Môc lôc
5.1. Kh¸i niÖm
7.3. BiÓu diÔn phÇn tö logic cña khÝ nÐn 37
Danh mục các chữ viết tắt
TT Chữ viết tắt GiảI nghĩa
1 OR
Hoặc
2 And
Và
3 Not
Phủ định
4 Nand (Not and)
Phủ định của Và
5
NOR (Not or) Phủ định của hoặc
6 XOR (EXCLUSIVE-OR)
Loại trừ-hoặc
7
PLC (Programmable Logic Controller) Thiết bị điều khiển logic lập trình đợc
8
CPU (Pentral Procesing Unit) Khối sử lý trung tâm
9
X Tín hiệu vào PLC
10
Y Tín hiệu điều khiển
11
M Vùng nhớ phụ
12
STL (Step Ladder) Sơ đồ hình thang
13
V DC (Voltage-Direct current) Điện áp một chiều

là một nhu cầu rất cần thiết.
Mục đích là nghiên cứu về bộ điều khiển logic khả trình và ứng dụng để
điều khiển hệ thống Pistong Xylanh khí nén trên mô hình.
Nội dung đồ án gồm các chơng:
Chơng 1: Tổng quan về Khí nén và thiết bị khí nén.
Trong chơng này sẽ tìm hiểu về Lịch sử hình thành và phát triển, các u nh-
ợc điểm, các ứng dụng và các loại máy nén khí thông dụng đang đợc sử dụng
rộng rãi, các phần tử trong hệ thống khí nén nh là các loại van, các cơ cấu chấp
hành nh: Pistong-Xylanh.
Chơng 2: Tổng quan về Động cơ một chiều.
Chơng này giới thiệu về u, nhợc điểm của động cơ 1 chiều so với động cơ
xoay chiều. Nguyên lý hoạt động, cấu tạo phần tĩnh, phần động của động cơ 1
chiều, một số động cơ một chiều thông dụng trên thị trờng.
1
Chơng 3: Bộ điều khiển logic khả trình PLC
Chơng này nghiên cứu về cấu trúc, hoạt động, u điểm ứng dụng của bộ điều
khiển logic khả trình. Trong chơng này cũng giới thiệu về bộ điều khiển logic
khả trình PLC nói chung và bộ PLC: Fx2N-64MR của Mitsubishi đợc sử dụng
trong đồ án, phơng thức hoạt động và phơng pháp lập trình.
Chơng 4: ứng dụng PLC để điều khiển và thiết kế cụm xylanh khí nén.
Chơng này đã nghiên cứu và xây dựng đợc sơ đồ mạch điện ghép nối vào ra
với thiết bị logic khả trình PLC, mà cụ thể là sử dụng bộ CPU của hãng
Mitsubishi làm bộ xử lý trung tâm. Từ sơ đồ mạch điện này ta xây dựng đợc các
lu đồ thuật toán để điều khiển hệ thống Pistong - Xylanh khí nén trên mô hình
thực tế.
Chơng 5: Kết quả và bàn luận
Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo, GS.TS.
Nguyễn Doãn ý Bộ môn Máy và Dụng cụ Công nghiệp - Trờng Đại học Bách
Khoa - Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong quá trình làm đồ án.
Hà nội, ngày 10 tháng 09 năm

2.1. Theo áp suất
- Máy nén khí áp suất thấp p 15 bar
- Máy nén khí áp suất cao p 15 bar
- Máy nén khí áp suất rất cao p 300 bar
2.2. Theo nguyên lý hoạt động
Máy nén khí theo nguyên lý thay đổi thể tích: máy nén khí kiểu pittông,
máy nén khí kiểu cách gạt, máy nén khí kiểu trục vít. Máy nén khí kiểu tuabin:
máy nén khí ly tâm và máy nén khí theo chiều trục.
Máy nén khí kiểu Pisston
Máy nén khí kiểu cánh gạt
Máy nén khí kiểu root
Hình 2.1a Các loại máy nén khí.
3
Hình 2.1b máy nén khí kiểu trục vít.
+Máy nén khí tuabin: máy nén khí li tâm (Hình 2.2a) và máy nén khí theo
chiều trục (Hình 2.2b).
Hình 2.2 Máy nén khí tuabin
a. Máy nén khí li tâm
b. Máy nén khí chiều trục
3. Thiết bị xử lí khí nén.
3.1. Yêu cầu về khí nén
Khí nén đợc tạo ra từ những máy nén khí chứa đựng nhiều chất bẩn, độ bẩn
có thể ở những mức khác nhau. Chất bẩn bao gồm bụi, độ ẩm không khí đợc hút
vào, những phần tử nhỏ chất cặn bã của dầu bôi trơn và truyền động cơ khí. Hơn
nữa trong quá trình nén, nhiệt độ không khí tăng lên, có thể gây nên quá trình oxy
hóa một số phần tử đợc kể trên. Nh vậy khí nén bao gồm chất bẩn

đó đợc tải đi
trong ống dẫn khí, sẽ gây nên sự ăn mòn, gỉ trong ống và trong các phần tử của hệ
thống điều khiển. Nh vậy khí nén đợc sử dụng trong kĩ thuật phải xử lí. Mức độ xử

Hệ thống thiết bị phân phối khí nén có nhiệm vụ chuyển không khí nén từ
máy nén khí đến khâu cuối cùng để sử dụng, ví dụ nh động cơ khí nén, máy ép
5
Giai đoạn xử lí khí nén
Lọc thô
Sấy khô Lọc tinh
Làm lạnh
Tách n ớc Ng ng tụ Hấp thụ Bộ lọc Cụm bảo d ỡng
Lọc chất bẩn
Lọc bụi
Sấy khô bằng
chất làm lạnh
Hấp thụ khô bằng
chất làm lạnh
Bộ lọc
Điều chỉnh áp suất
Bộ tra dầu
dùng không khí nén, máy nâng dùng không khí nén, máy rung dùng không khí
nén, dụng cụ cầm tay dùng không khí nén và hệ thống điều khiển bằng không
khí nén (cơ cấu chấp hành, các phần tử điều khiển ).
Truyền tải không khí nén đợc thực hiện bằng hệ thống ống dẫn khí nén, cần
phân biệt ở đây mạng đờng ống đợc lắp ráp cố định (nh trong nhà máy) và mạng
đờng ống lắp ráp trong từng thiết bị, trong từng máy (hình 4.1).
Bình trích
chứa trung gian
Máy nén khí
Bình trích
chứa chính
Độ nghiêng đ ờng ống 1-2%
Bình trích chứa

để tăng tuổi thọ làm việc cho các cơ cấu dẫn động và các van của hệ thống.
b.
c.
Đồng hồ đo áp suất
(áp kế)
Đ ờng khí nén vào
Đ ờng khí nén ra
a.
Hình 4.2: Các loại bình trích áp khí nén
a. Loại bình trích áp thẳng đứng
b. Loại bình trích áp nằm ngang
c. Loại bình trích áp nhỏ gắn trực tiếp vào ống dẫn khí
Bình tích áp có thể lắp ráp theo những vị trí khác nhau (hình 4.2). Đờng ống
nối khí nén ra thờng nằm ở vị trí cao nhất của bình tích áp.
4.2. Mạng đờng ống dẫn khí nén
Là thiết bị chuyền dẫn khí nén từ máy nén khí đến bình trích chứa rồi đến
các phần tử trong hệ thống điều khiển và cơ cấu chấp hành. Đờng ống sẽ nối
những thiết bị hệ thống khác nhau, cung cấp đờng dẫn công suất cho không khí
nén ở trạng thái chuyển động hoặc trạng thái tĩnh. Đờng ống dẫn khí nén đợc
trang bị cho phép tháo lắp dễ dàng và nhanh chóng. Nối hệ thống đến các thiết bị
7
bằng cách đơn giản là đẩy vào cổng vào hoặc cổng ra. Tháo ống ra bằng cách
một tay đè vào vành tỳ, tay kia kéo ống ra.
5. Các phần tử trong hệ thống điều khiển
5.1. Khái niệm
Một hệ thống điều khiển bao gồm ít nhất là một mạch điều khiển (open-
loop control system). Mạch điều khiển theo DIN 19266 (Tiêu chuẩn của Cộng
hoà Liên Bang Đức) gồm các phần tử đợc mô tả ở hình 5.1.
8
R

Cơ cấu chấp hành
Hình 5.1: Cấu trúc của mạch điều khiển và các phần tử
- Phần tử đa tín hiệu: nhận những giá trị của đại lợng vật lí nh là đại lợng
vào, là những phần tử đầu tiên của mạch điều khiển. Ví dụ: van đảo chiều, rơ le
áp suất.
- Phần tử xử lí tín hiệu: xử lí tín hiệu nhận vào theo một quy tắc logic xác
định, làm thay đổi trạng thái của phần tử điều khiển. Ví dụ: van đảo chiều, van
tiết lu, van lôgic OR hoặc AND.
- Phần tử điều khiển: điều khiển dòng năng lợng (lu lợng) theo yêu cầu,
thay đổi trạng thái của cơ cấu chấp hành. Ví dụ: van đảo chiều, li hợp
- Cơ cấu chấp hành: thay đổi trạng thái của đối tợng điều khiển, là đại lợng
ra của mạch điều khiển. Ví dụ: xylanh, động cơ.
5.2. Van tiết lu và van áp suất
Có chức năng điều khiển mức độ công suất đợc sản sinh ra trên các cơ cấu
dẫn động và các motor khí nén. Có các loại van nh là:
9
Tên thiết bị Ký hiệu
Van tiết lu có tiết diện không đổi:
Khe hở van có tiết diện không đổi, do đó lu lợng
dòng chảy không thay đổi.Van tiết lu có tiết diện thay đổi:
Lu lợng dòng chảy qua van thay đổi đợc nhờ vào một
vít điều chỉnh làm thay đổi tiết diện của khe hở.
Ký hiệu chung:
Có mối ren nối:
Không có mối ren nối:11
5.3. Van Chắn
Van chắn là loại van chỉ cho dòng khí nén đi qua một chiều, chiều ngợc lại
bị chặn. Van chắn gồm các loại sau:
Tên thiết bị Ký hiệu
Van một chiều:
Van một chiều có tác dụng chỉ cho dòng
khí nén đi qua một chiều từ A sang B,
chiều ngợc lại bị chặn.Van logic OR:
Khi có dòng khí nén vào từ P1 thì cửa P2
bị chặn và của P1 nối với cửa A. Ngợc lại
dòng khí nén đi vào cửa P2 thì cửa P1 bị
chặn lại, cửa P2 nối với cửa A. Van logic AND:
Khi có dòng khí nén vào P1 thì P1 bị chặn
lại, ngợc lại khi có dòng khí nén và P2 thì
P2 bị chặn lại. Chỉ khi nào cả hai cửa P1
và P2 đều có khí đi vào thì mới có khí nén
đi qua cửa A. Van xả khí nhanh:
Khi có dòng khí nén vào cửa P, chắn cửa
Van đảo chiều 5/2
Tín hiệu tác động vào van đảo chiều có 4 loại là:
Tác động bằng tay
Tên kiểu tác động Kí hiệu
Nút bấm

Tay gạt

13
Cửa xả khí không có mối nối ống dẫn
2(A)
4(B)
5(S)
1(P)
3(R)
Nối với nguồn khí
Cửa xả khí có mối
nối ống dẫn
14(R
)
Cửa nối điều khiển
12(Y)
Cửa nối điều khiển
Cửa 1 nối với cửa 2
Cửa 1 nối với cửa
Bàn đạp

Tác động bằng khí nén:


Van đảo chiều 5/2 của hãng Airtac, một đầu tác động bằng nam châm điện
và van phụ trợ, một đầu tác động bằng lò xo. Van sử dụng cuộn hút một chiều
điện áp 24VDC. Công suất tiêu thụ 3W kích thớc đờng ống đầu vào và đầu ra là
1/4 inch, đầu xả là 1/8 inch. Vùng áp suất cho phép hoạt động là 1,5 ~ 8 Bar
(Kgf/cm
2
). áp suất lớn nhất chịu đợc là 12 bar. Nhiệt độ môi trờng cho phép hoạt
động tốt nhất là -5
0
C ~ 60
0
C. Sai số điện áp cho phép là -15% ~ 10% điện áp
định mức. Thời gian đáp ứng tối thiểu 0,05s. Trọng lợng 220g.
Hình 5.2 Hình chụp thực tế van khí Hình vẽ ký hiệu chế độ hoạt động
15
Hình 5.3 Hình chụp cấu tạo van khí
ý nghĩa của các ký hiệu mã số của van khí
6. Cơ cấu chấp hành.
6.1. Yêu cầu
Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ biển đổi năng lợng khí nén thành năng lợng
cơ học. Cơ cấu chấp hành có thể chuyển động thẳng (xylanh), hoặc chuyển động
quay(động cơ khí nén).
Tên thiết bị Kí hiệu
Xylanh tác dụng một chiều
áp lực khí nén chỉ tác dụng vào một phía của
xylanh, phía còng lại là do ngoại lực hoặc lò
xo tác dụng
Chiều tác dụng ngợc lại do ngoại lực
Chiều tác dụng ngợc lại do lò xo

2
N
3 kg.m/s
2
.m
2
M
2
kg.m/s
2
4 Bar Cm
2
daN
5 10
5
Pa 10
-4
.m
2
10N
Bảng 6.1 Đơn vị thứ nguyên tính lực
6.2. Xylanh
6.2.1. Xylanh tác dụng đơn (xylanh tác dụng một chiều)
Khoảng chạy
F
z2
F
z1
F
r1

D(cm) : Đờng kính pittông.
P
e
(bar) : áp suất khí nén trong xylanh .
F
R
: Lực ma sát, phụ thuộc vào chất lợng bề mặt giữa pittông và xylanh,
vận tốc chuyển động của pittông, loại vòng đệm. Trạng thái vận hành bình thờng
theo(15), lực ma sát F
R
0,15.Ap.
F
Z
: Lực lò xo.
Xylanh tác dụng đơn đợc sử dụng cho thiết bị,đồ gá kẹp chi tiết.
Trình bày ký hiệu xylanh tác dụng đơn.
Hình 6.2 Kí hiệu xylanh tác dụng đơn
a. Chiều tác động ngợc lại do ngoại lực tác động
b. Chiều tác động ngợc lại do lò xo tác động
6.2.2. Xylanh tác dụng hai chiều (xylanh tác dụng kép)
Nguyên lý hoạt động của xylanh tác dụng hai chiều là áp suất đợc dẫn từ
cả hai phía (hình 6.3).
18
1
8 5 6 7 9
3 4 2
Hình 6.3 Xylanh tác dụng hai chiều.
1. Cữa nối mặt đáy pittông 2. Cữa nối mặt trớc pittông
3. Mặt đáy pittông 4. Mặt trớc pittông 5. Bề mặt xylanh
6. Bề mặt pittông 7. Diện tích cần pittông 8. Đáy xylanh 9. Nắp xylanh

Vận tốc
Hình 6.7 Biểu đồ vận tốc thời gian hãm ở vị trí cuối khoảng chạy
Biểu diễn xylanh tác dụng 2 chiều và kí hiệu (Hình 6.8).
20
Hình 6.8 xylanh tác dụng 2 chiều có giảm chấn (hãng Bosch).
a.xylanh tác dụng 2 chiều có cơ cấu giảm chấn không điều chỉnh đợc.
b. Xylanh tác dụng 2 chiều có cơ cấu giảm chấn điều chỉnh đợc.
a. Tính toán xylanh tác dụng hai chiều.
- Lực tác động lên cần pittông:
Khi tính toán lực cần chú ý đến chiều chuyển động của cán pittông.
+ Lực tác động khi cần pittông đi ra: F
A
= A
1
.p
e2
.

(5.2)
F
A
(daN) Lực tác động khi cán pittông đi ra
A
1
(cm
2
) Diện tích mặt đáy pittông A
1
=
2

=
2 2
.( )
4
D d


D (cm) Đờng kính mặt đáy pittông
d (cm) Đờng kính cán pittông
p
e
(bar) áp suất khí nén trong xylanh

- Hiệu suất xylanh, thông thờng

=0,8
Lực tác động khi xylanh ở vị trí nằm nghiêng:
Theo sơ đồ hình 5.11 ta có:
Lực ma sát F
R
=m.g.
à
.cos

Lực nâng F
H
=m.g.sin

Lực gia tốc F
B

3: bắt đầu chuyển động đều
4: kết thúc chuyển động
5: áp suất trong xylanh đạt lớn nhất hoặc nhỏ nhất.
p
0
: áp suất không khí
p
1
: áp suất nguồn
p
2
: áp suất khí nén sau thiết bị lọc
p
3
: áp suất trong xylanh ở đờng vào
p
4
: áp suất trong xylanh ở đờng ra
Thay phơng trình (5.9) vào phơng trình (5.8) ta có:
F
2
=A
1
.p
e3
- A
1
.p
e3
.0,15-A

A
1
: Diện tích mặt đáy pitôn
A
1
: Diện tích mặt đáy pittông, xem phơng trình(5.2)
A
2
: Diện tích vòng găng pittông, xem phơng trình (5.3)
P
e3
: áp suất của xylanh trong đờng vào
23