1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP *** PHẠM TIẾN TOÀN NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HỆ THỐNG THỦY LỰC LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HOÁ THÁI NGUYÊN - 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP PHẠM TIẾN TỒN NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HỆ THỐNG THỦY LỰC Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HOÁ Mã số: 6052 0216 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT PHÒNG QUẢN LÝ ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC KHOA CHUYÊN MÔN TRƯỞNG KHOA THÁI NGUYÊN - 2013 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỞ ĐẦU Tên đề tài: “Nghiên cứu điều khiển tự động hệ thống thủy lực” Tổng quan Nước ta công cơng nghiệp hóa - đại hóa đất nước để bước bắt kịp phát triển nước khu vực giới Công nghiệp sản xuất hàng hóa đóng vai trò quan trọng việc phát triển kinh tế Việc ứng dụng tự động hóa lựa chọn tất yếu lĩnh vực nhằm tạo sản phẩm có chất lượng cao, tăng khả cạnh tranh mạnh mẽ thị trường Tự động hóa điều khiển hệ thống thủy lực phát triển mạnh mẽ nước công nghiệp phát triển, hệ thống thủy lực sử dụng để điều khiển thiết bị máy ép, rô bốt công nghiệp, máy CNC dây truyền sản xuất tự động… Ngày nay, công nghệ điện tử tin học ngày phát triển, góp phần nâng cao suất lao động cách đáng kể Đặc biệt điều khiển chương trình tích hợp cao đáp ứng hầu hết yêu cầu đề sản xuất đại với tốc độ sản xuất nhanh, chất lượng sản phẩm cao, phế phẩm, giá thành sản xuất hạ PLC điều khiển chương trình thế, dùng để thay thiết bị điều khiển cổ điển có tốc độ chậm xác Kỹ thuật điều khiển logic khả trình PLC (Programmable Logic Control) phát triển từ năm 1968 - 1970 Trong giai đoạn đầu thiết bị khả trình yêu cầu người sử dụng phải có kỹ thuật điện tử có trình độ cao Ngày thiết bị PLC phát triển mạnh mẽ có mức độ phổ cập cao Thiết bị điều khiển logic lập trình PLC dạng thiết bị điều khiển đặc biệt dựa vi xử lý, sử dụng nhớ lập trình để lưu trữ lệnh thực chức năng, chẳng hạn, cho phép tính logic, lập chuỗi, định giờ, đếm, thuật toán để điều khiển máy q trình cơng nghệ Vì đề tài “Nghiên cứu điều khiển tự động hệ thống thủy lực” có tính cấp thiết khả ứng dụng cao Ý nghĩa khoa học thực tiễn a) Ý nghĩa khoa học: - Đề tài giới thiệu tổng quan PLC điều khiển lập trình, từ xác định đối tượng nghiên cứu Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - Mô tả thiết kế bàn thí nghiệm phục vụ cho việc mơ giải tốn điều khiển tự động thủy lực - Sử dụng phần mềm điều khiển PLC tự động điều khiển thiết bị thủy lực, sau mơ trạng thái máy tính, mô hệ thống điều khiển b) Ý nghĩa thực tiễn: Khi đề tài hoàn thành tài liệu tham khảo giúp cán kỹ thuật nắm rõ làm chủ cơng nghệ q trình vận hành, giám sát khắc phục sửa chữa, lắp đặt… Trên mơ hình thực nghiệm, đề tài giúp cho học sinh sinh viên học trường nghề tham khảo vận dụng trình thực tập Đề tài nghiên cứu điều khiển tự động hệ thống thủy lực hồn tồn áp dụng nhà máy, công xưởng điều khiển máy cơng cụ, máy ép thủy lực Mục đích nghiên cứu Đề tài đặt mục tiêu nghiên cứu điều khiển tự động hệ thống thủy lực, nghiên cứu cấu trúc bàn thí nghiệm điều khiển thủy lực, thiết bị bàn thí nghiệm, thiết kế điều khiển hệ thống theo chu trình làm việc hệ thống thủy lực xác, gọn nhẹ Các mục tiêu cụ thể là: - Nghiên cứu 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 điều khiển PLC; Cấu hình phần cứng, vùng đối tượng, phận CPU chế độ làm việc; Nghiên cứu ngơn ngữ lập trình S7-200 phương pháp lập trình - Nghiên cứu thiết bị hệ thống thủy lực tự động hóa cảm biến áp suất, cơng tắc hành trình, van điều khiển thủy lực… Thiết kế sơ đồ nguyên lý điều khiển hệ thống sơ đồ lắp đặt PLC; Lập trình điều khiển tự động hệ thống theo chu trình - Tiến hành thử nghiệm để phân tích đưa kết đánh giá mức độ hoàn thiện khả phát triển, ứng dụng kết đạt vào thực tiễn Đối tượng nghiên cứu Lý thuyết tổng quan PLC điều khiển lập trình Mơ hình thực nghiệm hệ thống điện – thủy lực Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ NỘI DUNG Chương TỔNG QUAN VỀ PLC VÀ LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 1.1 PLC VÀ BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN 1.1.1 Giới thiệu chung PLC Trong kỹ thuật tự động điều khiển, điều khiển chia làm hai loại - Điều khiển nối cứng - Điều khiển logic khả trình (PLC) Một hệ thơng tao thành từ thành phần : - Khối vào - Khối xử lý - điều khiển - Khối Khèi vµo Bộ chuyển đổi tín hiệu đầu vào Khèi Khèi xư lý Xư lý ®iỊu khiĨn Cơ cấu tác động Hình 1.1: Các thành phần hƯ thèng ®iỊu khiĨn * Khối vào: Để chuyển đổi đại lượng vật lý thành tín hiệu điện, chuyển đổi nút ấn, cảm biến tuỳ thuộc theo chuyển đổi tín hiệu khỏi khối vào có dạng ON /OFF ( Binary) liên tục (analog) * Khối xử lý: Khối thay người vận hành thực thao tác đảm bảo q trình hoạt động Từ tín hiệu khối vào hệ thống điều khiển phải tạo tín hiệu cần thiết Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ để đáp ứng yêu cầu điều khiển xác định phần xử lý Tín hiệu điều khiển thực theo cách Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - Dùng mạch điện nối cứng - Dùng chương trình điều khiển * Khối ra: Tín hiệu kết q trình xử lý hệ điều khiển Các tín hiệu sử dụng để tạo ngững hoạt động đáp ứng cho thiết bị ngõ : Động điện, xy lanh, piston, van, rơle 1.1.2 Bài toán điều khiển giải toán điều khiển * Điều khiển nối cứng : - Là thiết bị nối cứng cố định với Toàn chức điều khiển, cách tiến hành chương trình xác định qua cách thức nối rơle, công tắc với theo sơ đồ thiết kế ON OFF K K § K Hình 1.2: Bộ điều khiển rơle * Điều khiển lập trình : Trong cơng nghiệp ngày đòi hỏi kỹ thuật điều khiển phải đáp ứng yêu cầu sau : - Dễ dàng thay đổi chức điều khiển dựa thiết bị cũ - Thiết bị điều khiển dễ dàng làm việc với liệu, số liệu - Kích thước vật lý gọn gàng, dễ bảo quản, dễ sửa chữa - Hoàn toàn tin cậy môi trường công nghiệp Từ yêu cầu lên điều khiển lập trình ngày phát triển ứng dụng rộng rãi Mà điển hình điều khiển logic khả trình PLC ( Programable Logic Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Contronller) loại thiết bị cho phép thực hiên linh hoạt thuật tốn thơng qua ngơn ngữ lập trình Cỉngvµo Input Chơng trình Bộ nhớ Cổng Output Hình 1.3: Bộ điều khiển logic khả trình 1.1.3 So sỏnh PLC với thiết bị điều khiển thông thường khác - Hiện hệ thống điều khiển PLC thay cho hệ thống điều khiển relay, contactor thông thường Ta so sánh ưu khuyết điểm hai hệ thống - Hệ thống điều khiển thơng thường: + Thơ kệch có nhiều dây dẫn relay bảng điều khiển + Tốn 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 phải lắp đặt lại tồn bộ, tốn nhiều thời gian + Khó bảo quản sửa chữa - Hệ thống điều khiển PLC: + Những dây kết nối hệ thống giảm đáng kể nên nhỏ gọn + Cơng suất tiêu thụ + Sự thay đổi ngõ vào điều khiển hệ thống trở nên dễ dàng nhờ phần mền điều khiển máy tính + Tốc độ hoạt đơng hệ thống nhanh + Độ bền độ tin cậy cao + Giá thành hệ thống giảm số tiếp điểm tăng + Có thiết bị chống nhiễu + Ngơn ngữ lập trình dễ hiểu + Dễ lập trình lập trình máy tính, thích hợp cho việc lập trình + Các mơ đun rời cho phép thay thêm vào cần thiết + Chương trình in giấy vài phút thuận tiện cho việc bảo trì + PLC có khả thêm hay thay đổi lệnh tuỳ theo yêu cầu công nghệ 1.1.4 Các ứng dụng PLC thực tế Do đặc điểm bật PLC điều khiển, nên ngày sử dụng rộng rãi xử lý giải pháp tự động hố cơng nghiệp 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 hệ thống dịch vụ: Trạm xăng, trạm rửa xe ôtô, máy bơm nước, máy bán nước tự động - Tự động hoá máy cơng cụ: Máy tiện, phay, máy ép, lò sấy, làm gạch 1.2 ĐẠI CƯƠNG VỀ LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 1.2.1 Cấu trúc PLC - Để thực chương trình điều khiển, tất nhiên PLC phải có chức máy tính, nghĩa phải có vi xử lý (CPU), điều hành, nhớ để lưu chương trình điều khiển, liệu PLC phải có cổng vào, để giao tiếp với đối tượng điều khiển để trao đổi thông tin với môi trường xung quanh - Trong PLC có nhiều thiết bị điều khiển phân biệt qua chức sau + Các cổng vào + Bít nhớ + Dung lượng nhớ + Các chức đặc biệt + Bộ đếm (couter) + Tốc độ xử lý + Bộ định thời (timer) + Loại xử lý chương trình - Các thiết bị điều khiển lớn lắp thành mô đun riêng thiết bị điều khiển nhỏ, chúng lắp đặt chung Các điều khiển có số lượng đầu vào cố định Cấu trúc PLC mơ tả hình vẽ sau : Bộ nhớ chơng trình Timer Bộ đệm Cổng vào Cổng ngắt đếm tốc độ cao Khối vi xử lý trung tâm + Hệ điều hành Bộ đếm Bit cờ Bus PLC Quản lý ghép nối Hình 1.4 : CÊu tróc cđa mét PLC - Thơng tin xử lý PLC lưu trữ nhớ Mỗi nhớ chứa Bước Biểu đồ trạng thái A B aA+ b0 c0 aA1 b0 c0 B+ a C+ a b0 c0 b1 c0 7=1 aC0 b1 c1 aB0 b1 c0 A+ a a1 b1 c1 C a0 b0 c0 0 b0 c0 Bước Thành lập hàm logic đơn giản bìa Karnaugh Từ biểu đồ trạng thái ta có: A+ = a0 b0 c0 A- = a1 b0 c0 B+ = a0 b0 c0 B- = a0 b1 c0 C+ = a0 b1 c0 C- = a0 b1 c1 Vì trạng thái A+ B+, B- C+ trùng đôi nên ta phải thêm vào biến nhớ phụ, hàm trở thành: A+ = a0 b0 c0.x\.y\ A- = a1 b0 c0.x.y\ B+ = a0 b0 c0.x.y\ B- = a0 b1 c0.x.y C+ = a0 b1 c0.x.y\ C- = a0 b1 c1.x.y X+ = a1 b0 c0.x\.y\ X- = a0 b1 c0.x.y\ Y+ = a0 b1 c1.x.y\ Y- = a0 b0 c0.x.y > bìa Karnaugh: ABC XY 000 x\y\ 001 011 010 110 111 101 X+ A+ X- xy\ xy 100 Y- C- x\y ABC 000 XY x\y\ xy\ xy 001 011 010 110 111 101 100 A+ A+ A- A- A- A- A- A- A- A- x\y ABC 000 XY x\y\ xy\ xy Đơn giản hàm B 001 011 010 110 B+ B+ B+ B- 101 100 B- BB+ 111 B+ B- x\y B+ =a0.x.y\ B- = b1.c0.y B- ABC XY 000 x\y\ xy\ xy Đơn giản hàm C 001 011 010 110 111 101 100 C- CC- C+ C- C- C+ = b1.y\ C+ C- C- = y C- x\y ABC XY 000 x\y\ xy\ xy Đơn giản hàm X 001 011 010 110 111 101 100 X+ XX+ X- X- X- X- X- X+ X- = b1 x\y ABC 000 XY Đơn giản hàm Y 001 011 010 x\y\ Y- xy\ Y- Y+ Y- Y- Y+- Y+ xy 110 111 101 100 YY- x\y Y+ =c1 Số hóa Trung tâm Học liệu X+ = a1 Y- = b0 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Bước 4: Sơ đồ logic Sơ đồ mạch lực Qui trình điều khiển Piston A+ A- B+ C+ C- B- Tiếp điểm Start a1 a0 b1 c1 b0 Cuộn dây Y1 Y2 Y3 Y5 Y6 Y4 Sơ đồ mạch điện điều khiển 3.2.4 Chương trình PLC: 3.2.4.1 Sơ đồ chức năng: Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3.2.4.2 Xác định I/O: INPUT OUTPUT I 0 : START Q 0 : K1 I : a0 Q : K2 I : a1 Q : K3 I : b0 Q : K4 I : b1 Q : K5 I : c0 Q : K6 I : c1 3.2.4.3 Chương trình điều khiển: * Symbol Table Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ * Program Block 51 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 52 3.3 Chương trình mơ phỏng: 3.3.1 Mơ mạch điện điều khiển - Sử dụng phần mềm Festo Fluisim Hình 3.1: Màn hình chương trình Festo Fluisim Để mô phỏng, ta bấm nút Start  dụng cụ, sau bấm nút START Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 53 3.3.2 Mô điều khiển thủy lực PLC * Bước 1: Mở Chương trình Step MicroWin - Mở file toan - Chọn: File \ Export > Xuất hộp thoại  đặt tên VD: Bai 5.awl Hình 3.2: Màn hình chương trình Step MicroWin * Bước 2: Mở chương trình PLC S7 – 200 - Chọn File \Load Program > Accept Tìm mở file Bai 5.awl lưu chương trình Step MicroWin Hình 3.3: Màn hình chương trình PLC S7 – 200 - Ấn nút  Interchange Input/Output hình Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 54 * Bước 3: Mở chương trình PC - SIMU - Màn hình PC SIMU mở ra, Chọn Open, chọn file thiết kế sẵn (VD: Mo phong xi lanh.sim) - Ấn nút  Simulaci dụng cụ, ấn nút  Play > chương trình sẵn sàng - Ấn nút Star (màu xanh) chương trình mơ thực theo ý đồ lập trình (theo chu trình định sẵn) Các pít tơng di chuyển theo trình tự lặp lặp lại, đến ta ấn nút Stop (màu đỏ) bảng điều khiển, chương trình thực dừng khẩn cấp, pít tơng vị trí phải hồi vị trí ban đầu Hình 3.4: Màn hình chương trình PC - SIMU Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 55 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Nội dung nghiên cứu đề tài nghiên cứu điều khiển tự động hệ thống thủy lực Từ việc nghiên cứu tổng quan hệ thống điều khiển thủy lực ứng dụng PLC điều khiển, sâu nghiên cứu đối tượng cụ thể mơ hình thí nghiệm điều khiển thủy lực Qua trình tìm hiểu thực tế cho thấy, nhiều dây truyền điều khiển thiết bị thủy lực không tự động hóa tự động phần Như vậy, việc vận hành phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm người thợ, dẫn đến ảnh hưởng đến suất, chất lượng giá thành sản phẩm Đề tài nghiên cứu thiết bị liên quan đến điều khiển điện thủy lực, mô tả thiết kế quy trình làm việc hệ thống điều khiển thủy lực Đề tài nghiên cứu điều khiển tự động hệ thống thủy lực mô phỏng, thực nghiệm thành công Đặc biệt nghiên cứu hệ thống lập trình cho hệ thống hoạt động theo chu trình định sẵn Hiện thị trường có nhiều thiết bị điều khiển thủy lực, nhiên sử dụng, sửa chữa, lắp đặt giá thành đắt Đặc biệt hồ sơ thiết bị có hướng dấn sử dụng nên người quản lý kỹ thuật khó nắm chất q trình điều khiển nên khơng thể chủ động vận hành sửa chữa Bản thuyết minh sở khoa học để cán bộ, người quản lý khai thác sử dụng hiệu hệ thống điều khiển tự động hệ thống thủy lực Kiến nghị Do điều kiện thời gian nghiên cứu hạn chế, nên kết nghiên cứu dừng lại phần mềm chuyên dụng thực nghiệm mơ hình giả định Nếu thực nghiệm mơ hình khác hệ thống hồn tồn đưa vào áp dụng thực tế Có thể điều khiển hồn tồn tự động hệ thống điều khiển dùng thủy lực nhằm giảm nhân lực, tăng suất lao động, giảm giá thành sản phẩm Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 56 Đề nghị tiếp tục nghiên cứu điều khiển tự động hệ thống thủy lực áp dụng PLC hệ thống dây truyền sản xuất nhằm bổ sung thêm lý luận điều khiển nói chung điều khiển hệ thống thủy lực nói riêng Trên tồn thuyết minh lận văn thạc sỹ kỹ thuật tác giả Trong q trình phân tích, thiết kế, trình bày khơng tránh khỏi thiết sót, tác giả mong tiếp tục nhận thơng cảm, giúp đỡ, đóng góp ý kiến q thầy bạn bè, đồng nghiệp Xin chân thành cảm ơn! Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Doãn Phước – Phan Xuân Minh, “Tự động hóa với Simantic S7-200”, Nhà xuất Nơng nghiệp, 1997 [2] Nguyễn Doãn Phước – Phan Xuân Minh – Vũ Vân Hà, “Tự động hóa với Simantic S7-300”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2006 [3] Trần Xuân Tùy, “Hệ thống điều khiển tự động thủy lực”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2002 [4] Đinh Bá Trụ - Nguyễn Trường An, “Máy ép thủy lực”, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Hà Nội, 2005 [5] http://automation.net.vn/ Tiếng Anh [6] “Automation with Micro PLC SIMATIC S7-200” Siemens, Germany [7] D Merkle, B.Schrader, M Thomes “HYDRAUL.LEHRB”, Festo Didactic GmbH & Co KG, 73770 Denkendorf/Germany, 2003 [8] www.festo.com/didactic Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ... tiêu cụ thể là: - Nghiên cứu 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 điều khiển PLC; Cấu hình... điều khiển tự động hệ thống thủy lực hồn tồn áp dụng nhà máy, công xưởng điều khiển máy cơng cụ, máy ép thủy lực Mục đích nghiên cứu Đề tài đặt mục tiêu nghiên cứu điều khiển tự động hệ thống thủy. .. động hệ thống thủy lực, nghiên cứu cấu trúc bàn thí nghiệm điều khiển thủy lực, thiết bị bàn thí nghiệm, thiết kế điều khiển hệ thống theo chu trình làm việc hệ thống thủy lực xác, gọn nhẹ Các