đây: F = A+X-Y+B-X+Z-B+Y+C-Z+A+... Và chúng ta có thể mô tả hoạt động này như sau: Sự xuất hiện của tín hiệu A làm cho X hoạt động ,X hoạt động sẽ làm mất tín hiệu Y. B xuất hiện sẽ làm ngừng hoạt động tín hiệu X ... Trong hàm tác động ta thường kí hiệu các tín hiệu vào là A,B,C...và các biến điều khiển ta thường kí hiệu là X,Y,Z... Đối với các biến vào các dấu cộng (+) hoặc trừ (-) đứng trước các kí hiệu của A,B,C là chỉ rõ các tín hiệu đó được xuất hiện hay mất đi do các yếu tố bên ngoài (có thể do công nghệ ).Những tín hiệu nào chỉ xuất hiện một dấu (+) như biến A trong ví dụ trên thì dược hiểu rằng tín hiệu đó là tín hiệu xung chỉ xuất hiện trong quá trình làm việc rất ngắn ví như khi ta ấn vào nút ấn rồi thả ra .Còn những tín hiệu có cả dấu cộng (+) và dấu trừ (-) đứng trước thì tín hiệu đó là tín hiệu thế . Tương tự vậy với các dối tượng điều khiển (X,Y,Z,...) nếu có dấu cộng đứng trước thí chỉ rõ phần tử đó được đưa và hoạt động nhờ sự hoạt động hay sự mất đi của các biến trước nó .Ví dụ +X có nghĩa là phần tử X được đưa vào hoạt động nhờ có sự hoạt động của phần tử trước đó là biến A. Ký hiệu -Y chỉ rõ Y ngừng hoạt động là do X hoạt động ... Có trường hợp một biến có thể gây nên việc chuyển động đồng thời của các trạng thái của hai phần tử hoặc phần tử .Ví dụ : A(+X,-Y)-Z... Chúng ta hiểu như sau : Biến và A xuất hiện cho X và Y cùng chuyển trạng thái và sự chuyển trạng thái này làm cho biến trạng thái Z này ngừng hoạt động. Dưới đây ta nêu một số bước tiến hành tổng hợp sơ đồ kép loại này a) Tìm chu kỳ hoạt động của các phần tử của đối tượng điều khiển. Mỗi chu kì hoạt động gồm một giai đoạn đóng và một giai đoạn cắt . b) Xác định tín hiệu vào là tín hiệu xung hay tín hiệu thế c) Xác định hàm lôgíc điều khiển biến đầu ra d) Kiểm tra biểu thức thu được để khi cần phải bổ sung theo biến trung gian e) Xác định hàm điều khiển biến phụ Vì phương pháp mô tả công nghệ thiết kế dưới dạng hàm tác động thuận tiện cho người thiết kế nên cần nhấn mạnh một điểm về công tác kiểm tra Kiểm tra hàm đóng fđ của phần tử thường xảy ra các trường hợp: F Nếu fđ không thay đổi giá trị trong quá trình đóng của phần tử thì biểu thức fđ lập được đã thỏa mãn yêu cầu của hàm . F Nếu fđ thay đổi giá trị trong giai đoạn đóng của phàn tử thì cần phải thì cần phải thêm một biến phụ p1 Khi đó hàm đóng mới có tác dụng fđ’ = fđ +p1 Trong trường hợp xét thấy hành vi điều khiển và trạng thái điều khiển của hệ giống như hành vi của toán tử xảy ra thì có thể dùng biến ra làm biến phụ. Đối với hàm cắt ,khi kiểm tra cũng xảy ra hai trường hợp F Nếu fc không thay đổi giá trị trong giai đoạn đóng của phần tử thì fc thu được đã thỏa mãn. F Nếu fc thu được thay đổi giá trị trong giai đoạn đóng của phần tử thì hàm fc phải cần thêm một biến phụ p2 .Khi đó fc’= fc.p2 Kiểm tra tính đúng đắn của hàm thu được trong mỗi chu kỳ hoạt động của phần tử thu được bằng cách triển khai các biểu thức lôgic thành các dạng biểu diễn tuyển chuẩn . Nếu trong trường hợp thấy số hạng nào (hội cơ bản )có giá trị một khi chưa đưa tín hiệu vào và trái với công nghệ thì khi đó phải đưa thêm biến phụ p3 vào số hạng đó. Tính đúng đắn của hàm phải thỏa mãn mọi chu khì phần tử Việc kiểm tra cần phải được tiến hành cho mọi hàm lôgic của mọi phần tử đầu ra cũng như của biến trung gian. & Hàm tác động của hệ thống: F=(+a0+b0+f-B-)+A+(+d1-A+)(+A-+C+)+a0-A-(+d2-C+)+E+(+d3- E+) +B+(+b1-B+)+B-+b0- B-(+a0+b0+f-B-)+A+… v Xác định hàm điều khiển cho các biến ra: @ Hàm điều khiển của A+: Do tín hiệu a0 ,b0 là tín hiệu dạng xung chỉ tồn tại trong thời gian ngắn nên cần hiệu chỉnh hàm đóng Vậy hàm điều khiển của A+ là @ Hàm điều khiển của A-: Do có thể d1 bị mất trước khi chuyển động A- được hoàn thành nên cần hiệu chỉnh hàm đóng: Vậy hàm điều khiển của A- là: @ Hàm điều khiển của C+: Trong giai đoạn thực hiện chuyển động C+ thì hàm đóng và cắt luôn thoã mãn. Vậy hàm điều khiển của C+ là: @ Hàm điều khiển của E+: Hàm cắt và đóng đều thoả mãn nên @ Hàm điều khiển của B+: Ta thấy tín hiệu d3 không tồn tại suốt quá trình chuyển động B+ nên cần hiệu chỉnh hàm đóng : Vậy hàm điều khiển của B+ là: @ Hàm điều khiển của B-: Ta thấy tín hiệu b1 là tín hiệu xung nên cần hiệu chỉnh hàm đóng : Vậy hàm điều khiển của B- là: IV, Các khả năng sự cố và việc bảo vệ hệ thống Trong bài toán này sẽ có khả năng sự cố là khi hệ thống đang hoạt động thì xảy ra trường hợp mất điện . Khi đó để bảo đảm chất luợng sản phẩm ta phải ngắt nguồn khí và đến khi có điện ta phải RESET lại toàn hệ thống để hệ thống bắt đầu hoạt động lại từ đầu .Để làm được điều đó ta phải có thêm một nút ấn RS để thực hiện RESET Khi bấm nút RS thì toàn bộ các Rơle A- B- hoạt động đồng thời các Rơle A+, B+, C+ ,E+ sẽ ngừng hoạt động .Và hệ thực hiện chuyển động A- , B- hệ sẽ trở về trạng thái ban đầu. V, Sơ đồ nguyên lý: Mạch điều khiển và mạch nối các van được cấp bởi nguồn điện xoay chiều 1 pha 220V. Để mạch hoạt động được tốt hơn ta bố trí thêm 2 nút ấn M và D để điều khiển việc bắt đầu hoạt động hay kết thúc hoạt động của hệ thống. Khi ấn nút M thì hệ thống bắt đầu hoạt động và muốn dừng hệ thống ta ấn nút D. Sau khi dừng thì muốn tiếp tục cho hệ thống hoạt động thì lại ấn nút M và ấn nút RS để reset lại hệ thống để thiết lập lại trạng thái ban dầu Hình 2: Mạch điều khiển Hình 3: Sơ đồ mạch lực VI,Hoạt động của sơ đồ: Cấp điện cho hệ thống. Sơ đồ bắt đầu hoạt động khi ấn nút M lúc đó công tắc hành trình a0 bị đè lên nên cấp điện cuộn hút của rơle A+ làm cho bắt đầu thực hiện chuyển động đi vào A+ đẩy hộp rỗng vào . Khi có tín hiệu d1 báo hiệu hộp đã nằm ở vị trí yêu cầu tiếp điểm thường đóng d1 làm ngắt điện cung cấp cho cuộn hút A+ chuyển động A+ kết thúc. Tín hiệu d1 này đóng công tắc thường mở của d1 làm đóng điện cung cấp điện cho cuộn hút rơ le A- và C+. Xi lanh A thực hiện chuyển động lùi về vị trí ban đầu cho đến khi tiếp xúc vào công tắc hành trình a0 và trong khi đó tiếp điểm thưòng mở C+ đóng lại làm van của ống lớn mở ra cho sản phẩm chảy vào hộp. Đến thời điểm có tín hiệu của d2 báo hiệu hộp sắp đầy thì công tắc thường đóng d2 mở ra và công tắc thường mở d2 đóng lại làm cho cuộn hút rơle C+ mất điện và cuộn hút rơle E+ có điện làm cho van của ống lớn khoá lại mở van đường ống nhỏ. Đến khi có tín hiệu d3 báo hiệu hộp đã đầy thì công tắc thường đóng d3 mở ra và công tắc thường mở d3 đóng lại làm cho cuộn hút rơ le E+ mất điện và cuộn hút rơle B+ có điện thực hiện khoá nốt van của đường ống nhỏ và xi lanh B+ chuyển động đi ra đẩy hộp đầy đi ra băng tải đang quay. Khi xi lanh chuyển động tác động lên công tắc hành trình b1 thì côngtắc thường đóng b1 mở ra và công tắc thường mở b1 đóng lại làm cho cuộn hút rơle B+ mất điện và cuộn hút rơle B- có điện xi lanh B chuyển động đi vào B- đến khi tiếp xúc vào đầu của công tắc hành trình b0 thì dừng lại thì lúc đó cuộn hút rơle A+ có điện xi lanh A lại thực hiện đi vào bắt đầu một chu trình tiếp theo. Quá trình đóng hộp kết thúc khi hết hộp rỗng tín hiệu công tắc hành trình ngắt điện cung cấp cho cuộn hút công tắc tơ A+. Trong quá trình hoạt động nếu có sự cố mất điện nếu muốn cho hệ thống hoạt động trở lại ta ấn nút M rồi ấn nút reset RS để các pít tông trở về vị trí ban đầu rồi thực hiện chu kì hoạt động bình thường. Hệ thống dừng lại khi hết hộp rỗng hoặc khi ta ấn nút D. Chương II: tính chọn các thiết bị hệ thống 1, Chọn van phân phối: Chọn 2 van phân phối cho xilanh A và B là loại 4V120-M5 (5/2) của hãng AIR TAC có thông số như sau: Phạm vi áp suất 1.5á8.0 kgf/cm2 áp suất cực đại có thể chịu được 12.0kgf/cm2 Phạm vi nhiệt độ làm việc -5 á60 0C Thông số điện AC 220V±22V 3VA Tần số lớn nhất 5 Hz Kích thước 200´40´50 2, Chọn xi lanh: Chọn xilanh A và B là loại xi lanh SUDS của hãng AIR TAC có các thông số sau: Phạm vi áp suất 1.0á9.0 kgf/cm2 áp suất chịu đựng lớn nhất 13,5 kgf/cm2 Phạm vi nhiệt độ làm việc -5 á70 0C Pham vi tốc độ 50á500mm/s Kích thước 200´50´70 3, Chọn rơle : *Các rơle A -, B +,B- , C +, E + là loại rơle vạn năng MY của OMRON có các thông số sau: Số tiếp điểm 1 thường đóng 1 thường mở Thông số điện của tiếp điểm 5A, 220 VAC Dòng chuyển mạch lớn nhất 5A Thông số cuộn hút 240VAC 0,9á1,2 VA Tuổi thọ (số lần đóng cắt) 500´103 Kích thước 21,5´28´36 Rơle RA là loại rơle vạn năng MK-I của hãng OMRON có các thông số sau: Số tiếp điểm 1 thường đóng 1 thường mở Thông số điện của tiếp điểm 10A, 220 VAC Dòng chuyển mạch lớn nhất 10A Thông số cuộn hút 240VAC 2,3 VA Tuổi thọ (số lần đóng cắt) 100´103 Kích thước 34,5´34,5´52,5 Các rơle A + là loại rơle vạn năng MY của hãng OMRON có các thông số sau: Số tiếp điểm 2 thường đóng 2 thường mở Thông số điện của tiếp điểm 5A, 220 VAC Dòng chuyển mạch lớn nhất 5A Thông số cuộn hút 240VAC 0,9á1,2 VA Tuổi thọ (số lần đóng cắt) 500´103 Kích thước 21,5´28´36 4, Chọn công tắc hành trình: Các công tắc hành trình a0 , b0, b1 , d2 , d1 ,d3, f là loại công tắc HL-5000 của hãng OMRON có các thông số sau: Các định mức tiếp điểm 5A-250VAC Phạm vi lực tác động 150á200gf Tuổi thọ về điện 600.104 lần Kích thước đầu tiếp xúc 50´24 Kích thước công tắc hành trình 33´34´82,4 5, Chọn các cầu dao đóng cắt : Với các thông số dòng điện và điện áp đã chọn ở trên ta chọn cầu dao loại : ký hiệu PO-3 do Liên xô cũ sản xuất có các thông số Uđm=500V; Kích thước: 80x50x75; Chương III: Bảng đấu dây I. Các nguyên tắc lắp đặt thiết bị Các thiết bị động lực để truyền động cơ cấu sản xuất cùng với các công tắc hành trình, các nút ấn điều khiển phải được bố trí trực tiếp trên cơ cấu sản xuất. Việc bố trí các thiết bị điều khiển trên tủ điện dựa vào các nguyên tắc sau: & Nguyên tắc nhiệt độ: Các thiết bị toả nhiệt lớn khi làm việc phải để ở phía trên, các thiết bị có chịu ảnh hưởng lớn về nhiệt độ cần phải đặt xa các nguồn sinh nhiệt & Nguyên tắc trọng lượng: Các thiết bị nặng phải đặt dưới thấp để tăng cường độ vững chắc của bảng điện, giảm nhẹ các điều kiện để cố định chúng. & Nguyên tắc nối dây tiện lợi: Đường nối dây ngắn nhất và ít chồng chéo nhau. Dựa vào các nguyên tắc trên, kết hợp với những yêu cầu đặc biệt trong từng trường hợp cụ thể, tiến hành bố trí thiết bị trên panel. Khi bố trí thiết bị cần bố trí thành từng nhóm riêng biệt để tiện việc kiểm tra, sửa chữa... Các phần tử trong một nhóm phải bố trí gần nhau nhất sao cho dây nối giữa chúng là ngắn nhất. Giữa các nhóm khác nhau phải bố trí sao cho thuận tiện cho việc tiến hành lắp đặt, sửa chữa, hiệu chỉnh. Các thiết bị dễ hỏng, các thiết bị cần điều chỉnh phải để nơi dễ dàng thay thế, điều chỉnh, sửa chữa. Bảng vẽ bố trí phải vẽ theo một tỷ lệ xích tiêu chuẩn trong đó phải ghi rõ các kích thước hình chiếu của thiết bị, các kích thước lỗ định vị trên tấm lắp, các kích thước tương quan giữa chúng cũng như kích thước ngoài của tấm lắp. Các phần tử tiếp điểm rơle, côngtắctơ ... được vẽ trên sơ đồ lắp ráp thành những hình chữ nhật với tỷ lệ xích đã chọn trên đó thể hiện các cuộn dây, các tiếp điểm chính, tiếp điểm phụ kèm theo số các cực nối của chúng trùng với số trên sơ đồ nguyên lý. II. Sơ đồ lắp ráp : Trên cơ sở đã lựa chọn cụ thể vị trí lắp đặt và chọn cụ thể các thiết bị điều khiển và bảo vệ, ta có thể xây dựng bản vẽ bố trí thiết bị trên tấm lắp có khai triển đến các cực nối dây như sơ đồ sau: Hình 3.1: Sơ đồ mạch lắp ráp III. Bảng đấu dây Cầu dao A-2ĐN 0-2ĐN 101-1CC 102-1CC Cầu chì 1CC 101- 102- 111-A(1) 112-A- Cầu chì 2CC 101-CD 102-CD 1-1ĐN 2-A+ Van phân phối A 111- A(2)-A(1) 126-A- 125-A+ 129-4ĐN 130-4ĐN 132-4ĐN Van phân phối B B(1)-A(2) B(2)-B(1) 124-B- 123-B+ 127-4ĐN 128-4ĐN 131-4ĐN Rơle A+ 2- 17-1ĐN 125- 111-A- 7-RA 13-B- 19-A- 21-1ĐN 25-1ĐN 27-1ĐN Rơle A- 2-A+ 23-1ĐN 111- 126- 7-RA 19-1ĐN Rơle B- 2-A- 47-1ĐN 124- 111-A+ 13-1ĐN 15-1ĐN 43-B+ 7-A- Rơle B+ 2-B- 41-3ĐN 111-B- 123- 37-E+ 7-B- 45-3ĐN 43-3ĐN Rơle C+ 2-B+ 29-3ĐN 122-2ĐN 111-B+ 31-3ĐN 33-3ĐN Rơle E+ 2-C+ 35-3ĐN 121-2ĐN 111-C+ 37-3ĐN 39-3ĐN Rơle RA 7-5(RA) 3-3ĐN 2-E+ 5-3ĐN Tài liệu tham khảo: 1, Điều khiển tự động truyền động điện Tập 1-Trịnh Đình Đề-Võ trí An 2, Sửa chữa và sử dụng khí cụ điện hạ áp - Tô Đằng-Phạm Xuân Phú 3,Catalog của hãng OMRON,AIRTAC về thiết bị điện khí nén