Điều khiển logic thủy lực

1. Khái niệm chung

Hệ thống điều khiển logic thủy lực sử dụng thiết bị logic để chuyển hướng dòng chảy, thường sử dụng khí, từ một đầu ra của thiết bị đến đầu ra khác. Do đó, đầu ra của một thiết bị logic hoặc ON hoặc OFF khi chuyển mạch nhanh từ một trạng thái này đến một trạng thái khác bằng tín hiệu điều khiển. Các thiết bị sử dụng thủy lực như nguồn công suất trung gian được phân thành hai loại:

• Thiết bị logic có bộ phận chuyển động (Moving-Part Logic Device – MPL).
• Thiết bị kiểu chất lỏng (Fluidic Device – FD).

Thiết bị MPL là các van loại nhỏ, van này thực hiện công việc chuyển mạch trong hệ thống logic thủy lực nhờ tác động di chuyển các phần tử bên trong van. Thiết bị MPL có thể là loại van ti, van kim, van màng, và có thể được tác động bằng cơ khí, điện, hoặc áp lực.

Hình 1. Van MPL tương thích với các tấm phân phối.

1.  Chỉ báo van.
2. Chi tiết van có cấu trúc bằng đồng, đồng mạ niken, thép không rỉ và acetal đồng trùng hợp.
3. Thân bộ phân phối được đúc bằng acetal đồng trùng hợp tỉ trọng cao.
4. Các rãnh trong van được nối với đầu ra thông qua những rãnh dọc thân van.
5. Các phần tử mạ niken bên trong làm giảm mài mòn do ma sát.
6. Tất cả các van đều cấu trúc các cửa ra với tính linh hoạt cao nhất (thường là 8 port).
7. 8 đường dẫn khí kéo dài dọc thân van.
8. Cấu trúc khe hở nhỏ riêng biệt.

Van MPL bao gồm thân van bao quanh khoảng không gian tâm van có các đường dẫn khí. Các đường dẫn này có thể sử dụng để cho phép dòng khí qua ở bất kỳ điểm nào dọc theo trục của van. Các đường dẫn này kết thúc ở mặt đế của thân van . Đế van được gắn trên một tấm phân phối có bố trí các lỗ để nối ống. Vì việc nối nguồn khí dễ dàng, cho nên tấm phân phối cho phép các phần tử của van được thiết kế với các chỉ tiêu kỹ thuật tốt nhất không phụ thuộc cấu trúc lỗ van. Nó cũng cho phép sử dụng nhiều cửa với hai hoặc nhiều cửa làm cửa vào, cửa ra, nguồn cấp, … Điều này làm giảm số lượng ống bên ngoài cần thiết để hoàn thành một mạch. Hơn nữa, tấm phân phối này cho phép nối các ống bên trong của các cửa. Điều này có giá trị đặc biệt trong một số module bao gồm nhiều van.

Hình 2. Hệ thống các van MPL với tấm phân phối module.

Các phần tử riêng biệt được nối với nhau trong cùng module để tạo ra các mạch phụ hoàn chỉnh như cổng OR/NOR và AND/NAND. Chức năng này làm giảm ống bên ngoài. Cấu trúc của van điều khiển hướng bao gồm các thiết kế hai đường, ba đường, và bốn đường tác động bằng áp suất, điện, hoặc cơ khí. Các loại van kết nối kiểu module khác, thiết kế tấm phân phối bao gồm cả van kết nối, van điều khiển lưu lượng, van thoi, van giảm áp, van xung và van chuỗi.

Hình 3. Module hàm Exclusive “OR”.

Hoạt động của module như sau:

Khi ấn van V-1, tín hiệu sẽ đi qua cả van V-3 và V-4. Tín hiệu ở V-4 bị khóa do không có nguồn ở cửa 1. Tín hiệu ở van V-3 tác động lên van và cung cấp tín hiệu ra. Nếu V-2 được tác động độc lập thì mạch hoạt động tương tự.

Nếu đồng thời cả van V-1 và V-2 được tác động, tín hiệu ra ở V-4 tác động vào phía dưới của van điều khiển cùng với tác động của lò xo trong van, nó sẽ điều khiển van V-3 ở trạng thái OFF cho dù có tín hiệu khí điều khiển vào phía trên của van V-3.

Các thiết bị kiểu chất lỏng (Fluidic Device – FD) sử dụng một kỹ thuật hoàn toàn khác để tạo ra thiết bị điều khiển logic có khả năng so sánh với thiết bị MPL. FD là một công nghệ sử dụng hiện tượng dòng chảy trong các phần tử và mạch để thực hiện một sự thay đổi rộng các hàm điều khiển. Các hàm này bao gồm: cảm biến, logic, nhớ, định thời, và giao tiếp với các thiết bị điều khiển khác. Khi dùng FD để điều khiển hệ thống công suất thủy lực, mạch điều khiển FD thực hiện chức năng “não bộ” và hệ thống công suất thủy lực cung cấp “sức lực” hay cơ bắp. Do đó, các FD làm việc ở một mức áp suất và công suất thấp (thường dưới 15 psi). Tuy nhiên, tín hiệu áp suất thấp này có thể điều khiển hệ thống thủy lực hoạt động tin cậy với áp suất lên tới 10,000 psi.
Ưu điểm của hệ thống điều khiển FD:

• Khả năng nhạy cảm tốt nhất.
• Không bị ảnh hưởng của môi trường.
• không bị mài mòn.
• Có thể giao tiếp với hệ thống khí, điện, và các hệ thống khác.

Hạn chế của hệ thống điều khiển FD: Vị trí lắp đặt khó.

2. Các MPL trong hệ thống điều khiển

Các MPL trong hệ thống điều khiển dùng các thiết bị van loại cỡ nhỏ để  đặt trong một không gian khá nhỏ để giảm tối thiểu các phần tử logic.

Hình 4. Bộ điều khiển khí MPL hoàn chỉnh.

Hình 5. Mạch MPL hoàn chỉnh trong thực tế.

Các mạch MPL sử dụng 4 hàm điều khiển logic cơ bản là AND, OR, NOT và MEMORY.

Hình 6. Hàm AND.

Hình 7. Hàm OR.

Hình 8. Hàm NOT (a), Hàm NAND (c), Hàm NOR (b).

Hình 9. Hàm MEMORY.

Hình 10. Mạch điều khiển Cyliner tác động đơn bằng MPL.

Hoạt động của mạch được mô tả như sau:

1. Tín hiệu vào A và B được đưa vào cổng OR sao cho A hoặc B có thể được sử dụng để điều khiển Cyliner thực hiện hành trình ra. Cổng OR bao gồm một van thoi hai đường và van điều khiển hướng tác động bằng nút ấn.
2. Đầu ra từ cổng OR  được đưa vào cổng AND cùng với tín hiệu điều khiển cơ khí F. Một van điều khiển hướng 3 đường tác động đơn thực hiện hàm AND trong hệ thống.
3. Đầu ra từ cổng AND đưa vào thiết bị nhớ, tín hiệu nhớ này van nằm ở vị trí này trong suốt quá trình Cyliner thực hiện hành trình ra.
4. Tại cuối hành trình, van ngắt cuối tác động để xóa tín hiệu nhớ. Cyliner ngừng chuyển động và thực hiện hành trình vào.

3. Cơ sở về điều khiển logic FD

Thiết bị FD là bộ phận quan trọng nhất trong điều khiển logic thủy lực, hoạt động dựa trên hiệu ứng Coanda.

Hiệu ứng Coanda là hiện tượng quỹ đạo chuyển động của dòng khí hay dòng chất lỏng bị thay đổi để xuôi theo hướng bề mặt cong mà dòng chảy đó tiếp xúc.

Hình 11. Hiệu ứng Coanda.

Để có một thiết bị điều khiển thực tế hiệu ứng Coanda này, cần phải thiết lập một phương pháp tin cậy để điều khiển chính xác hiện tượng tiếp thành. Điều này được thực hiện bằng cách tạo cửa điều khiển vào vùng giới hạn.Với hiệu ứng này, không có đầu ra ở mức trung gian. hệ thống số chỉ có các thiết bị có hai trạng thái cửa ra là ON và OFF và được chuyển mạch nhanh từ một trạng thái này sang một trạng thái khác nhờ tín hiệu điều khiển được cấp đến các đầu vào của chúng. Tín hiệu điều khiển được coi là ON khi nó ở mức cao đủ để đảm bảo chuyển mạch cho một thiết bị số. Tương tự tín hiệu được xem là OFF khi nó ở mức thứ hai đủ thấp để cho phép thiết bị chuyển mạch ngược lại về vị trí ban đầu. Tín hiệu giữa hai mức này không xác định và phải tránh. Sự chuyển đổi từ một trạng thái này sang một trạng thái khác được thực hiện càng nhanh càng tốt.

4. Các thiết bị thủy lực cơ bản

Trong mục này chúng ta khảo sát các hoạt động của các thiết bị thủy lực cơ bản như sau:

• FLIP- FLOP.
• OR/NOR.
• EXCLUSIVE OR.
• AND/NAND.

Hình 12. Hoạt động của flip-flop cơ bản hai trạng thái ổn định.

Một thiết bị điều khiển số có hai trạng thái ổn định được thiết lập nếu thêm vào thiết bị chạm thành của chúng một bộ rẽ mạch khí. Điều này cho phép đảm bảo một trong hai cửa ra được điều khiển có dòng công suất. Thiết bị này có hai trạng thái ổn định hay được gọi là thiết bị chạm thành FLIP-FLOP. Bọt ngăn cách tạo ra sự chênh lệch áp suất duy trì trạng thái ổn định của thiết bị này.Yêu cầu một tốc độ dòng chảy cực tiểu nhất định để duy trì sự ổn định phù hợp.

Tuy nhiên, để sử dụng hai cửa ra, thì tốc độ này phải được giới hạn để tạo áp suất hồi phù hợp. Như vậy, với sự giới hạn dòng chảy có tốc độ thấp hơn giá trị cực tiểu thì sẽ có dòng chạm thành ổn định. Đặc tính này yêu cầu có một thiết bị được gọi là thiết bị nhạy cảm tải vì tín hiệu ra có thể chuyển từ cửa mong muốn sang cửa thứ 2 mỗi khi tải cản trở dòng chảy ra từ cửa ra mong muốn. Đây là đặc tính không thể chấp nhận được vì thiết bị về cơ bản là không ổn định. Một flip-flop cung cấp một chức năng nhớ trong hệ thống điều khiển chất lỏng. Số 0 tương ứng OFF số 1 tương ứng là ON đối với tất cả các thiết bị.

Hình 13. Ký hiệu flip-flop.

Ta có bảng sự thật như sau :

Khi tín hiệu điều khiển C₁ là ON và tín hiệu điều khiển C₂ là OFF thì đầu ra là O1. Sau đó nếu C₁ chuyển sang OFF thì tín hiệu O₁ vẫn giữ nguyên trạng thái ban đầu. Nếu C₂ chuyển sang ON thì flip-flop sẽ chuyển sang đầu ra O₂, khi tín hiệu C₂ mất thì đầu ra O2 vẫn được duy trì. flip-flop có hai trạng thái ổn định khi tất cả các tín hiệu điều khiển đều OFF. cả hai tín hiệu điều khiển C₁ và C₂ sẽ không được ON đồng thời.

Hình 14. Ký hiệu của flip-flop ưu tiên.

Ta có bảng sự thật như sau:

Flip-flop ưu tiên có thể có nhiều hơn hai cửa điều khiển. Lúc này, C₁ và C₂ thực hiện như C₃ và C₄. Dấu “+” cho biết O₁ được ưu tiên hơn O₂. 

Flip-flop SRT có cùng chức năng như flip-flop cơ bản, ngoại trừ nó có thể chuyển mạch bằng cách cấp tín hiệu điều khiển tới cửa triger. S và R đại diện cho SET và RESET, và thực hiện như các tín hiệu điều khiển thông thường. T đại diện cho triger, và khi khí nén được cấp đến, nó chuyển mạch đầu ra. Thiết bị này được sử dụng trong các bộ đếm nhị phân.

Hình 15. Ký hiệu và bảng sự thật của flip-flop SRT.

Một hàm hai trạng thái ổn định như flip-flop không cung cấp tất cả các chức năng điều khiển yêu cầu trong hệ thống hoàn chỉnh. Một hàm ổn định một trạng thái (đơn ổn) cũng rất cần thiết.

Hai thiết bị đơn ổn cơ bản là cổng OR/NOR và AND/NAND. Hai thiết bị này về cơ bản giống như các FD đơn ổn nhưng có ngõ vào khác. Sự khác nhau giữa chúng như sau: flip-flop là đối xứng để tạo ra một thiết bị có hai trạng thái ổn định (nhớ). Tuy nhiên, thiết bị đơn ổn không hoàn toàn đối xứng. Chú ý rằng các vòi phun công suất này hơi nghiêng về các chân và lỗ thoát cũng khác.

Tín hiệu điều khiển sẽ chuyển dòng công suất, nhưng tín hiệu điều khiển phải được duy trì để giữ chuyển đổi này. Khi tín hiệu điều khiển mất làm cho thiết bị chuyển đổi về trạng thái cố hữu.

Hình 16. Ký hiệu của Cổng OR/NOR .

Ta có bảng sự thật như sau:

Bảng sự thật cho ta tín hiệu điều khiển cổng OR là một cổng nó có một đầu ra nếu C₁ hoặc C₃ hoặc C₅ hoặc C₇ hoặc bất kỳ sự tổ hợp của tất cả tín hiệu điều khiển là ON.
Tín hiệu điều khiển vào bất kỳ một cửa nào hoặc bất kỳ tổ hợp nào của các cửa điều khiển này đều tác động đến thiết bị để chuyển mạch đầu ra O₁. với tất cả tín hiệu điều khiển OFF đầu ra sẽ tự động ở O₂.

Hình 17.  Ký hiệu của cổng AND/NAND.

Ta có bảng sự thật như sau :

Đặc biệt cổng AND là một cổng nó có một đầu ra duy nhất nếu C1 và tín hiệu điều khiển C3 là ON.

5. Cung cấp khí cho mạch thủy lực

Một nguổn khí sạch là rất cần thiết để giảm hoạt động hỏng hóc của hệ thống thủy lực. Sự hỏng hóc có thể làm tắt nghẽn các lối đi của hệ thống thủy lực. Ví dụ, thiết bị chạm thành dẫn lưu lượng qua lỗ nhỏ đường kính 0.020 in. Nếu khí đi qua ẩm ướt hoặc dầu, chúng sẽ tích tụ thành những hạt rắn nhỏ cho đến khi lối đi trở nên tắc.

Để tránh được điều này, nguồn khí phải được xử lý trước khi đưa vào thiết bị điều khiển.

Một hệ thống xử lý khí hoặc thủy lực bao gồm các phần tử sau:

1. Bộ lọc: Mục đích của bộ lọc là loại bỏ tất cả chất rắn và nước để kéo dài tuổi thọ làm việc của hệ thống. Bộ lọc có thể lọc các phần tử nhỏ cơ 5 micron (0.000005m hoặc 0.0002 in).
2. Bộ lọc này có thể loại bỏ những hạt rắn lỏng có kích cỡ dưới 1 micron. Do đó, những hạt có kích cỡ nhỏ hơn không thể tích tụ thành khối lớn hơn bên trong các bộ phận thủy lực.
3. Sấy khô: Sấy khô được lắp đặt trong trong ống phía sau bộ lọc liên kết. Mục đích của sấy khô giảm được hơi nước đến một giá trị nhỏ hơn 80% độ ẩm không khí. Ở mức này, nước sẽ không ngưng tụ ở ngoài không khí nếu nhiệt độ tụt xuống.
4. Bộ lọc hơi dầu: Bộ lọc này được lắp sau bộ sấy khô. Để giảm độ ẩm của dầu ngăn chăn dầu không bị ngưng tụ trong các bộ phận thủy lực.
5. Hiệu chỉnh áp suất: Sau khi tất cả bộ phận lọc và sấy khô hoàn thành, hiệu chỉnh áp suất giảm áp suất khí xuống một phạm vi mong muốn từ 0.5 đến 10 psi phù hợp với hoạt động của hệ thống thủy lực.
6. Két chứa: đây là một nơi sạch, khí khô được lưu trử để sử dụng trong hệ thống thủy lực.

6. Mạch logic thủy lực

Trước tiên chúng ta ngiên cứu làm thế nào thủy lực có thể sử dụng trong hệ thống thủy lực, một số mạch logic thủy lực được trình bày. Chúng bao gồm bộ đếm nhị phân và bộ dao động đa hài.

Hệ thống này bao gồm:

• 3 flip-flop SRT.
• 3 đồng hồ chỉ báo thủy lực.
• 1 tia ngắt và 1 cổng OR/NOR.

Hình 18. Bộ đếm nhị phân ứng dụng trong dây chuyền sản xuất.

Bảng đếm nhị phân

Một số hệ thống yêu cầu nguồn liên tục để tạo ra xung để điều khiển trình tự các sự kiện. Mỗi sự kiện này tương đương như một tín hiệu thay thế một xung được gọi là hệ hống khóa và có thể tạo ra bởi một thiết bị gọi là bộ phận đa hài không ổn định.

Hình 19. Bộ đa hài phiếm định.

Hình 20. Bộ định thời sử dụng bộ đa hài và bộ đếm nhị phân.

Bộ đa hài phiếm định và một bộ đếm nhị phân được tổ hợp để thực hiện việc định thời. Giả thiết rằng bộ đa hài phiếm định dao động 1 chu kỳ/giây, khi đó bộ đếm nhị phân 12 bit sẽ định thời lên đến 4095 giây hoặc 68.25 phút. Khi S không khóa, bộ đếm dừng và hiển thị tất cả thời gian trong dưới dạng nhị phân.

7. Điều khiển logic hệ thống thủy lực

Hình 21. Điều khiển xy-lanh khí sử dụng flip-flop.

Khi ấn nút Start flip-flop tác động điều khiển lên van V₁ làm cho cylinder thực hiện hành trình ra với nguồn khí là 100 psi. Khi công tắc giới hạn V₃ thường đóng tác động tín hiệu nguồn khí 8 psi qua van thoi V₄ để chuyển trang thái flip-flop. Flip-flop này sẽ tác động điều khiển lên van V₂, và cylinder 2 thực hiện hành trình vào. Nút ấn khống chế dùng để tránh công tắc giơi hạn khí. Nếu công tắc khống chế được ấn (trong khi cylinder đang thực hiện hành trình ra), nó sẽ lập tức làm cho cylinder thực hiện hành trình vào.

Hình 22. Mạch điều khiển trình tự hai cylinder thủy lực.

Khi nút ấn van được giải phóng trình tự chu kỳ xảy ra như sau:

1. Cylinder 1 thực hiện hành trình ra.
2. Cylinder 2 thực hiện hành trình ra.
3. Cả hai cylinder thực hiện hành trình vào.
4. Chu kỳ được lặp lại mỗi lần bằng nút bấm.

Hình 23. Tự động chuyển động qua lại của cylinder thủy lực .

Khi công tắc chọn chế độ chuyển sang vị trí ON, thì bên phải của van được điều khiển. cylinder di chuyển sang bên phải cho đến khi cần xy-lanh ngắt tia điều này sẽ làm cho cổng NOR ở phía bên phải chuyển trạng thái đến đầu ra 01 để chuyển trạng thái flip-flop. Tín hiệu ra từ flip-flop sẽ điều khiển ở vị trí phía bên phải của van làm cho cylinder di chuyển về phía bên trái. Khi cần ở phía bên phải đi vào ở vị trí cuối cùng nó sẽ ngắt tia ở phía bên ấy, cổng OR ở phía bên phải sẽ chuyển mạch ngược lại đến đầu ra 02. Nhưng đầu ra 02 sẽ không chuyển mạch flip-flop bởi vì nó có nhớ. Khi cần cylinder ở vị trí cuối ở phía bên trái ở phía bên trái ngắt tia ở phía bên đó, cổng NOR ở phía bên trái chuyển đến đầu ra 01. Đầu ra này chuyển đầu ra của flip-flop đến cửa điều khiển ngược lại điều khiển van sang phía bên phải để điều khiển xy-lanh sang phải. cylinder tiếp tục chuyển động qua lại cho đến khi công tắc chọn chế độ chuyển sang vị trí OFF. Công tắc này dừng chuyển động của cylinder thủy lực và van được hồi về vị trí không nhờ lò xo. Chú ý mỗi tia ngắt có thể thay bằng một công tắc giới hạn khí thường mở mà đầu ra của chúng được nối với đến cửa điều khiển của cổng NOR tương ứng.

Hình 24. Hệ thống xếp hộp thủy lực.

Ở một vị trí đã cho hộp cao được đẩy sang băng chuyền thứ hai trong khi hộp thấp tiếp tục di chuyển trên cùng một băng chuyền. Hệ thống này bao gồm 1 cylinder khí tác động hai cần hai công tắc khí thường đóng (NC), một van kết hợp và một flip-flop. Khi hộp cao tác động vào công tắc giới hạn V₁ flip-flop sẽ chuyển mạch đến đầu ra 01. Cửa điều khiển này sẽ dịch chuyển van V₃ để dịch chuyển xy-lanh sang bên phải để đẩy hợp cao sang băng chuyền số hai. Sau đó nút ấn cần xy-lanh tác động vào công tắc giới hạn V₂ công tắc giới hạn này sẽ chuyển đầu ra của flip-flop ngược trở về 01. Đầu ra này điều khiển dịch chuyển van V₂ để di chuyển cylinder ngượi lại sang trái và chu kỳ được lặp lại khi có hộp cao khác.