ĐỀ CƯƠNG SƠ BỘ
Đồ án môn học: Trang bị điện - điện tử máy công nghiệp dùng chung
Tên đề tài: “ Nghiên cứu khái quát về máy cắt Gas - Ôxy. Thiết kế điều khiển.”
Chương 1. Khái quát về công nghệ máy cắt gas - ôxy
1.1. Giới thiệu về máy cắt gas - oxi
1.2. Phân loại và yêu cầu công nghệ
Chương 2. Thiết kế hệ thống điều khiển cho thiết bị cắt gas - ôxy
2.1. Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển máy cắt gas - ôxy
2.2. Thuật toán điều khiển hệ thống cắt kim loại bằng khí ôxy

Chương 3. Mô phỏng chương trình điều khiển trên PLC S7 200
3.1. Đầu vào, ra của hệ thống
3.2. Kết quả mô phỏng và nhận xét
Hải Phòng, ngày tháng năm 2014
Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thực hiện

CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT VỀ CÔNG NGHỆ MÁY CẮT GAS – ÔXY
1.1. Giới thiệu về các loại máy cắt kim loại
Mỗi công nghệ ra đời đều nhằm đáp ứng một số các nhu cầu nhất định.
Theo thời gian các công nghệ cắt ngày càng hoàn thiện hơn. Tuy nhiên, mỗi
công nghệ đều có những ưu và nhược điểm riêng. Vì vậy, tùy theo từng nhu cầu
cụ thể mà chọn các công nghệ cắt khác nhau. Sau đây tìm hiểu về lịch sử và ưu
nhược điểm của 03 công nghệ cắt là cắt Gas Oxy, cắt Plasma và cắt Laser.
Cắt kim loại dùng máy cắt Gas Oxy là một quá trình đốt cháy kim loại
bằng dòng khí oxy ở nhiệt độ cao, tạo thành các oxide sắt (FeO, Fe
2
O
3
, Fe
3
O

Cắt Laser: Năm 1917 nhà vật lý Albert Einstein đã đưa ra giả thuyết về tia
laser khi ông mô tả lý thuyết phát xạ kích thích. Đến năm 1940 một số kỹ sư đã
áp dụng lý thuyết này trong nghành khai thác năng lượng. Mãi đến năm 1960 tia
laser làm việc đầu tiên được mô tả là "một giải pháp cho một vấn đề." Đó là
trong thời gian ngắn, và với một số tư duy sáng tạo, phẩm chất của laser đặc biệt
đã được tìm thấy có nhiều ứng dụng. Dùng sức mạnh của tia laser để tạo ra
chùm tia rất hẹp, mãnh liệt của ánh sáng gần vùng hồng ngoại theo một định
hướng duy nhất đã tạo ra một năng lượng rất lớn có thể được dùng để cắt
kimloại có độ dày < 12mm và các vật liệu khác như nhựa, gỗ, kính
Hình 1.4. Hình ảnh thực tế của máy cắt laser.
Dưới đây là bảng so sánh 03 công nghệ cắt trên:
Bảng 1: So sánh 3 công nghệ cắt kim loại bằng gas – oxi, plasma, laser
1.2. Đặc điểm và yêu cầu công nghệ cắt gas – oxi
1.2.1. Cấu tạo của máy cắt gas - oxi
Đây là phương pháp cắt gọt được sử dụng khá phổ biến trong các nhà
máy luyện thép và trong các phân xưởng cơ khí với mục đích là cắt nhỏ thép phế
để cho vào lò đối với nhà máy luyện thép và cắt nhỏ phôi theo kích thước sử
dụng đối với phân xưởng cơ khí.
Hàn và cắt kim loại bằng khí là phương pháp sử dụng nhiệt của ngọn lửa
sinh ra khi đốt cháy các chất khí cháy ( C
2
H
2
, CH
4
, C
6
H
6
v.v…) hoặc H

Bình điều chế khí dùng để điều chế axetylen từ đất đèn. Trong thực tế,
người ta dùng nhiều loại bình điều chế khí khác nhau, được phân loại theo các
đặc trưng cơ bản:
- Theo năng suất: có các loại nhỏ (dưới 3,2 m
3
/h) và loại lớn ( trên 5 m
3
/h).
- Theo áp lực khí: thấp (0,01 ÷ 0,1 atm), trung bình ( 0,1 ÷ 1,5 atm) cao (1,5 ÷
1,75 atm).
- Theo nguyên tắc tác dụng giữa đất đèn và nước : đá rơi vào nước (a), nước rơi
vào đá (b) và đá tiếp xúc với nước (c) như hình dưới đây – giới thiệu sơ đồ
nguyên lý của một số bình điều chế khí điển hình 1.6.
Hình 1.6 . Sơ đồ nguyên lý bình điều chế khí axetylen.
1. Nước; 2. Đất đèn (đá); 3. Nón cấp đất đèn; 4. Phễu cấp nước; 5. Van điều
chỉnh lượng nước; 6. Ống dẫn khí ra; 7. Ghi đỡ đất đèn.
Khóa bảo hiểm để tránh hiện tượng ngọn lửa cháy ngược theo ống dẫn khí
trở về bình điều chế khí gây nổ bình. Trong quá trình cắt ( hàn), do một nguyên
nhân nào đó lưu lượng khí phun ra ở mỏ hàn hoặc mỏ cắt giảm mạnh hoặc tốc
độ cháy của hỗn hợp tăng, dẫn đến tốc độ cháy của hỗn hợp lan truyền nhanh
hơn tốc độ đi ra của khí sẽ gây ra hiện tượng ngọn lửa quặt.
Sự giảm lưu lượng khí xảy ra khi tiết diện lỗ dẫn khí ở mỏ hàn hoặc mỏ
cắt giảm, ống dẫn bị tắc… Sự tăng tốc độ cháy xảy ra khi nhiệt độ khí và nhiệt
độ môi trường tăng, lượng oxy tăng…
Khóa bảo hiểm được phân loại theo các đặc trưng sau:
-Theo kết cấu: loại hở (a), loại kín (b).
-Theo lượng tiêu thụ khí: loại nhỏ, loại lớn.
Hình 1.7 . Sơ đồ nguyên lý khóa bảo hiểm.
1.Ống dẫn khí vào; 2. Ống dẫn khí ra; 3. Van điều chỉnh mức nước;
4. Ống thoát khí; 5. Van; 6. Van an toàn.

- Đường kính trong 9,5 mm, đường kính ngoài 17,5 mm.
- Đường kính trong 13 mm, đường kính ngoài 22 mm.
Mỏ cắt (hàn) là dụng cụ để pha trộn khí cháy và oxy, tạo thành hỗn hợp
cháy có tỉ lệ thành phần thích hợp để nhận được ngọn lửa hàn hoặc cắt theo yêu
cầu. Sơ đồ cấu tạo chung của nó được thể hiện trên hình dưới đây.
Khí axetylen được dẫn vào ống (1) đi qua van (3), còn oxy được dẫn vào
ống (2) sau đó phân làm hai nhánh, một dòng đi qua van (4) và tới miệng phun
hút khí axetylen và hòa trộn tạo ra hỗn hợp cháy để nhận được ngọn lửa nung
nóng, một dòng đi qua van (5) tới đầu mỏ phun để tạo ra dòng oxy cắt.
Hình 1.9. Sơ đồ nguyên lý cấu tảo của mỏ cắt khí.
1.Dây dẫn khí C
2
H
2
; 2. Dây dẫn khí oxy; 3. Van điều chỉnh C
2
H
2
;
4. Van điều chỉnh dòng oxy nung; 5. Van điều chỉnh oxy cắt;
6. Ống dẫn hỗn hợp khí cháy; 7. Ống dẫn oxi cắt.
1.2.2. Điều kiện cắt bằng khí
Để cắt bằng khí, kim loại cắt phải thỏa mãn một số yêu cầu sau:
- Nhiệt độ cháy của kim loại phỉa thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của kim loại đó.
Đối với thép cacbon thấp C < 0,7 % nhiệt độ cháy vào khoảng 1350
0
C còn nhiệt
độ chảy gần 1500
0
C nên thỏa mãn điều kiện này. Đối với các loại thép cacbon

Gang không thể cắt bắng khí vì nhiệt độ nóng chảy cao hơn nhiệt cháy và khi
cháy tạo ra oxit silic SiO
2
có độ sệt cao.
- Độ dẫn nhiệt của kim loại không quá cao, tránh sự tản nhiệt nhanh làm cho
mép cắt bị nung nóng kém làm gián đoạn quá trình cắt.
Đặc điểm cắt bằng khí cháy:
+Ưu điểm:
- Thiết bị đơn giản, dễ vận hành.
- Có thể cắt được kim loại có chiều dày lớn.
- Năng suất khá cao.
+Nhược điểm:
- Chỉ có thể cắt được kim loại thỏa mãn điều kiện cắt
- Vùng ảnh hưởng nhiệt lớn nên sau khi cắt chi tiết dễ bị cong vênh,biến
dạng,đặc biệt khi cắt các tấm dài
Phạm vi ứng dụng:
- Được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp đóng tàu ,chế tạo toa xe ,xây
dựng
- Cắt thép tấm ,phôi tròn và các dạng phôi khác
- Ngày nay được tự động hóa ,từ máy cắt tự động kiểu con rùa đến máy cắt điều
khiển số hay máy cắt gián CNC với nhiều mỏ cắt cùng một lúc,mang lại năng
suất và hiệu quả cao.
1.2.3. Kỹ thuật cắt khí
a. Bắt dầu cắt
Khi cắt phôi tấm theo đường cắt hở, bắt đầu cắt từ mép phôi. Với phôi
tấm dày dưới 50 mm, mỏ cắt đặt thẳng góc với mặt phẳng cắt (a) . Nếu chiều
dày phôi lớn hơn 50 mm, khi bắt đầu cắt nên nghiêng mỏ cắt một góc 5 ÷ 10
0
theo hướng cắt để nung nóng tốt mép cắt, sau đó đặt thẳng góc (b).
Khi cắt phôi tấm theo đường cắt kín, quá trình cắt bắt đầu ở giữa tấm, bởi

(c).
- Đối với phôi thép góc, mỏ cắt thường đặt vuông góc với mặt cắt, bắt đầu cắt từ
mép tới đỉnh đến mép tiếp theo (d).
Hình 1.11. Vị trí và sự di chuyển mỏ cắt.
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO
THIẾT BỊ CẮT GAS – ÔXY
2.1. Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển máy cắt gas – ôxy
2.1.1. Đặt vấn đề
Trước khi đưa ra cấu trúc của hệ thống điều khiển máy cắt, ta đi tìm hiểu
về nguyên lý hoạt động của nó và các yêu cầu công nghệ để thi công được một
phôi cụ thể như đã chỉ ra trong chương 1.
Cắt thép bằng khí gas và oxy là 1 phương pháp cắt gọt được sử dụng khá
phổ biến trong các nhà máy luyện thép và trong các phân xưởng cơ khí với mục
đích là cắt nhỏ thép phế để cho vào lò đối với nhà máy luyện thép và cắt nhỏ
phôi theo kích thước sử dụng đối với phân xưởng cơ khí. Trang thiết bị bao gồm
: bình oxy, bình ga (hoặc bình sản xuất khí axetylen), đường ống, đồng hồ đo áp
suất, van an toàn, mỏ cắt và một số chi tiết phụ. Phương pháp này phát huy hiệu
quả cao thể hiện ở tính cơ động của thiết bị, thiết bị có thể di chuyển đi các chỗ
làm việc khác nhau tùy vào đặc tính và vị trí của công việc. Bên cạnh đó
phương pháp cắt gọt này cũng gặp phải một vài nhược điểm: mạch cắt lớn và
không bằng phẳng , có thể gây cháy nổ do thiết bị hoặc do vật bị cắt gây nổ, vấn
đề về môi trường
Phương pháp cắt gọt này vẫn đang được sử dụng phổ biến trong các nhà máy
luyện thép và ở các phân xưởng nhỏ. 1 bình khí gas qua van an toàn nối tới 1 mỏ
cắt thông qua đường ống và có 1 bình khí oxy qua đồng hồ đo áp suất nối tới mỏ
cắt cũng thông qua ống nối.Tai mỏ hàn có 3 con vít điêu chỉnh; vít điều chỉnh
oxy, vít điều chỉnh khí gas,vít điều chỉnh hỗn hợp khí, trong quá trình cắt kim
loại người công nhân phải sử dụng thật linh hoạt các con vít điều chỉnh này và
việc điều chỉnh này dựa vào kinh nghiệm của người công nhân. Trong các phân
xưởng cắt gọt phôi tấm thì người ta sử dụng thiết bị là van giảm áp thay cho mỏ

việc nguy hiểm.Tuy nhiên việc trang bị thiết bị cho hệ thống tự động cũng chỉ
hợp lí khi tính toán kinh tế là có lợi hoặc do nhu cầu tự động hoá vì không thể
điều khiển bằng tay do tính chính xác của quá trình, lý do khác cũng có thể do
công nghệ đòi hỏi phải thực hiện trong môi trường độc hại hoặc dễ cháy nổ nguy
hiểm.
b. Một số thiết bị tự động thường dùng trong hệ truyền động máy nén khí
Bên cạnh một số khí cụ thường dùng trong hệ truyền động máy nén khí
như công tắc, nút bấm, rơle thời gian, rơle nhiệt độ và rơle áp suất, cầu chì,
aptomat, contactor, rơle hiệu áp dầu, rơle áp suất cao và thấp. Ta xét những thiết
bị cần thiết khác sau.
 Thiết bị thừa hành
o Van điện từ
Van điện từ là loại đóng mở nhờ lực của cuộn dây điện từ ( hay nam châm
điện ), van điện từ có thể là loại van chặn ( van 1 ngả ), hoặc van chuyển dòng
( nhiều ngả ).
- Van điện từ 1 ngả dùng để đóng mở tự động dòng chất lỏng hoặc chất khí từ
xa.
- Van điện từ nhiều ngả ( van chuyển dòng ) dùng để thay đổi tự động dòng chảy
chất lỏng hay khí.
Theo vị trí lá van khi tác động còn có thể chia ra van thường đóng hay van
thường mở. Van thường đóng là loại van đóng khi cuộn dây điện từ không có
điện và thường mở là loại van mở khi cuộn dây không có điện.
Hình 2.4. Van điện từ ( Solenoid Valves )
1 – Thân van; 2 – Đế van; 3 – Clopê; 4 – Ống dẫn hướng đồng thời là ống ngăn
cách khoang hút với bên ngoài; 5 – Lõi sắt; 6 – Lõi cố định; 7 – Vỏ; 8 – Cuộn
dây điện từ; 9 – Vít cố định vỏ; 10 – Vòng đoản mạch chống ồn;
11 – Dây tiếp điện; 12 – Mũ ốc nối vít; 13 – Lò xo
o Van thừa hành piot ( van chủ )
Van thừa hành piot gọi tắt là van chủ được sử dụng kết hợp với một van
điều khiển khác để thực hiện nhiều chức năng trong việc tự động hoá hệ thống.

9 – Đầu nối; 10 – Vạch chia
 Các dụng cụ tự động điều chỉnh báo hiệu – bảo vệ áp suất và hiệu áp suất
o Các phần tử cảm biến đàn hồi
Các phần tử cảm biến đàn hồi biến sự thay đổi áp suất hay sự chênh lệch
nhiệt của áp suất môi trường làm việc thành sự chuyển dịch cơ học. Các phần tử
cảm biến đàn hồi không những được sử dụng trong các dụng cụ điều chỉnh, báo
hiệu bảo vệ áp suất và cả trong các dụng cụ điều chỉnh, báo hiệu, bảo vệ nhiệt
độ.
Các phần tử cảm biến đàn hồi cũng được chia làm hai loại theo cấu tạo là
hộp xếp ( hay niphông ) và màng đàn hồi.
Hình 2.7. Các phần tử cảm biến đàn hồi.
a – Ống màng có vỏ hình song; b – Hộp xếp một đáy; c - Hộp xếp một đáy;
d – Màng phẳng đơn giản; e - Màng phẳng đơn giản
+ Màng phẳng đơn giản sử dụng cho các loại dụng cụ nhỏ và thường được sử
dụng khi sự dịch chuyển không đáng kể
+ Màng đàn hồi lượn sóng được sử dụng khi yêu cầu độ dãn nở lứn hơn, để làm
giảm độ cứng người ta dập các nếp sóng hình tròn đồng tâm với màng.
o Các dụng cụ điều chỉnh hai vị trí
Các rơle áp suất và rơle hiệu áp thuộc vào loại dụng cụ có đặc tính rơle
hay dụng cụ điều chỉnh hai vị trí. Rơle áp suất là dụng cụ chuyển đổi các tín hiệu
áp suất hoặc hiệu áp suất thành ra sự đóng ngắt (ON/OFF) của mạch điện …
* Rơle áp suất đơn
+ Rơle áp suất thấp :
Là dụng cụ hoạt động ở áp suất thấp và ngắt mạch điện của máy nén khi
áp suất giảm xuống quá mức cho phép để bảo vệ máy nén và đôi khi để điều
chỉnh công suất nén.
Hình 2.8. Nguyên tắc cấu tạo và hoạt động của rơle áp suất thấp
a- Nguyên tắc cấu tạo
b- Tiếp điểm ON – OFF (LP)
c- Tiếp điểm ON – OFF (HP)

khi áp suất cao vượt quá mức cho phép và khi áp suất thấp hạ xuống dưới mức
cho phép. Việc đóng điện lại cho máy nén khi áp suất giảm xuống và khi áp suất
tăng lểntong phạm vi an toàn cũng được thực hiện bằng tay với nút ấn reset
ngoài hoặc bằng tay đòn với tay đòn reset phía trong vỏ như đã nói ở trên.
* Rơle hiệu áp dầu
Rơle hiệu áp dầu dùng trong hệ thống máy nén khí chủ yếu để bảo vệ sự
bôi trơn hoàn hảo máy nén. Do áp suất trong khoang cácte máy nén luôn thay
đổi do đó một áp suất dầu không đổi nào đó không thể đảm bảo an toàn cho
việc bôi trơn máy nén, vì vậy hiệu áp suất ( hiệu áp dầu trừ áp suất cácte hay áp
suất P
0
) mới là đại lượng đánh giá chính xác chế độ bôi trơn yêu cầu của máy
nén , thường ∆P ≥ 0,7 bar
Vì khi khởi động máy nén, hiệu áp dầu không bằng 0 nên lúc này có bộ
phận nối tắt qua rơle, khoảng 45s sau khởi động, hiệu áp dầu được xác lập bộ
phận nối tắt sẽ ngắt mạch. Bộ nối tắt được điều khiển bằng rơle thời gian. Khi
làm việc, rơle hiệu áp dầu đóng mở chỉ phụ thuộc vào giá trị hiệu áp suất dầu từ
bơm trừ áp suất hút hay áp suất cácte mà hoàn toàn không phụ thuộc vào áp suất
cũng như áp suất cácte.
Hoạt động của rơle biến áp dầu : Nếu không có áp suất dầu khi khởi động
hoặc khi hiệu áp suất dầu giảm xuống dưới giá trị đặt khi vận hành thì máy nén
sẽ được ngắt dòng điện nguồn sau khi thời gian trễ trôi qua.
 Các dụng cụ tự động điều chỉnh báo hiệu, bảo vệ nhiệt độ và hiệu chỉnh
nhiệt độ
Các dụng cụ điều khiển, điều chỉnh, báo hiệu và bảo vệ nhiệt độ, giống
như áp suất cũng được trang bị các bộ biến đổi nhiệt độ. Nhờ các bộ biến đổi
này mà sự thay đổi nhiệt độ do các phần tử cảm biến nhiệt thu được biến đổi
thành các tín hiệu tương ứng như độ dịch chuyển cơ khí ( độ giãn nở của hộp
xếp thanh lưỡng kim hay màng đàn hồi ).
o Các bộ biến đổi nhiệt độ