MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ
DANH MỤC BẢNG
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp nước ta,
các hệ thống thủy lực-điện ngày càng được ứng dụng sâu rộng. Các hệ thống
thủy lực-điện được ứng dụng cả trong quân sự cũng như dân sự nhờ những ưu
điểm của nó so với hệ thống điện tử, cơ khí hay thủy lực đơn thuần. Hệ thống
thủy lực-điện có thể truyền động được công suất cao, sinh lực lớn, cơ cấu đơn
giản với độ tin cậy cao, đòi hỏi ít về chăm sóc, bảo dưỡng. Đặc biệt, trong
những bài toán yêu cầu điều khiển chính xác vị trí, thì sử dụng hệ thống thủy lực
là ưu việt hơn so với hệ động cơ hay khí nén.
Mục đích của đồ án “Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển bám vị trí
của xi-lanh thủy lực theo thuật toán PID sử dụng PLC S7-200” là để tìm hiểu rõ
hơn ưu điểm của hệ thống thủy lực trong công nghiệp, thiết kế hệ thống thủy lực
điều khiển bám vị trí cho xi-lanh thủy lực sử dụng bộ điều khiển là PLC S7-200.
Để hoàn thành đồ án đúng với tiến độ, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc
tới thầy giáo Thượng úy Nguyễn Mạnh Hùng và các thầy cô trong bộ môn Tự
động và kỹ thuật tính đã tận tình giúp đỡ em trong suốt quá trình hoàn thiện đồ
án. Em xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên, giúp đỡ em về mặt tinh thần
trong thời gian thực hiện đồ án này.
Với khả năng và kinh nghiệm còn hạn chế, đồ án không tránh khỏi những
sai sót trong quá trình thực hiện. Em mong nhận được sự đóng góp ý kiến nhiệt
tình từ các thầy cô và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô !
Hà Nội, ngày 17 tháng 04 năm 2014
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Minh Vũ
5
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THỦY LỰC

điều chỉnh, xử lý. Hình 1.2 mô tả hệ thống điều khiển tốc độ động cơ thủy lực.
Hình 1.2. Hệ thống điều khiển vòng hở điều khiển tốc độ động cơ thủy lực
1.1.4. Điều khiển vòng kín (hồi tiếp)
Hệ thống điều khiển vòng kín là hệ thống mà tín hiệu đầu ra được phản
hồi để so sánh với tín hiệu đầu vào. Độ chênh lệch của 2 tín hiệu vào/ra được
gửi tới thiết bị điều khiển, thiết bị này tạo ra tín hiệu điều khiển tác dụng lên đối
tượng điều khiển sao cho giá trị thực luôn đạt được chất lượng điều khiển mong
muốn. Hình 1.3 minh họa hệ thống điều khiển vị trí của cán xi-lanh thủy lực sử
dụng điều khiển vòng kín.
7
Hình 1.3. Minh họa hệ thống điều khiển vòng kín vị trí xi-lanh thủy lực
1.2. Hệ thống điều khiển vị trí cơ cấu chấp hành thủy lực
Điều khiển vị trí là di chuyển cơ cấu chấp hành đến một vị trí nào đó theo
yêu cầu. Nếu là xi-lanh thủy lực thì vị trí là hành trình dịch chuyển của cán xi-
lanh, nếu là động cơ thủy lực thì vị trí là góc quay động cơ. Tùy theo yêu cầu mà
cán xi-lanh hoặc động cơ thủy lực có thể truyền đến hệ truyền động cơ khí nào
đó như vít me, bánh răng, thanh răng…
Cơ cấu chấp hành trong các bài toán điều khiển vị trí thường là xi-lanh
thủy lực. Hệ thống điều khiển bám vị trí cho xi-lanh thủy lực là một trong những
ứng dụng quan trọng trong phạm vi các ứng dụng của các hệ thống thủy lực.
Hệ thống điều khiển vị trí cơ cấu chấp hành thủy lực thường là hệ thống
điều khiển vòng kín, có sử dụng cảm biến phải hồi vị trí tới phần xử lý thông tin.
Hình 1.3 minh họa 1 hệ thống thống điều khiển vòng kín vị trí xi-lanh
thủy lực điển hình.
Van phân phối thủy lực thường sử dụng loại van 3 vị trí. Ứng với 3 vị trí
điều khiển của van thì xi-lanh chuyển động theo chiều thuận, đảo chiều hoặc dừng.
1.3. Ưu, nhược điểm của hệ thống điều khiển thủy lực
a) Ưu điểm
- Truyền động được công suất cao và sinh lực lớn nhờ các cơ cấu tương đối đơn
giản, hoạt động với độ tin cậy cao, đòi hỏi ít về chăm sóc, bảo dưỡng.

9
Hệ thống cầu dẫn đưa khách lên máy bay
Máy uốn ống
Đóng gói sản phẩm
Máy ép đế giày
1.5 Phương án thiết kế hệ thống điều khiển bám vị trí của xi-lanh thủy lực
Xuất phát từ những ưu điểm và khả năng ứng dụng rộng rãi của hệ thống
thủy lực nói chung, tính cấp thiết và yêu cầu cần điều khiển chính xác của hệ
thống thủy lực bám vị trí nói riêng, cùng với sự phổ biến của PLC trong công
nghiệp em đã chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển bám vị trí
của xi-lanh thủy lực theo thuật toán PID sử dụng PLC S7-200”.
Trong bài toán này, PLC đưa ra tín hiệu điều khiển van thủy lực, van thủy
lực phân phối dầu thủy lực tới xi-lanh thủy lực tạo chuyển động tiến, lùi cho cán
xi-lanh. Một cảm biến vị trí được gắn dọc trục xi-lanh đưa tín hiệu phản hồi tới
PLC để đọc vị trí cán xi-lanh, sau đó đưa ra tín hiệu điều khiển phù hợp.
Van thủy lực sử dụng trong hệ thống có thể sử dụng 2 loại van:
- Van on/off.
10
- Van tỉ lệ.
Nếu so sánh với các van đóng mở thông thường (on/off) ta có thể nhận
thấy sự khác nhau cơ bản giữa các van tỉ lệ và van đóng mở thông thường là quá
trình làm việc của cơ cấu điện từ.
Van tỉ lệ có tín hiệu vào cuộn dây điện từ có thể thay đổi tuyến tính. Do
đó, lưu lượng dầu qua van cũng thay đổi tuyến tính.
Van on/off thông thường có tín hiệu dòng điện điều khiển là xung hình thang.
Với van on/off thông thường thì có độ trễ giữa dòng điện áp vào, quãng
đường dịch chuyển của con trượt và lưu lượng.
Trong thực tế, các hệ thống thủy lực tỉ lệ là một phần quan trọng được
ứng dụng nhiều trong kĩ thuật hiện đại. Van tỉ lệ là một thành phần trong các hệ
thống thủy lực, đem lại nhiều ứng dụng thực tế trong công nghiệp. Một lợi thế

điều khiển trên Matlab/Simulink.
- Lập trình điều khiển cho PLC có sử dụng thuật toán PID.
- Viết phần mềm SCADA trên phần mềm Visual Studio, ngôn ngữ C#.
- Thiết kế giao diện điều khiển giám sát cho HMI Beijer.
1.6. Kết luận chương I
Trong chương I, em đã trình bày tổng quan về hệ thống thủy lực nói
chung, hệ thống điều khiển vị trí cơ cấp chấp hành thủy lực, ưu nhược điểm của
các hệ thống điều khiển thủy lực, từ đó đưa ra phương án thiết kế cho hệ thống
điều khiển bám vị trí của xi-lanh thủy lực.
Các kiến thức trình bày trong chương I là cơ sở để thiết kế phần động lực
cũng như phần điều khiển ở các chương sau.
12
CHƯƠNG II
THIẾT KẾ PHẦN ĐỘNG LỰC HỆ THỐNG THỦY LỰC
ĐIỀU KHIỂN BÁM VỊ TRÍ
2.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống
Thiết kế xây dựng phần động lực cho hệ thống điều khiển 3 xi-lanh thủy
lực giống nhau, do đó chỉ cần trình bày thiết kế mô hình động lực cho 1 xi-lanh.
Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống thủy lực điều khiển bám vị trí
13
Bảng 2.1. Bảng kí hiệu các phần tử thủy lực trong hệ thống
2.2. Các phần tử thủy lực trong hệ thống
- Trạm nguồn: gồm những thành phần sau: bơm, động cơ, bộ lọc, bể dầu và
đường ống. Trạm nguồn có nhiệm vụ cung cấp dầu thủy lực có áp suất tính toán
ổn định với lưu lượng và tải làm việc. Yêu cầu kĩ thuật đối với trạm nguồn là
phải đạt được các thông số áp suất và lưu lượng mong muốn, sau đó là các thông
số phụ như tính ổn định nhiệt, rung, sóc và tiếng ồn…
Hình 2.2. Bơm JP10 sử dụng trong hệ thống
14
Chỉ tiêu quan trọng của một trạm nguồn là áp suất và lưu lượng phải đạt

- Cylinder rod: Cán xi-lanh
- Gland: Cổ xi-lanh
- Pin eye / Clevis: Tai ghép
- Port: Đường dầu cấp vào/ra xi-lanh
- Piston seal, Rod seal, Wear ring, O-ring, Wiper : Bộ gioăng phớt làm kín.
2.3.2 Các thông số làm việc của xi-lanh
3 thông số quan trọng nhất của một xi-lanh thủy lực là:
- Đường kín lòng xi-lanh (Bore) – D;
- Đường kính cán (rod) – d ;
- Hành trình làm việc (stroke) tức là khoảng chạy của cán xi-lanh – S.
D và d biểu thị kích cỡ và khả năng tạo lực đẩy/ kéo cho xi-lanh.
S biểu thị chiều dài và tầm với, khoảng làm việc của xi-lanh.
16
2.3.3 Phân loại xi-lanh thủy lực
Các xi-lanh thủy lực thường được phân làm 2 nhóm cơ bản:
- xi-lanh tác động đơn (một chiều)
- xi-lanh tác động kép (hai chiều)
- Xi-lanh tác động đơn:
Xi-lanh tác động đơn chỉ tạo ra lực đẩy 1 phía, thường là phía có cần xi-
lanh, nhờ cấp dầu thủy lực tạo ra áp suất phía đuôi xi-lanh. Cán xi-lanh sẽ tự hồi
nhờ tác dụng lực của bên ngoài hoặc lực kéo của lò xo bên trong. Điều dễ nhận
biết nhất đối với xi-lanh tác động đơn là nó chỉ có duy nhất 1 cửa cấp dầu.
Hình 2.6. Xi-lanh thủy lực tác động đơn
- Xi-lanh tác động kép:
Xi-lanh tác động kép có thể tạo ra lực đẩy ở cả 2 phía.
Hình 2.7. Xi-lanh thủy lực tác động kép
Các xi-lanh cũng có thể phân chia theo kiểu xếp cán xi-lanh:
Xi-lanh cán đơn 1 tầng hoặc xi-lanh nhiều tầng (telescopic).
- Xi-lanh cán đơn:
Xi-lanh cán đơn là có cán xi-lanh được gắn chặt, cùng chuyển động với

trong hệ thống. Để làm được điều đó mà không cần ngừng hoạt động của nguồn
cấp (máy bơm), người ta sử dụng van phân phối. Như vậy chức năng chính của
van phân phối là thay đổi hướng di chuyển của dòng chất lỏng qua đó thực hiện
mục tiêu điều khiển hệ truyền dẫn. Kích thước và khối lượng của van phân phối
tỉ lệ thuận với lưu lượng chất lỏng đi qua nó.
Hình 2.9. Van phân phối
a) Cấu tạo
Hình 2.10. Van phân phối. Sơ đồ (a) – Kí hiệu (b)
Trong hình vẽ , phần tử điều khiển là một ống trụ trượt 1 có các vành gờ.
Bề mặt tiếp xúc của các vành gờ này được gia công nhẵn và có thể trượt tương
đối với vỏ 2. Phụ thuộc vào số cửa trên vỏ 2 (cũng chính là số ống nối với van)
mà ống trượt có thể có 1, 2 hoặc nhiều vành gờ (Hình 2.10.a). Kí hiệu van phân
phối cần thể hiện được số ống nối tới van, số vị trí làm việc, phương pháp điều
khiển van, liên kết giữa các ống ở từng vị trí làm việc. Mỗi vị trí làm việc được
thể hiện bằng 1 hình vuông. Như vậy số vị trí làm việc của van tương ứng với số
hình vuông kí hiệu van đó (Hình 2.10.b). Dựa vào số lượng ống nối, và vị trí
19
làm việc của van người ta đưa ra cách gọi tên các loại van phân phối.“Van phân
phối x/y”.
Trong đó: x – số lượng cửa (tương ứng là số lượng ống nối tới van)
y – số trạng thái (số vị trí làm việc) của van.
b) Nguyên lý hoạt động
Hình 2.11. Nguyên lý hoạt động van phân phối
Tại vị trí ban đầu của van (Hình 2.11a) tất cả các nhánh (ống) nối với van
van A, B, P, T đều bị khóa và xi-lanh đứng yên. Khi con trượt dưới tác động của
tín hiệu điều khiển bị đẩy sang trái (Hình 2.11b) nhánh A và P, B và T được nối
với nhau. Chất lỏng đi từ máy bơm qua cửa P, A đi vào xi-lanh sinh ra lực đẩy,
chất lỏng ở khoang cán đi qua cửa B, T đi về thùng chứa, cán xi-lanh được đẩy
ra. Khi con trượt dưới tác động của tín hiệu điều khiển bị kéo sang phải (Hình
2.11c) nhánh A và T, P và B thông nhau. Chất lỏng đi từ máy bơm đổ vào

tỉ lệ, bộ chuyển đổi vị trí cảm ứng, lõi van và lò xo.
Lõi van được giữ ở vị trí trung gian nhờ các lò xo khi cuộn dây không
được kích hoạt. Lõi van hoạt động trực tiếp theo cuộn dây tỉ lệ. Khi cuộn dây
bên phải có dòng điện chạy qua, sẽ đẩy lõi van sang trái và ngược lại. Độ trượt
của lõi phụ thuộc điện áp cấp cho cuộn dây.
2.5. Tính chọn thiết bị trong hệ thống thủy lực
2.5.1. Tính chọn xi-lanh thủy lực
Trong phạm vi bài toán, các thông số thực tế của xi-lanh về khối lượng,
áp suất, hành trình, vận tốc được yêu cầu như sau:
Khối lượng xi-lanh M = 3 [kg] ;
Áp suất tại cửa dầu xi-lanh P = 150 [bar];
Hành trình làm việc của cán xi-lanh: S = 0.8 [m];
Vận tốc dầu qua cửa dầu xi-lanh: v = 0.366 [m/s].
Từ những yêu cầu trên ta tính chọn các thông số cho xi-lanh thủy lực.
a) Chọn đường kính piston
Ta có:
PfM .=
với
f
là diện tích mặt piston [2.1]
22
4
.
2
pt
D
P
M
f
π

[2.4]
Vì P = 119,4 < 150 bar nên ta chọn đường kính piston theo tiêu chuẩn của
hãng Atos.
Vì D
pt
= 40 [mm] ta có d
c
= 25 [mm].
c) Bề dày quả piston
Ta có bề dày của quả piston được tính theo công thức:
(0,5 0,8). (0,5 0,8).40 (20 32) [ ]
pt
t D mm
= ÷ = ÷ = ÷
[2.5]
Ta chọn bề dày của quả piston là t = 20 [mm].
d) Tính chọn xi-lanh
Xác định chiều dày của thành xi-lanh:
Chiều dày của thành xi-lanh được tính theo công thức sau:
PeKY
PD
pt
2)./.20(
.
−
=
δ
[2.6]
Trong đó:
-

Theo tiêu chuẩn chọn
4[ ]mm
δ
=
.
e) Xác định chiều dài thành xi-lanh
Với hành trình của xi-lanh là S = 800mm và chiều dày của quả piston là
t=20mm nên chiều dài phần hoạt động của xi-lanh là:
800 20 820[ ].l S t mm
= + = + =
[2.8]
Thông số xi-lanh sử dụng trong hệ thống:
Bảng 2.2. Thông số xi-lanh sử dụng trong hệ thống
Chi tiết Kí hiệu Giá trị Đơn vị
Đường kính thân ống xi-lanh D 40 [mm]
Đường kính cán xi-lanh d 25 [mm]
Áp suất làm việc P 119.4 [bar]
Bề dày quả piston t 20 [mm]
Bề dày thành xi-lanh
δ
4 [mm]
Hành trình piston S 800 [mm]
Chiều dài phần hoạt động xi-lanh L 820 [mm]
Hệ số an toàn K 2
Hệ số ông làm xi-lanh E 1
Ứng suất
σ
520 [N/mm
2
]

[2.9]
b) Lưu lượng dầu trong hệ thống
1,2. 1,2.27,58 33,1[ / ];
HT
Q Q l ph
= = =

[2.10]
3
27,58
1,2. 1,2. 1,2.0,00046 [ / ].
1000.60
HT
Q Q m s= = =
Đường kính của đường ống được xác định theo công thức:
24
[ ]
v
Q
d
HT
do
.
.4
π
=
[2.11]
Từ đó thay các giá trị vận tốc dầu cho phép trong các đường ống vào ta có
đường kính của đường ống hút (hoặc xả) và đường ống có áp lần lượt là:


c) Kiểm nghiệm độ dày đường ống
Chiều dày của thành ống được xác định theo công thức sau:
1
).21.(
).21.(
.
2
−
+−
−+
=
µσ
µσ
δ
P
P
d
o
[2.14]
Trong đó:
-
δ
: độ dày đường ống [mm];
- d: đường kính trong của ống dẫn [mm];
- σ: ứng suất [N/mm
2
];
- µ: hệ số Poison của vật liệu làm ống.
Với ống làm bằng thép có σ = 520 [N/mm
2

Hệ số Reynol:
ν
dv.
Re =
Hệ số Reynol là một giá trị không thứ nguyên biểu thị độ lớn tương đối giữa
ảnh hưởng gây bởi lực quán tính và lực ma sát trong (tính nhớt) lên dòng chảy.
Chiều dài đường ống từ bơm nguồn đến xi-lanh là l = 5 [m].
Đường kính đường ống d
ô
= 20 [mm].
Và vận tốc dầu trong đường ống là v = 4 [m/s] nên ta có:
2500
10.32
10.20.4
Re
6
3
==
−
−
[2.16]
Hệ số tổn thất dọc đường được xác định theo công thức:
0447,0
)2500(
316,0
Re
316,0
4/14/1
===
λ

p
g d
bar
γ λ ξ
⇒ ∆ = +
= + =
[2.19]
Vậy áp suất của bơm là: P = 119.4 + 1.6 = 121 [bar].
Lưu lượng của bơm là: Q
B
= Q
HT
= 36.17 [l/ph].
Động cơ điện để dẫn động cho bơm nguồn có số vòng quay lớn nhất là: