Điều khiển khí nén thuỷ lực.pdf

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA VŨNG TÀU
CHỦ BIÊN:
THS. PHẠM NGỌC HIỆP
ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN
THỦY LỰC
GIÁO TRÌNH NỘI BỘ

Lời mở đầu
Giáo trình: Giáo trình điều khiển khí nén thủy lực
LỜI NÓI ĐẦU
Điều khiển khí nén thủy lực là môn học chuyên ngành quan trọng đối với sinh
viên ngành Điện điện tử. Môn học này trang bị cho sinh viên khả năng phân tích và
thiết kế hệ thống điều khiển khí nén thủy lực, điện khí nén trong công nghiệp và tự
động hóa dây chuyền sản xuất.
Giáo trình Điều khiển khí nén thủy lực gồm 05 chương:
- Chương 1: Tổng quan về hệ thống điều khiển khí nén thủy lực.
- Chương 2: Các phần tử trong hệ thống khí nén thủy lực.
- Chương 3: Phương pháp thiết kế mạch điều khiển khí nén.
- Chương 4: Phương pháp thiết kế mạch điều khiển điện khí nén.
- Chương 5: Ứng dụng PLC điều khiển hệ thống điện khí nén.
Môn học này cung cấp kiến thức cơ bản về nguyên tắc hoạt động của các van
khí nén thủy lực, các phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển bằng khí nén, điện khí
nén.
Tác giả viết giáo trình này với nhiều năm kinh nghiệm giảng dạy tại trường đại
học Bà Rịa – Vũng Tàu và dựa trên sự kế thừa từ các tài liệu trong và ngoài nước. Tuy
nhiên, lần đầu biên soạn Giáo trình Điều khiển khí nén thủy lực nên không thể tránh
khỏi những thiếu sót. Rất mong sự đóng góp ý kiến của đồng nghiệp, các em sinh viên
để giáo trình hoàn thiện hơn.
Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về Ngành Điện - Điện tử Trường đại học Bà Rịa –
Vũng Tàu. Email: hiepbvu1978@gmail.com.
Trân trọng cảm ơn.
Vũng Tàu, Tháng 06 năm 2020
ThS. Phạm Ngọc Hiệp

Mục lục
Giáo trình: Thực hành Truyền động điện
MỤC LỤC
Nội dung Trang
Chương 1: Tổng quan về điều khiển khí nén thủy lực. 1
1.1. Lịch sử phát triển và đặc trưng của hệ thống điều khiển khí nén thủy lực 1
1.1.1. Vài nét về sự phát triển. 1
1.1.2. Đặc trưng của khí nén thủy lực. 1
1.1.3. Ưu, nhược điểm của hệ thống điều khiển khí nén thủy lực. 2
1.2. Đơn vị đo trong hệ thống điều khiển khí nén thủy lực. 2
1.2.1. Áp suất. 2
1.2.2. Lực. 2
1.2.3. Công. 3
1.2.4. Công suất. 3
1.3. Một số định luật cơ bản sử dụng trong hệ thống khí nén thủy lực. 3
1.3.1. Phương trình trạng thái nhiệt động học. 3
1.3.2. Định luật Boyle- Mariotte. 3
1.3.3. Định luật 1: Gay – Lussac. 4
1.3.4. Định luật 2: Gay – Lussac. 3
1.4. Ứng dụng của khí nén thủy lực. 4
1.4.1. Trong lĩnh vực điều khiển. 4
1.4.2. Trong hệ thống truyền động. 5
1.5. Phân loại máy nén khí. 5
1.6. Cơ cấu chấp hành. 6
1.6.1. Khái niệm. 6
1.6.2. Xy lanh. 6
1.6.3. Động cơ khí nén. 12
Chương 2: Các phần tử trong hệ thống điều khiển khí nén thủy lực. 15
2.1. Khái niệm. 15
2.2. Các phần tử khí nén thủy lực. 16
2.2.1. Van đảo chiều. 16
2.2.2. Van chặn. 23

Mục lục
2.2.3. Van tiết lưu. 25
2.2.4. Van áp suất. 25
2.2.5. Van điều chỉnh thời gian. 26
2.3. Các phần tử điện, điện- khí nén. 27
2.3.1. Các phần tử điện. 27
2.3.2. Phần tử điện khí nén. 29
Bài tập chương 2. 30
Chương 3: Phương pháp thiết kế mạch điều khiển khí nén. 36
3.1. Biểu diễn biểu đồ trạng thái của quá trình điều khiển. 36
3.1.1. Ký hiệu trên biểu đồ trạng thái 36
3.1.2. Thiết lập biểu đồ trạng thái 37
3.2. Phương pháp thiết kế mạch điều khiển khí nén. 39
3.2.1. Điều khiển bằng tay. 39
3.2.2. Điều khiển tùy động theo thời gian. 40
3.2.3. Điều khiển tùy động theo hành trình. 42
3.2.4. Điều khiển theo tầng. 44
3.2.5. Điều khiển theo nhịp. 62
Bài tập chương 3 66
Chương 4: Phương pháp thiết kế mạch điều khiển điện khí nén. 70
4.1. Khái niệm cơ bản. 70
4.2. Phần tử mạch lôgic. 71
4.2.1. Phần tử lôgic NOT. 71
4.2.2. Phần tử lôgic AND. 71
4.2.3. Phần tử NAND. 72
4.2.4. Phần tử OR. 73
4.2.5. Phần tử NOR. 74
4.3. Phương pháp thiết kế mạch điều khiển điện khí nén. 75
4.3.1. Ký hiệu các phần tử mạch điều khiển điện khí nén. 75
4.3.2. Phương pháp điều khiển theo tầng. 76
4.3.3. Mạch điều khiển theo nhịp. 88
Bài tập chương 4. 110
Chương 5: Ứng dụng PLC điều khiển hệ thống điện khí nén. 129

Mục lục
5.5. Hướng dẫn sử dụng phần mềm Festo Fluidsim 4.2. 129
5.1.1. Các thành phần cung cấp (Suply Elements). 129
5.1.2. Cơ cấu chấp hành (Actuators) 129
5.1.3. Thay đổi tùy chọn cho xy lanh. 130
5.1.4. Sử dụng thước đo khoảng cách để tạo công tắc hành trình. 130
5.1.5. Thay đổi cấu hình Valves. 131
5.1.6. Mô phỏng 131
5.2. Phần mềm vá các bước thiết lập. 132
5.2.1. Các phần mềm cần thiết. 132
5.2.2. Các bước thiết lập phần mềm điều khiển. 132
5.2.3. Cài đặt kết nối phần mềm điều khiển. 132
5.3. Ứng dụng PLC điều khiển hệ thống điện khí nén. 133
5.3.1 Các thành phần của một hệ thống khí nén điều khiển PLC. 133
5.3.2. Sơ đồ kết nối phần tử đưa tín hiệu vào và tín hiệu ra với PLC. 134
5.3.3. Các bước thiết kế hệ thống điều khiển khí nén dùng PLC. 135
Câu hỏi ôn tập chương 5. 147

Chương 1: Tổng quan về điều khiển khí nén thủy lực.
Giáo trình: Điều khiển khí nén thủy lực Trang - 1 -
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN - THỦY LỰC
Mục tiêu:
- Trình bày khái niệm và đặc điểm hệ truyền động bằng khí nén.
- Phân tích đại lượng đặc trưng của khí nén và ứng dụng trong công nghiệp.
- Giải thích nguyên lý hoạt động và ứng dụng của các loại máy nén.
- Rèn luyện tính chủ động, nghiêm túc trong học tập và trong công việc.
Hoạt động giảng day:
- Câu hỏi thảo luận.
- Hoạt động làm việc nhóm.
- Giải quyết tình huống/Case study.
- Bài tập (làm tại lớp).
1.1. Lịch sử phát triển và đặc trưng của hệ thống điều khiển khí nén thủy lực.
1.1.1. Vài nét về sự phát triển.
Thế kỷ 17, nhà kỹ sư chế tạo người Đức Guerike, nhà toán học, nhà triết học
người Pháp Pascal và nhà vật lý người Pháp Papin đã xây dựng nên nền tảng cơ bản ứng
dụng của khí nén.
Mãi đến thế kỷ 19, máy móc thiết bị sử dụng năng lượng khí nén lần lượt được
phát minh như: thư vận chuyển trong ống bằng khí nén (1835), phanh bằng khí nén
(1880), búa tán đinh bằng khí nén (1861), vực xây dựng đường hầm xuyên dãy núi Alpes
ở Thụy sĩ (1857). Vào những năm 70 của thế kỷ thứ 19, tại Pari có một trung tâm sử
dụng năng lượng khí nén với công suất lớn 7.350KW và khí nén được vận chuyển tới nơi
tiêu thụ trong đường ống với đường kính 500mm.
Sau chiến tranh thế giới thứ 2, việc ứng dụng năng lượng khí nén trong kỹ thuật
điều khiển phát triển mạnh mẽ. Với những dụng cụ, thiết bị, phần tử khí nén mới được
sáng chế và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, sự kết hợp của nguồn năng lượng
khí nén với điện – điện tử là nhân tố quyết định cho sự phát triển của kỹ thuật điều khiển
trong tương lai. Hãng FESTO (Đức) đã phát triển hệ thống điều khiển bằng khí nén rất đa
dạng trong công nghiệp và các phương tiện dạy học (Didactic).

Về vận chuyển: khí nén vận chuyển dễ dàng trong các đường ống với khoảng cách
nhất định. Không có đường ống dẫn về vì sau thực hiện xong công tác khí nén được thoát
ra môi trường.
Về nhiệt độ: khí nén ít thay đổi theo nhiệt độ.
Về phòng chống cháy nổ: Không khí nén thường hoạt động với áp suất khoảng 6
bar nên việc phòng nổ không quá phức tạp.
Về tính vệ sinh: khí nén được sử dụng trong các thiết bị đều được lọc các bụi bẩn,
tạp chất hay nước nên thường sạch. Tính chất này rất quan trọng trong các ngành công
nghiệp đặc biệt như: thực phẩm, vải sợi, lâm sản và thuộc da.
Về cấu tạo thiết bị: đơn giản nên rẻ hơn các thiết bị tự động khác.
Về vận tốc: khí nén là một dòng chảy có lưu tốc lớn cho phép đạt được tốc độ cao
(vận tốc làm việc trong các xy-lanh thường 1-2 m/s).
Về tính điều chỉnh: vận tốc và áp lực của những thiết bị công tác bằng khí nén
được điều chỉnh một cách vô cấp.
1.1.3. Ưu, nhược điểm của hệ thống điều khiển khí nén thủy lực.
1.1.3.1. Ưu điểm:
Do khả năng chịu nén lớn của không khí nên được trích chứa một cách thuận lợi.
Có khả năng truyền tải năng lượng đi xa vì độ nhớt động học nhỏ và tổn thất áp suất trên
đường dẫn ít. Chi phí để thiết lập một hệ thống truyền động bằng khí nén thấp.
1.1.3.2. Nhược điểm:
Lực truyền tải trọng thấp. Dòng khí nén thoát ra ngoài gây tiếng ồn. Khi tải trọng
trong hệ thống thay đổi thì vận tốc truyền cũng thay đổi vì khả năng đàn hồi của khí nén
lớn. Do đó không thể thực hiện chuyển động thẳng hoặc quay đều.
1.2. Đơn vị đo trong hệ thống điều khiển khí nén thủy lực.
1.2.1. Áp suất.
Đơn vị cơ bản của áp suất theo hệ đo lường SI là Pascal (Pa). Pascal là áp suất
phân bố đều trên bề mặt có diện tích 1m2
với lực tác động vuông góc lên bề mặt đó là 1N.
Ta có: 1Pa = 1N/m2
; 1Pa = 1 kgm/s2
/m2
= 1 kg/m2
. Ngoài ra còn sử dụng đơn vị bar: 1
bar = 105
Pa và đơn vị Kp/cm2
(theo tiêu chuẩn cộng hòa liên bang Đức).
1.2.2. Lực.
Đơn vị của lực là Newton (N). 1 N là lực tác động lên đối tượng có khối lượng
1kg với gia tốc 1m/s2

1.2.3. Công.
Đơn vị của công là Joule (J). 1J là công sinh ra dưới tác dộng của lực 1N để vật có thể
dịch chuyển quãng đường là 1m. (1J = 1N.m).
1.2.4. Công suất.
Đơn vị của công suất là Watt (W). 1W là công suất trong thời gian 1giây sinh ra
năng lượng 1J. (1W = 1Nm/s).
1.3. Một số định luật cơ bản sử dụng trong hệ thống khí nén thủy lực.
1.3.1. Phương trình trạng thái nhiệt động học.
Giả thiết, khí nén trong hệ thống gần như là lý tưởng. Phương trình trạng thái nhiệt
tổng quát của khí nén là:
pabs.V = m.R.T (1-1)
Trong đó: pabs: áp suất tuyệt đối (bar);
V: thể tích khí nén (m3
).
m: khối lượng (kg);
R: hằng số nhiệt (J/ kg.K).
T: Nhiệt độ Kelvin (K).
1.3.2. Định luật Boyle- Mariotte.
Khi nhiệt độ không đổi (T = hằng số), từ phương trình nhiệt tổng quát (1-1) ta có:
pabs.V = hằng số (1-2)
V1(m3
) thể tích khí nén tại thời điểm
áp suất p1
V2(m3
) thể tích khí nén tại thời điểm
áp suất p2
p1abs (bar) áp suất tuyệt đối khí nén có
thể tích V1
p2abs (bar) áp suất tuyệt đối khí nén có
thể tích V2
Theo phương trình 1-2 ta có: Hình 1.1: Sự phụ thuộc áp suất và thể tích khi
nhiệt độ không đổi.

1.3.3. Định luật 1: Gay – Lussac.
Khi áp suất không thay đổi (p = hằng số),
theo phương trình 1-1 ta có:
Trong đó:
T1: nhiệt độ tại thời điểm có thể tích V1 (K).
T2: nhiệt độ tại thời điểm có thể tích V2 (K).
Hình 1.2: Sự thay đổi thể tích khi áp
suất là hằng số.
Năng lượng nén và giãn nở không khí được tính theo phương trình: W = p(V2 – V1).
1.3.4. Định luật 2: Gay – Lussac.
Khi thể tích V thay đổi, theo phương trình
(1-1) ta có:
Vì thể tích V không thay đổi nên năng
lượng nén và năng lượng giãn nở bằng 0.
Suy ra: W = 0.
Hình 1.3: Sự thay đổi áp suất khi thể
tích là hằng số.
1.4. Ứng dụng của khí nén thủy lực.
1.4.1. Trong lĩnh vực điều khiển.
Sau chiến tranh thế giới thứ 2, vào những năm 50 và 60 của thế kỷ 20, kỹ thuật
điều khiển bằng khí nén phát triển mạnh mẽ và đa dạng trong nhiều lĩnh vực. Chỉ riêng ở
Đức đã có hơn 60 hãng chuyên sản xuất các phần tử điều khiển khí nén như hãng Festo,
hãng Herion, hãng Bosch.
Hệ thống điều khiển bằng khí nén được sử dụng trong lĩnh vực dễ cháy nổ; hoặc
lĩnh vực sản xuất các thiết bị điện tử yêu cầu điều kiện vệ sinh môi trường tốt và an toàn
cao. Ngoài ra, hệ thống điều khiển bằng khí nén được sử dụng trong các dây chuyền rửa
tự động; trong các thiết bị vận chuyển và kiểm tra của thiết bị lò hơi, thiết bị mạ điện,
đóng gói, bao bì và trong công nghiệp hóa chất.

1.4.2. Trong hệ thống truyền động.
Các dụng cụ, thiết bị trong lĩnh vực khai thác; trong các công trình xây dựng như hầm
mỏ, đường hầm… Dùng trong các thiết bị đo và kiểm tra chất lượng sản phẩm.
Truyền động quay: những dụng cụ vặn vít; máy khoan công suất khoảng 3.5KW;
máy mài công suất khoảng 2.5KW, máy mài với số vòng quay cao 100.000 vòng/ phút.
Truyền động thẳng: các dụng cụ, đồ gá kẹp chi tiết, các thiết bị đóng gói, máy gia
công gỗ, thiết bị làm lạnh, hệ thống phanh hãm otô.
* Một số hình ảnh ứng dụng của khí nén:
Máy hàn Máy khoan Hệ thống lắp ráp
Hệ thống điều khiển Điều cánh tay robob Dụng cụ cầm tay
1.5. Phân loại máy nén khí.
Phân loại theo áp suất: Máy nén khí áp suất thấp: p < 15bar; Máy nén khí áp suất
trung bình: p  15bar; Máy nén khí áp suất cao: p ≥300bar.
* Một số hình ảnh máy nén khí được sử dụng trong thực tế:
Máy nén pittông áp suất thấp. Máy nén pittông bơm dầu.

Máy nén khí kiểu trục vít. Máy nén khí kiểu cánh gạt.
1.6. Cơ cấu chấp hành.
1.6.1. Khái niệm.
Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ biến đổi năng lượng khí nén thành năng lượng cơ
học. Cơ cấu chấp hành có thể thực hiện chuyển động thẳng (xylanh) hoặc chuyển động
quay (động cơ khí nén).
1.6.2. Xy lanh.
1.6.2.1 Xy lanh tác động đơn (xylanh tác động một chiều).
Xy lanh tác động một chiều là xy lanh mà áp lực tác động vào xylanh chỉ một
phía, phía ngược lại do lực của lò xo tác động hay do ngoại lực tác động.
Ký hiệu:
Chiều tác động ngược lại
do ngoại lực.
Chiều tác động ngược lại
do lực lò xo. Cấu tạo xylanh 1 chiều
1.6.2.2. Xy lanh tác động 2 chiều (xy lanh tác động kép).
Nguyên tắc hoạt động của xylanh tác động kép là áp suất khí nén được dẫn vào cả
2 phía của xylanh.
- Xylanh tác động 2 chiều không có giảm chấn.
- Xylanh tác động 2 chiều có giảm chấn: Nhiệm vụ của cơ cấu giảm chấn là ngăn chặn sự
va đập của pittông vào thành của xylanh ở vị trí cuối hành trình. Người ta dùng van tiết
lưu một chiều để thực hiện giảm chấn.

Loại giảm chấn có điều chỉnh được.
Loại giảm chấn không điều
chỉnh được.
1.6.2.3. Xi lanh va đập.
Nguyên lý: lực tác dụng của xi lanh khí nén bị hạn chế. Vì vậy, ta sử dụng một loại xi
lanh có thể sinh ra lực lớn, đó là xi lanh va đập. Loại này tăng vận tốc của Piston lên cao
khoảng 7,5 m/s đến10,5 m/s.
Khi khí nén được cấp vào khoang A nó sẽ tác dụng lên diện tích Piston C làm cho
Piston dịch chuyển theo chiều Z. Khi Piston dịch chuyển van C mở ra và khí nén tác
dụng vào toàn bộ đỉnh Piston sinh ra lực lớn.
1.6.2.4. Xi lanh quay.
Nguyên lý: tạo chuyển động quay nhờ bánh răng và thanh răng, góc quay có thể là:
900
; 1800
; 3600
. Thông thường nó được dùng để dẫn động các đĩa hút chân không kẹp giữ chi
tiếthoặc hút chi tiết.
1.6.2.5. Xi lanh băng đai.
Loại này sử dụng băng đai và bàn trượt, thông qua chuyển động của Piston sẽ kéo
băng đai làm cho bàn trượt chuyển động qua lại. Một số xi lanh loại này có thể phanh tại
một vị trí nhất định nào đó nhờ cơ cấu phanh.

1.6.2.6. Xi lanh từ.
Với loại xi lanh này bàn trượt gắn ở phía ngoài và liên động với Piston bên trong nhờ
lực từ của nam châm.
1.6.2.7. Tính toán xi lanh.
Lực đẩy phát sinh khi xi lanh hoạt động phụ thuộc vào nguồn áp suất, đường kính
xilanh và lực ma sát của các đệm.
* Lực đẩy lý thuyết được xác định theo công thức sau: A = Flt.p
Flt - Lực đẩy lý thuyết (N).
A - Diện tích bề mặt làm việc của Piston (m2
):
2
.D
4
A

=
p - Áp suất cung cấp (Pa).
Thực tế, lực đẩy lý thuyết có sai số so với lực đẩy thực tế. Để xác định lực đẩy thực
tế, cần tính đến các sai số do sức cản, lực ma sát. Trong các điều kiện làm việc bình thường
(phạm vi áp suất 400 – 800 kPa, 4 – 8 bar), có thể giả định lực ma sát bằng 10% lực lý
thuyết.
* Lực đẩy thực tế như sau:
+ Xi lanh tác động đơn: ( . ) ( )
R ms lx
F A p F F
= − +
+ Xi lanh tác động kép:
Hành trình thuận: ( . )
R ms
F A p F
= −
Hành trình ngược: '
( . )
V ms
F A p F
= −
Trong đó:
A’ - Bề mặt làm việc của Piston, phía cán (m2
):
2 2
D
4
d
A 
−
=
Fms - Lực ma sát, bằng 10% Flt(N).
Flx - Lực phản hồi của lò.
D: Đường kính xi lanh (m).
d: Đường kính cán Piston(m).

Ví dụ 1:
Các số liệu ban đầu: D = 50 mm; d = 12 mm; Fms = 10%; P = 6 bar.
Tính toán:
- Tiết diện làm việc củaPiston:
A = 3,1416.52
/4 = 19,625 (cm2
)
- Tiết diện bề mặt làm việc của Piston phía có cần:
A’ = 3,1416.(52
– 1,22
)/4 = 18,5 cm2
- Lực đẩy lý thuyết hành trìnhtới:
Flt = 19,625.104
(m2
). 6.105
(N/m2
) = 1177,5 N
- Lực ma sát: Fms = 117,75 N.
- Lực đẩy thực tế của hành trình tới (thuận):
Ftt = 1177,5 – 117,75 = 1060 (N)
- Lực đẩy lý thuyết của hành trình về (ngược):
Fth = A’.P = 18,5.104
(m2
).6.105
(N/m2
) = 1110 N
- Lực ma sát: Fms = 111 N.
- Lực đẩy thực tế của hành trình về (nghịch):
Ftt = A.p.FR = 18,5.104
.6.105
– 111 = 999 N
Thông thường, ta có thể xác định lực đẩy của Piston thông qua biểu đồ quan hệ
như sau:

Độ dài của hànhtrình:
Độ dài hành trình của một xi lanh khí nén thường không quá 2m. Khi hành trình quá
dài, đường kính xi lanh quá lớn thì việc ứng dụng khí nén sẽ không kinh tế. Khi hành trình
vượt quá một giới hạn nhất định, độ mỏi cơ học của trục Piston và của bạc sẽ giảm quá độ.
Để tránh mọi nguy cơ xảy ra uốn dọc, người ta tăng đường kính của cần Piston lên khi hành
trình dài và tăng khoảng cách giữa các cửa. Biểu đồ quan hệ giữa các thông số của cán
Piston và lực đẩy như sau:
Vận tốc của Piston xilanh khínén:
Tốc độ của một Piston xi lanh khí nén là một hàm của sức cản, áp suất khí, chiều dài
mạng phân phối, tiết diện trong của các cơ cấu phân phối điều khiển và các thiết bị làm việc,
lưu lượng của các bộ phân phối điều khiển. Ngoài ra, tốc độ còn bị ảnh hưởng bởi giảmchấn ở
cuối hànhtrình.
Vận tốc trung bình của Piston thay đổi trong phạm vi từ 0,1 đến 1,5 m/s. Với các
xilanh đặc biệt có thể đạt tới 10 m/s.
Có thể điều chỉnh được vận tốc của Piston nhờ có các loại van đặc biệt như van một
chiều có tiết lưu hay van thoát khí nhanh (van xả nhanh).
Lượng tiêu thụ không khínén.
Việc chuẩn bị một lượng không khí cần thiết hay thống kê sự tổn hao năng lượng khí

nén đúng với lượng không khí đã chuẩn bị là một việc quan trọng. Với một áp suất cung cấp
xác định, đường kính Piston và hành trình cho trước, sự tiêu thụ không khí có thể được tính
như sau:
Lượng khí nén tiêu thụ = Tỷ số nén x Tiết diện bề mặt làm việc Piston x Hành
trình x số hành trình trên phút.
0
0
p p
Q . .
p
d
A S n
+
= =
Tỷ số nén được tính theo công thức sau:
0 0
p p ( ) 101,3 p ( )
p 101,3
d a a
d
kP kP

+ +
= =
Trong đó:
Q: Lượng khí tiêu thụ trên phút (l/ph, 1 lít = 1000 cm3
).
Pd: Áp suất dư của không khí.
(T = 273,15K = 00
C, p =101,325 Pa = 101325 N/m2
= 1,01325 bar).
S: Hành trình của Piston (cm).
n: Số hành trình dịch chuyển trên phút (lần /ph).
Ví dụ 2:
Một xi lanh đơn, có đường kính D = 50 mm và hành trình là 120mm được hoạt động
với áp suất là 6 bar trong 100 hành trình. Hãy xác định lượng khí tiêu thụ của xi lanh.
Giải: D = 50mm = 5 cm.
S = 120 mm = 12 cm. Pd = 6 bar.
n = 100 lần.
Áp dụng công thức ta có:
2
3
314.5( ) 6 1
Q .12 .100. 16433,6 / 165 /
4 1
cm bar bar
cm cm ph l ph
bar
+
= = =
Thông thường trong tính toán nếu không cần độ chính xác cao, người ta dùng
phương pháp xác định bằng biểu đồ.
Với xi lanh đơn: Q = S.n.q
Với xi lanh kép: Q = 2.S.n.q
Trong đó:
q - Lượng tiêu thụ riêng trên một cm hành trình (l/cm), được tra bảng hoặc đồ thị
như sau:

Lượng tiêu thụ khí riêng của xi lanh q như bảng sau:
Đường kính
xilanh
Áp suất dư (bar)
4 6 8
Lượng tiêu thụ khí riêng q (l/cm)
12 0,006 0,008 0,01
25 0,024 0,033 0,043
35 0,047 0,066 0,084
50 0,096 0,14 0,18
70 0,19 0,26 0,34
100 0,39 0,54 0,69
1.6.3. Động cơ khí nén.
1.6.3.1. Khái niệm chung.
Ký hiệu động cơ khí nén:
Động cơ khí nén là cơ cấu chấp hành, có nhiệm vụ biến đổi năng lượng thế năng,
động năng của khí nén thành năng lượng cơ học - chuyển động quay.

1.6.3.2. Động cơ bánh răng.
Động cơ bánh răng được chia làm 3 loại: Động cơ bánh răng thẳng, động cơ bánh
răng nghiêng và động cơ bánh răng chữ V. Động cơ bánh răng thường có công suất đến
59KW với áp suất làm việc 6bar và mômen quay đạt đến 540Nm.
1.6.3.3. Động cơ trục vít.
Hai trục quay của động cơ trục vít có bánh răng ăn khớp với nhau, số răng của trục
lồi ít hơn số răng của trục vít lõm từ 1-2 răng. Để 2 trục vít quay ăn khớp với nhau là hai
trục phải quay đồng bộ.
1.6.3.4. Động cơ cánh gạt.
Nguyên lý hoạt động của động cơ cánh gạt: Khí nén sẽ được dẫn vào cửa vào
truyền qua rãnh vào lỗ dẫn khí nén. Dưới tác dụng của cánh gạt, rôto quay, khí nén được
thải ra bằng cửa ra.
1.6.3.5. Động cơ Tuốcbin.
Nguyên lý hoạt động của động cơ tuốcbin là biến đổi động năng của dòng khí nén
đi qua vòi phun thành cơ năng. Vì vậy số vòng của động cơ đạt rất cao (10.000 vòng/
phút). Động cơ tuốc bin được phân chia theo hướng của dòng khí nén vào tuốc bin thành
các loại như: dọc trục và hướng trục…
NỘI DUNG THẢO LUẬN
Nội dung 1: Khái niệm về hệ thống điều khiển điện – khí nén và thủy lực.
Nội dung 2: Ưu và nhược điểm và ứng dụng của hệ thống khí nén và thủy lực.
Nội dung 3: Hệ thống phân phối nguồn khí nén và thủy lực, các loại bơm dầu trong hệ
thống thủy lực.
NỘI DUNG CỐT LÕI
Nội dung 1: Hiểu khái niệm hệ thống điều khiển điện – khí nén và thủy lực.
Nội dung 2: Ưu điểm, nhược điểm và ứng dụng của hệ thống khí nén và thủylực.
Nội dung 3: Hệ thống phân phối nguồn khí nén và thủy lực, các loại bơm dầu trong hệ
thống thủy lực.
CÂU HỎI ÔN TẬP, LIÊN HỆ THỰC TẾ
Câu hỏi ôn tập:
Câu 1. Trình bày khái niệm và ưu nhược điểm của hệ thống điều khiển khí nén?

Câu 2. Trình bày sơ đồ hệ thống điều khiển khí nén và thủy lực?
Câu 3. Trình bày các đặc điểm của hệ thống điều khiển khí nén?
Câu 4. Nêu cơ cấu chấp hành máy hệ thống điều khiển khí nén?
Câu 5. Phân loại máy nén khí?
Câu 6. Phạm vi ứng dụng của khí nén, thủy lực trong công nghiệp?
Câu 7. Trình bày các loại bơm dầu trong hệ thống thủy lực?
Liên hệ thực tế:
Câu 8: Tìm hiểu thiết bị khí nén và thủy lực trong hệ thống sản xuất: mía đường, sữa,...
NỘI DUNG TỰ HỌC Ở NHÀ
Tìm hiểu hệ thống cung cấp và phối khí nén thủy lực trong nhà máy công nghiệp.

Chương 2: Các phần tử trong hệ thống điều khiển khí nén.
CHƯƠNG 2
CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
KHÍ NÉN THỦY LỰC
Mục tiêu:
- Giải thích được nguyên lý hoạt động của các loại van.
- Lắp đặt và vận hành các loại van.
- Lắp đặt và vận hành các loại cảm biến khí nén và phần tử chuyển đổi tín hiệu.
- Rèn luyện tính chính xác, sáng tạo và khoa học trong học tập.
2.1. Khái niệm.
Hệ thống điều khiển khí nén theo tiêu chuẩn DIN 19266 (tiêu chuẩn của Cộng hòa
Liên Bang Đức) được mô tả như sau:
- Phần tử đưa tín hiệu: nhận các giá trị của đại lượng vật lý là các phần tử đầu tiên
của mạch điều khiển. Ví dụ: van đảo chiều, van áp suất…
- Phần tử xử lý tín hiệu: Xử lý tín hiệu nhận vào theo một quy tắc logic xác định,
làm thay đổi trạng thái các phần tử điều khiển. Ví dụ: van đảo chiều, van tiết lưu, van
logic AND, van OR..
- Phần tử điều khiển: điều khiển dòng năng lượng theo yêu cầu, thay đổi trạng thái
của cơ cấu chấp hành. Ví dụ: van đảo chiều…
- Cơ cấu chấp hành: thay đổi trang thái của đối tượng điều khiển, là đại lượng ra
của mạch điều khiển. Ví dụ: xylanh, động cơ…

Hình 2.1: Cấu trúc của hệ thống điều khiển khí nén thủy lực.
2.2. Các phần tử khí nén thủy lực.
2.2.1. Van đảo chiều.
Van đảo chiều có nhiệm vụ điều khiển dòng năng lượng bằng cách đóng, mở hay
chuyển đổi vị trí, để thay đổi hướng của dòng năng lượng.
2.2.1.1. Nguyên lí hoạt động.
Nguyên lý hoạt động của van đảo chiều: khi chưa có tín hiệu tác động vào cửa
(12) thì cửa (1) bị chặn và cửa (2) nối với cửa (3). Khi có tín hiệu tác động vào cửa (12),
tác động bằng dòng khí nén, nòng van sẽ dịch chuyển về phía bên phải, cửa (1) nối với
cửa (2) và cửa (3) bị chặn. Trường hợp tín hiệu tác động vào cửa (12) mất đi, dưới tác
động của lực lò xo, nòng van sẽ trở về vị trí ban đầu.

Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động của van đảo chiều.
2.2.1.2. Ký hiệu van đảo chiều.
Chuyển đổi vị trí của nòng van được biểu diễn bằng các ô vuông liền nhau với các
chữ cái o, a, b, c… hay các chữ số 0, 1, 2, 3….
Đối với van có 3 vị trí, vị trí ở giữa là vị trí “không”. Đối với van có 2 vị trí thì vị
trí “không” có thể là “a” hoặc là “b”, thông thường là vị trí “b”.
Bên trong ô vuông của mỗi vị trí là các đường thẳng có hình mũi tên, biểu diễn
hướng chuyển động của dòng khí qua van. Trường hợp dòng van bị chặn được biểu diễn
bởi dấu gạch ngang.
Hình 2.3: Ký hiệu các cửa van nối của van đảo chiều.
- Ký hiệu và tên gọi van đảo chiều:

- Một số van đảo chiều thường gặp:
2.2.1.3. Tín hiệu tác động.
Nếu ký hiệu lò xo nằm bên phải của ký hiệu van đảo chiều thì van đảo chiều có vị
trí “không”. Vị trí đó là ô vuông phía bên phải của ký hiệu van đảo chiều và được ký hiệu
“0”. Điều đó có nghĩa là khi chưa có tín hiệu tác động vào nòng van thì lò xo tác động
giữ vị trí đó.
Ví dụ:
Tín hiệu tác động bằng tay:

Tác động bằng cơ:
Tác động bằng khí nén:
Tác động bằng nam châm điện:

2.2.1.4. Van đảo chiều có vị trí “không”
Van đảo chiều 2/2: tác động cơ học – đầu dò.
Hình 2.4: Van đảo chiều 2/2 của hãng Festo.
Van có 2 cửa P và R, 2 vị trí 0 và 1. Ở vị trí 0: cửa P và R bị chặn. Nếu đầu dò tác
động vào, từ vị trí 1 van được chuyển sang vị trí 0, khi đó cửa P nối với R. Khi đầu dò
không còn tác động thì van sẽ trở lại vị trí ban đầu do lực nén của lò xo.
Van đảo chiều 3/2: tác động cơ học – đầu dò.
Van có 3 cửa P, A và R. Có 2 vị trí 0, 1. Ớ vị trí 0: cửa P bị chặn, cửa A nối với
cửa R. Nếu đầu dò tác động vào, từ vị trí 0 van sẽ chuyển sang vị trí 1, khi đó cửa P nối
với cửa A, cửa R sẽ bị chặn. Khi đầu dò không còn tác động nữa thì van sẽ trở về vị trí
ban đầu bằng lực nén của lò xo.
Hình 2.5: Van đảo chiều 3/2 của hãng Festo
Van đảo chiều 3/2 tác động bằng tay – nút ấn, ký hiệu:
Van đảo chiều 3/2 tác động bằng nam châm điện qua van phụ trợ, ký hiệu:

Tại vị trí “không” cửa P bị chặn, cửa A nối với cửa R. Khi dòng điện vào cuộn
dây, pittông trụ bị kéo lên, khí nén sẽ theo hướng P1, 12 tác động lên pittông phụ, pitông
phụ bị đẩy xuống, van sẽ chuyển sang vị trí “1” cửa A nối với cửa P, cửa R bị chặn. Khi
dòng điện mất đi, pittông trụ bị lò xo kéo xuống và khí nén ở phần trên pittông phụ sẽ
theo cửa R thoát ra ngoài.
Van đảo chiều 3/2 tác động bằng tay- công tắc, ký hiệu:
Van đảo chiều 3/2 tác động bằng dòng khí nén từ 1 phía:
Van đảo chiều 4/2:
Ký hiệu van đảo chiều 4/2 tác động bằng tay – bàn đạp:
Van đảo chiều 4/2 tác động trực tiếp bằng nam châm điện:
Tại vị trí 0: cửa P nối với cửa B, cửa A nối với cửa R. Khi có dòng điện vào cuộn
dây van sẽ chuyển sang vị trí 1. Khi đó cửa A nối với P, cửa B nối với R.
Van đảo chiều 5/2. Tác động bằng cơ – đầu dò
Hình 2.6: Ký hiệu van 5/2 tác động bằng cơ- đầu dò.

Van 5/2 tác động bằng khí nén:
Hình 2.7: Ký hiệu van 5/2 tác động bằng khí nén.
2.2.1.5. Van đảo chiều không có vị trí “không”
Van đảo chiều không có vị trí “không” là loại van sau khi tác động lần cuối lên
nòng van thì van sẽ giữ nguyên vị trí tác động cuối cùng đến khi chưa có tín hiệu tác
động lên phía đối diện của nòng van.
Tác động lên nòng van có thể là: Tác động bằng tay, bàn đạp; Tác động bằng dòng
khí nén điều khiển đi vào hoặc đi ra từ hai phía; Tác động trực tiếp bằng điện từ hay gián
tiếp bằng dòng khí nén qua van phụ trợ.
Loại van đảo chiều chịu tác động bằng dòng khí nén điều khiển đi vào hay đi ra từ
hai nòng van hay tác động trực tiếp bằng nam châm điện từ hoặc gián tiếp bằng dòng khí
nén đi qua van phụ trợ được gọi là van đảo chiều xung. Bởi vì vị trí của van được thay
đổi khi có tín hiệu xung tác động lên nòng van.
Van trượt đảo chiều 3/2 tác động bằng tay:
Hình 2.8: Van trượt đảo chiều tác động bằng tay.
Khi dịch chuyển ống lót sang vị trí a thì cửa P nối với A và cửa R bị chặn. Khi
dịch chuyển ống lót sang vị trí b thì cửa A sẽ nối với với R và cửa P bị chặn.
Van xoay đảo chiều 4/3 tác động bằng tay:

Van đảo chiều xung 4/2 tác động bằng dòng khí nén: Ký hiệu:
Dòng khí nén điều khiển đi ra từ 2 phía của nòng van: hai nòng van được khoan lỗ
có đường kính  1mm và thông với cửa P. Khi có áp suất ở cửa P, dòng khí nén điều
khiển sẽ vào cả 2 phía đối diện của nòng van qua lỗ và nòng van ở vị trí cân bằng. Khi
cửa X là cửa xả khí, nòng van sẽ được chuyển sang vị trí b, cửa P nối với của A và cửa B
nối với cửa R. Khi cửa X ngừng xả khí, thì vị trí của nòng van vẫn nằm ở vị trí b đến khi
chưa có tín hiệu xả khí ở cửa Y.
Van đảo chiều xung 5/2 tác động bằng dòng khí nén:
Dòng khí nén điều khiển đi ra từ 2 phía nòng van: Nguyên tắc hoạt động tương tự
van đảo chiều 4/2 tác động bằng dòng khí nén đi ra từ 2 phía của nòng van.
Hình 2.9: Van xoay đảo chiều xung 5/2 tác động bằng dòng khí nén đi ra.
Van đảo chiều xung 3/2 tác động bằng nam
châm điện qua van phụ trợ:
2.2.2. Van chặn.
Van chặn là loại van chỉ cho lưu lượng khí đi theo một chiều, chiều ngược lại bị
chặn. Áp suất dòng chảy tác động lên bộ phận chặn của van và được đóng lại. Van chặn
gồm các loại sau: Van một chiều; Van lôgic OR; Van lôgic AND; Van xả khí nhanh.

2.2.2.1. Van một chiều.
Ký hiệu:
Van một chiều có tác dụng chỉ cho lưu lượng khí nén đi qua theo một chiều, chiều
ngược lại bị chặn. Dòng khí nén đi từ A qua B, chiều từ B qua A bị chặn.
2.2.2.2. Van logic OR.
Ký hiệu:
Van lôgic OR có chức năng nhận tín hiệu điều khiển ở những vị trí khác nhau
trong hệ thống điều khiển. Khi có dòng khí nén qua cửa P1 sẽ đẩy pittong của van sang
bên phải chắn cửa P2, khi đó cửa P1 sẽ nối với cửa A. Hoặc khi có dòng khí nén đi cửa P2,
sẽ đẩy pittong trụ của van sang vị trí bên trái chắn cửa P1, cửa P2 sẽ nối với cửa A.
2.2.2.3. Van lôgic AND.
Ký hiệu:
Van lôgic AND có chức năng nhận tín hiệu điều khiển cùng một lúc ở những vị trí
khác nhau trong hệ thống điều khiển. Khi có dòng khí nén qua cửa P1 sẽ đẩy pittong trụ
của van sang vị trí bên phải, khi đó P1 sẽ bị chặn. Hoặc khi có dòng khí nén đi cửa P2, sẽ
đẩy pittong trụ của van sang vị trí bên trái, cửa P2 sẽ bị chặn. Nếu dòng khí nén đồng thời
đi qua cửa P1 và cửa P2 thì cửa A sẽ nhận được tín hiệu.
2.2.2.4. Van xả khí nhanh.
Ký hiệu:
Khi dòng khí nén đi qua cửa P sẽ đẩy pittong trụ sang bên phải, chặn cửa R khi đó
cửa P nối với cửa A. Trường hợp ngược lại, khi dòng khí nén đi từ cửa A, sẽ đẩy pittong
trụ sang trái, chắn cửa P và khi đó cửa A nối với cửa R. Van xả khí nhanh thường lắp ở vị
trí gần cơ cấu chấp hành.

2.2.3. Van tiết lưu.
Van tiết lưu có nhiệm vụ điều chỉnh lưu lượng dòng chảy, tức là điều chỉnh tốc độ
hoặc thời gian chạy của cơ cấu chấp hành.
2.2.3.1. Van tiết lưu có tiết diện không thay đổi được.
Ký hiệu:
Lưu lượng dòng chảy qua khe hở của van có tiết diện không thay đổi được.
2.2.3.2. Van tiết lưu có tiết diện điều chỉnh được.
Ký hiệu:
Có thể điều chỉnh được lưu lượng dòng khí nén đi qua van. Dòng khí nén đi từ A
qua B và ngược lại. Tiết diện A thay đổi bằng vít điều chỉnh.
2.2.3.3. Van tiết lưu một chiều điều chỉnh bằng tay.
Ký hiệu:
Tiết diện dòng chảy A thay đổi bằng cách điều chỉnh vít điều chỉnh bằng tay. Khi
dòng khí nén từ A qua B, lò xo đẩy màng chắn xuống và dòng khí nén chỉ đi qua tiết diện
A. Khi dòng khí nén đi từ B sang A, áp suất khí nén thắng lực lò xo, đẩy màng chắn lên
và khi đó dòng khí nén đi qua khe hở giữa màng chắn và mặt tựa màng chắn, lưu lượng
không điều chỉnh được.
2.2.4. Van áp suất.
2.2.4.1. Van an toàn.
Ký hiệu:
Van an toàn có nhiệm vụ giữ cho áp suất lớn nhất mà hệ thống có thể tải. Khi áp
suất lớn hơn áp suất cho phép của hệ thống thì dòng áp suất khí nén sẽ thắng lực lò xo,
khi đó khí nén sẽ theo cửa R ra ngoài không khí.

2.2.4.2. Van tràn.
Ký hiệu:
Nguyên tắc hoạt động của van tràn tương tự như van an toàn, nhưng khác ở chỗ là
khi áp suất ở cửa P đạt được giá trị xác định thì cửa P nối với cửa A và nối với hệ thống
điều khiển.
2.2.4.3. Van điều chỉnh áp suất.
Ký hiệu:
Van điều chỉnh áp suất không có cửa xả khí Van điều chỉnh áp suất có cửa xả khí.
Van điều chỉnh áp suất có nhiệm vụ giữ cho áp suất không đổi cả khi có sự thay
đổi bất thường của tải trọng ở phía đầu ra hoặc sự dao động áp suất ở đầu vào.
Nguyên lý làm việc: khi điều chỉnh trục vít, trong trường hợp áp suất của đầu ra
tăng so với áp suất được điều chỉnh, khí nén sẽ qua lỗ thông tác dụng lên màng, vị trí kim
van sẽ thay đổi, khí nén sẽ qua cửa xả khí ra ngoài. Đến khi áp suất ở đầu ra giảm xuống
bằng áp suất được điều chỉnh thì kim van sẽ trở về vị trí ban đầu.
2.2.4.4. Rơ le áp suất.
Ký hiệu:
Rơle áp suất có nhiệm vụ đóng mở công tắc điện, khi áp suất trong hệ thống vượt
quá mức yêu cầu. Trong hệ thống điều khiển điện khí nén, rơ le áp suất là phần tử chuyển
đổi tín hiệu điện - khí nén. Công tắc điện đóng, mở tương ứng với những áp suất khác
nhau, có thể điều chỉnh bằng vít điều chỉnh.
2.2.5. Van điều chỉnh thời gian.
2.2.5.1. Van điều chỉnh thời gian đóng chậm.
Nguyên lý làm việc: Rơle thời gian đóng chậm gồm các phần tử: van tiết lưu một
chiều điều khiển bằng tay, bình trích chứa, van đảo chiều 3/2 ở vị trí “0” cửa P bị chặn.

Khí nén qua van tiết lưu một chiều, cần thời gian t1 để làm đầy bình chứa, sau đó tác
động lên nòng van đảo chiều, van đảo chiều chuyển đổi vị trí, cửa P nối với cửa A.
Hình 2.10: Rơ le thời gian đóng chậm.
2.2.5.2. Rơ le thời gian ngắt chậm
Nguyên lý làm việc: Rơle thời gian ngắt chậm có cấu tạo và nguyên lý làm việc
tương tự như rơle thời gian đóng chậm, nhưng van tiết lưu một chiều có chiều ngược lại.
Hình 2.11: Rơ le thời gian ngắt chậm.
2.3. Các phần tử điện, điện- khí nén.
2.3.1. Các phần tử điện.
2.3.1.1. Công tắc.
Trong kỹ thuật điều khiển, công tắc, nút ấn thuộc phần tử đưa tín hiệu. Có hai loại
công tắc thông dụng: công tắc đóng – mở và công tắc chuyển mạch.
Hình 2.12: Công tắc và ký hiệu công tắc.

2.3.1.2. Nút ấn.
Nút ấn đóng- mở: Khi chưa tác động thì chưa có dòng điện chạy qua (mở), khi tác
động thì dòng điện sẽ đi qua. Nút ấn chuyển mạch sẽ chuyển trạng thái của mạch. Có 2
loại nút ấn thông dụng: nút ấn đóng – mở và nút ấn chuyển mạch.
Hình 2.13: Cấu tạo và ký hiệu nút ấn.
2.3.1.3. Công tắc hành trình.
Hình 2.14: Cấu tạo và ký hiệu công tắc hành trình.
2.3.1.4. Rơle.
Trong kỹ thuật điều khiển, rơle được sử dụng như phần tử xử lý tín hiệu. Có nhiều
loại rơle tùy vào ứng dụng. Nguyên tắc hoạt động của rơle là từ trường của cuộn dây,
trong quá trình đóng mở sẽ có hiện tượng tự cảm. Gồm các loại rơle như sau:
Rơle đóng mạch.
Ký hiệu:
Rơle thời gian đóng chậm.
Hình 2.15: Cấu tạo và ký hiệu rơle đóng chậm.

Rơle thời gian ngắt chậm.
Hình 2.16: Cấu tạo và ký hiệu của rơle ngắt chậm.
2.3.2. Phần tử điện khí nén.
2.3.2.1. Van điều khiển bằng nam châm điện.
Van đảo chiều điều khiển bằng nam châm điện kết hợp với khí nén có thể điều
khiển trực tiếp ở 2 đầu của nòng van hoặc là gián tiếp qua van phụ trợ.
2.3.2.2. Điều khiển trực tiếp:
Hình 2.17: Van 2/2 và van 3/2 đảo chiều trực tiếp bằng nam châm điện.
2.3.2.3. Điều khiển gián tiếp.
Hình 2.18: Van 3/2 và van 5/2 đảo chiều gián bằng nam châm điện.

BÀI TẬP CHƯƠNG 2
Bài 1:
Hãy thiết kế mạch điều khiển như hình vẽ và giải thích nguyên lý hoạt động.
Bài 2:
Bài 3:

Bài 4:
Bài 5:
Bài 6:
Một tấm nhựa được ép hai mép với nhau bằng hệ thống điều khiển khí nén như
sau: Nhấn 1 nút nhấn xilanh mang đầu gia nhiệt đi ra chậm thực hiện ép nóng, lực tối đa
của đầu xilanh cho phép ở áp suất 4bar (áp suất này tấm nhựa không bị hư), khi xilanh
đến cuối hành trình và đạt áp suất P = 3bar thì xilanh tự quay về kết thúc một chu trình.
Nếu thực hiện chu trình tự động, xilanh phải chờ một khoảng thời gian 2 giây sau đó tự
động tiếp tục chu trình mới.

Bài 7: Hãy thiết kế mạch điều khiển như hình vẽ và giải thích nguyên lý hoạt động

Bài 8:
Một hệ thống ép rác sinh hoạt điều khiển như sau: Hệ thống gồm 2 xilanh, nhấn 1
nút nhấn xilanh tác động 1 phía đi ra, đến cuối hành trình thì xilanh tác động 2 phía đi ra
để ép sức ép tối đa cho phép là 2200N. Cuối hành trình thì cả 2 xilanh quay trở về để
hoàn tất một chu trình. Trường hợp khi xi lanh 2 đang thực hiện đi ra mà áp suất vượt quá
mức áp suất cho phép thì cả 2 xilanh phải đồng thời lập tức quay trở về.
Bài 9:
Cơ cấu cấp phôi tự động điều khiển bởi hệ thống như sau: Chi tiết được đưa từng
cặp đến vị trí tiện tự động. Để thực hiện việc này phải sử dụng 2 xilanh chuyển động
ngược nhau. Khi nhấn nút xilanh A đi xuống cuối hành trình đồng thời xilanh B đi lên,
lúc này chi tiết được đưa đến vị tri gia công. Sau 30 giây thì xilanh A đi lên đồng thời
xilanh B đi xuống. Quá trình có thể thực hiện 1 chu kỳ hoặc tự động chu kỳ tiếp theo sau
1 khoảng thời gian định trước.

Nội dung 1: Các phần tử đưa tín hiệu trong hệ thống điều khiển điện khí nén và thủy lực.
Nội dung 2: Các phần tử xử lý tín hiệu điều khiển trong hệ thống khí nén và thủy lực.
Hiểu rõ các phần tử đưa tín hiệu và các phần tử xử lý tín hiệu trong hệ thống điều khiển
khí nén và thủy lực.
Câu hỏi ôn tập:
Câu 1. Trình bày khái niệm và phân loại của các phần tử khí nén trong hệ thống?
Câu 2. Trình bày nguyên lý hoạt động, kí hiệu, tín hiệu tác động của van đảo chiều?
Câu 3. So sánh van đảo chiều có vị trí “không” và van đảo chiều không có vị trí
“không”?

Câu 4. Trình bày khái niệm van chắn? Nêu nguyên lý hoạt động, kí hiệu của các loại van
chắn?
Câu 5. Nêu yêu cầu và phân loại cơ cấu chấp hành trong hệ thống điều khiển khí nén?
Câu 6. Trình bày phần tử tín hiệu không điện trong khí nén và thủy lực?
Câu 7. Trình bày phần tử tín hiệu điện trong khí nén và thủy lực?
Câu 8. Trình bày phần tử logic AND trong khí nén và thủy lực?
Câu 9. Trình bày phần tử logic OR trong khí nén và thủy lực?
Câu 10. Trình bày phần tử logic NAND trong khí nén và thủy lực?
Câu 11. Trình bày phần tử logic NOR trong khí nén và thủy lực?
Câu 12: Tìm hiểu thiết bị khí nén và thủy lực trong hệ thống sản xuất: mía đường, sữa,...
Tìm hiểu các phần tử logic khí nén thủy lực trong hệ thống máy cán tôn tự động trong
nhà máy công nghiệp.

Chương 3: Phương pháp thiết kế mạch điều khiển khí nén
CHƯƠNG 3
PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN
Mục tiêu:
- Thiết kế được mạch điều khiển khí nén thông qua các phương pháp điều khiển.
- Vận hành mô phỏng mạch khí nén.
- Rèn luyện tính chủ động, nghiêm túc trong học tập và trong công việc.
- Câu hỏi thảo luận.
- Hoạt động làm việc nhóm.
- Bài tập (làm tại lớp).
3.1. Biểu diễn biểu đồ trạng thái của quá trình điều khiển.
3.1.1. Ký hiệu trên biểu đồ trạng thái.
Hình 3.1: Ký hiệu biểu diễn biểu đồ trạng thái.

3.1.2. Thiết lập biểu đồ trạng thái.
- Biểu đồ trạng thái biểu diễn trạng thái các phần tử trong mạch, mối liên hệ giữa
các phần tử và trình tự chuyển mạch của các phần tử.
- Trục tọa độ thẳng đứng biểu diễn trạng thái (hành trình chuyển động, góc quay).
- Trục tọa độ nằm ngang biểu diễn các bước thực hiện, thời gian hành trình.
- Hành trình làm việc được chia thành các bước. Sự thay đổi trạng thái trong các
bước được được biểu diễn bằng nét đậm. Sự liên kết các tín hiệu được biểu diễn bằng
đường nét nhỏ và chiều tác động biểu diễn bằng mũi tên.
Ví dụ 1: Lập biểu đồ trạng thái của quy trình điều khiển như sau:
Xy lanh tác dụng 2 chiều 1.0 sẽ đi ra khi tác động vào nút ấn 1.2 hoặc 1.4. Muốn
xy lanh lùi về thì phải tác động đồng thời nút ấn 1.6 và 1.8. Biểu đồ trạng thái của xylanh
1.0 được biểu diễn theo biểu đồ trạng thái của xylanh sau.
- Nút ấn 1.2 và nút ấn 1.4 là liên kết OR.
- Nút ấn 1.6 và 1.8 là liên kết AND
- Xy lanh đi ra ký hiệu dấu “+”
- Xy lanh lùi về ký hiệu ‘-‘
Sơ đồ mạch khí nén của quy trình điều khiển xy lanh 1.0
Ví dụ 2: Lập biểu đồ trạng thái của quy trình điều khiển 2 xylanh tác động 2 chiều có
hoạt động như hình sau:

- Khi tác động vào nút ấn 1.2, xylanh thứ nhất 1.0 đi ra để uốn chi tiết. Sau khi uốn
xong (chạm vào công tắc hành trình 1.4) xylanh lùi về.
- Sau khi lùi về hết hành trình của pittong, công tắc hành trình 2.3 sẽ tác động lên
xylanh thứ hai 2.0, xylanh 2.0 sẽ đi ra để dịch chuyển chi tiết tiếp theo. Khi chạm vào
công tắc hành trình 2.5, xylanh 2.0 sẽ lùi về.
Ví dụ 3. Nguyên lý làm việc của máy khoan như hình sau: Sau khi chi tiết được kẹp
(xylanh 1.0 đi ra) đầu khoan bắt đầu đi xuống (xylanh 2.0) và khoan chi tiết. Khi đầu
khoan đã lùi trở về thì chi tiết được tháo ra (xylanh 1.0 lùi về).
Nguyên lý làm việc và biểu đồ trạng thái của máy khoan.
Sơ đồ mạch điều khiển khí nén của máy khoan.

3.2. Phương pháp thiết kế mạch điều khiển khí nén.
Phương pháp thiết kế mạch điều khiển khí nén gồm các phương pháp sau:
- Điều khiển bằng tay.
- Điều khiển tùy động theo thời gian.
- Điều khiển tùy động theo hành trình.
- Điều khiển theo tầng.
- Điều khiển theo nhịp.
3.2.1. Điều khiển bằng tay.
Điều khiển bằng tay được ứng dụng phần lớn ở những mạch điều khiển bằng khí
nén đơn giản như gá kẹp chi tiết, khoan…
3.2.1.1. Điều khiển bằng tay trực tiếp.
Điều khiển trực tiếp có đặc điểm là chức năng đưa tín hiệu do một phần tử đảm
nhận hoặc hai phần tử riêng biệt.
Ví dụ 4: Mạch điều khiển trực tiếp sử dụng một phần tử:

Ví dụ 5: Mạch điều khiển trực tiếp sử dụng hai phần tử:
3.2.1.2. Điều khiển bằng tay gián tiếp.
Ví dụ 6: Pittong đi ra và lùi về được điều khiển gián tiếp xylanh tác động 2 chiều bằng
phần tử nhớ 1.3.
3.2.2. Điều khiển tùy động theo thời gian.
3.2.2.1. Điều khiển tùy động theo thời gian 1 chu kỳ.
Ví dụ 7: Khi nhấn nút ấn 1.1 van đảo chiều 1.3 đổi vị trí, pittong 1.0 đi ra, đồng thời khí
nén sẽ qua cửa X để vào phần tử thời gian 1.2. Sau khoảng thời gian ”t” van 1.3 đổi vị trí,
xylanh 1.0 sẽ lùi về.

3.2.2.2. Điều khiển tùy động theo thời gian có chu kỳ tự động.
Ví dụ 8: Điều khiển tùy động theo thời gian một xy lanh theo mạch điều khiển khí nén và
biểu đồ trạng thái như sau.

Ví dụ 9:
Điều khiển vận tốc bằng van tiết lưu một
chiều như sau: Khi ấn nút ấn 1.1 vận tốc đi
ra của xylanh 1.0 phụ thuộc vào độ mở của
van tiết lưu. Khi ngắt nút ấn, vận tốc đi vào
của xylanh sẽ tăng lên nhờ khí nén thoát
theo 2 đường van tiết lưu và van một chiều.
Ví dụ 10:
Điều khiển vận tốc bằng van thoát khí
nhanh như sau: Khi ấn nút ấn 1.1 vận tốc
đi ra của xylanh 1.0 sẽ chậm. Khi ngắt
nút ấn, vận tốc đi vào của xylanh sẽ tăng
lên nhờ khí nén thoát ở van xả khí
nhanh.
3.2.3. Điều khiển tùy động theo hành trình.
Cơ sở lý thuyết điều khiển tùy động theo hành trình là vị trí của các công tắc hành
trình. Khi một bước thực hiện trong mạch điều khiển có lỗi thì mạch điều khiển sẽ không
hoạt động.
Ví dụ 11: Điều khiển tùy động theo hành trình một xy lanh theo mạch điều khiển khí nén
và biểu đồ trạng thái như sau:

Ví dụ 12:
Điều khiển tùy động theo hành
trình một xylanh có chu kỳ tự
động. Mạch điều khiển được
thực hiện tự động nhờ sử dụng
nút ấn có rãnh định vị 1.1, khi
nút ấn 1.1 ở vị trí b thì mạch sẽ
ngừng hoạt động.
Biểu đồ trạng thái điều khiển tùy động theo hành trình một xylanh có chu kỳ tự
động như sau:
Ví dụ 13: Điều khiển tùy động theo hành trình với một xylanh có phần tử thời gian giới
hạn dừng pittong ở cuối hành trình như sau:

Ví dụ 14: Thiết kế mạch điều khiển khí nén theo phương pháp điều khiển tùy động hành
trình của thiết bị khoan với biểu đồ trạng thái sau theo 2 trường hợp như sau:
Điều khiển với một hành trình.
Sơ đồ mạck khí nén điều khiển 2 xylanh với chu kỳ tự động.
3.2.4. Điều khiển theo tầng.
Thiết kế mạch điều khiển theo tầng là chia các bước thực hiện cùng chức năng
thành từng tầng riêng biệt. Ở mỗi tầng hoàn thành một hoặc một số bước của chu kỳ điều
khiển. Phần tử cơ bản của điều khiển theo tầng là các phần tử nhớ - van đảo chiều 4/2
hoặc van đảo chiều 5/2. Điều khiển theo tầng là bước hoàn thiện của điều khiển theo
hành trình.

3.2.4.1. Nguyên tắc thiết kế mạch điều khiển theo tầng.
Thiết kế mạch điều khiển theo tầng cần thoả hai nguyên tắc sau:
- Tín hiệu vào ở các bước trong cùng một tầng không được trùng nhau.
- Tại thời điểm bất kỳ chỉ có duy nhất một tầng điều khiển hoạt động.
Ví dụ:
3.2.4.2. Các dạng mạch điều khiển theo tầng chuẩn.
Mạch điều khiển theo 2 tầng:
Nguyên tắc hoạt động: khi tầng I có khí nén thì tầng II sẽ không có khí nén và
ngược lại khi tầng II có khí nén thì tầng I không có khi nén. Không tồn tại 2 tầng có khí
nén cùng một lúc.
Số lượng van đảo chiều (van 5/2 phần tử nhớ) luôn bằng số tầng trừ đi 1 (n-1).
- Mạch 2 tầng (n = 2) sẽ có 1 (n-1 = 1) phần tử nhớ.
- E1 là tín hiệu đầu tầng I, E2 là tín hiệu đầu tầng II.
- Ban đầu, khí từ nguồn sẽ cung cấp cho tầng 2, sau khi có tín hiệu E1 tác động,
van 5/2 đổi vị trí làm cho khí được dẫn lên cung cấp cho tầng I, khí ở tầng II
thoát ra ngoài.
Taà
ng I
Taà
ng II
E2
E1
Hình 3.2: Mạch chuẩn 2 tầng chuẩn với cách nối dây cho các tín hiệu đầu tầng.
Mạch điều khiển 3 tầng:
Nguyên tắc hoạt động: Khi tầng I có khí nén thì tầng II và tầng III không có khí
nén. Nghĩa là khi một tầng có khí nén thì 2 tầng còn lại không có khí nén.
Mạch 3 tầng (n = 3) sẽ có 1 (n-1 = 2) phần tử nhớ. E1 là tín hiệu đầu tầng I, E2 là
tín hiệu đầu tầng II, E3 là tín hiệu đầu tầng III.

Hình 3.3: Mạch chuẩn 3 tầng với cách nối dây cho các tín hiệu đầu tầng.
Mạch điều khiển 4 tầng:
Nguyên tắc hoạt động: Khi tầng I có khí nén thì tầng II, tầng III và tầng IV không
có khí nén. Nếu số tầng thực hiện là “n” thì số van đảo chiều cần thiết là “n-1”.
Taà
ng I
Taà
ng II
Taà
ng III
Taà
ng IV
E2
E3
E4
E1
1
2
3
Start

Mạch điều khiển n tầng:
3.2.4.3. Cách chia tầng điều khiển.
Chia chu kỳ hoạt động của các cơ cấu chấp hành thành các tầng với điều kiện:
Không có xy lanh nào vừa đi ra vừa đi về trong một tầng hoặc cơ cấu quay vừa chuyển
động thuận và ngược chiều trong cùng một tầng. Do đó, điều kiện chia tầng là không có
ký hiệu của một xy lanh nào lặp lại trong cùng một tầng.
Quy ước: A+: Xy lanh A đi ra; A- : Xy lanh A đi về.
Ví dụ 15: Chia tầng điều khiển của thiết bị khoan với biểu đồ trạng thái như sau
Điều kiện chia tầng là chữ cái không được xuất hiện nhiều lần trong tầng (ví dụ B
+ và B – không được phép trong cùng 1 tầng). Theo biểu đồ trạng thái ta chia làm hai
tầng điều khiển sau: Tầng I: A + và B +; Tầng II: B - và A – .

Ngoài ra, việc chia tầng có thể sử
dụng vòng tròn chia thành nhiều phần để
việc chia tầng và xác định tín hiệu đầu tầng
được thuận tiện và dễ dàng hơn và kết quả
chia tầng nh7 hình vẽ.
Ví dụ 16: Chia tầng điều khiển của 2 xi lanh A và B với biểu đồ trạng thái và kết quả như
sau:
Ví dụ 17: Chia tầng điều khiển của 3 xi lanh A, B và C với biểu đồ trạng thái và kết quả
như sau:
Ví dụ 18: Chia tầng điều khiển của 3 xi lanh A, B và C với biểu đồ trạng thái và kết quả
như sau:

3.2.4.4. Cách xác định tín hiệu đầu tầng.
Việc xác định tín hiệu đầu tầng rất quan trọng, các tín hiệu này chính là các điều
kiện để chuyển tầng vì tại một thời điểm chỉ có một tầng được tác động. Do đó, xác định
tín hiệu đầu tầng theo nguyên tắc sau:
- Tín hiệu đầu tầng n chính là tín hiệu cuối cùng được tác động của tầng thứ n-1.
- Tín hiệu đầu tầng 1 chính là tín hiệu cuối cùng của tầng n kết hợp với nút nhấn
Start.
Các tín hiệu đầu tầng thường là các công tắc hành trình (van con lăn đối với hệ
thống điều khiển bằng khí nén).
Ví dụ 19: Xác định tín hiệu đầu tầng theo biểu đồ trạng thái hoạt động như sau:
I II
Taà
ng
Xy lanh A
S2
S1
Nhò
p thöï
chieä
n
Xy lanh B
S4
S3
1 2 3 4 5 = 1
Start
Sử dụng vòng tròn chia thành nhiều phần xác định tín hiệu đầu tầng như sau:
❖ Tín hiệu đầu tầng I = tín hiệu cuối cùng được tác động của tầng 2 kết hợp với nút
nhấn Start là: E1 = S1^ Start.
❖ Tín hiệu đầu tầng II = tín hiệu cuối cùng được tác động của tầng I là: E2 = S4
3.2.4.5. Cách xác định tín hiệu điều khiển bước.
Xác định tín hiệu điều khiển bước:

❖ Tín hiệu điều khiển bước = L (tầng chứa bước) + Tín hiệu đầu bước.
Lưu ý: Nếu tín hiệu đầu bước trùng với tín hiệu đầu tầng thì không cộng tín hiệu
đầu bước vì ưu tiên lấy tín hiệu đầu tầng.
Ví dụ 20: Xác định tín hiệu điều khiển bước theo hình tròn chia tầng như sau:
Kết quả tín hiệu điều khiển bước:
A+ = L1 (không cộng tín hiệu Start +
S1 vì là tín hiệu đầu tầng I).
B+ = L1 + S2.
B- = L2 (không cộng tín hiệu S4 vì là
tín hiệu đầu tầng II).
A- = L2 + S3.
3.2.4.6. Cách bước thiết kế mạch điều khiển phương pháp chia tầng.
- Bước 1: Từ yêu cầu của hệ thống điều khiển, xác định các biến cần thiết như:
công tắc hành trình, vị trí lắp đặt, cảm biến, nút nhấn (Start – nút khởi động, Stop
– nút dừng, điều khiển tự động – Auto hay bằng tay – Man).
- Bước 2: Xây dựng biểu đồ trạng thái (biểu diễn các phần tử trong mạch, mối liên
hệ giữa các phần tử và trình tự chuyển mạch của các phần tử. Cụ thể xác định có
bao nhiêu cơ cấu chấp hành và trình tự hoạt động).
- Bước 3: Tiến hành việc chia tầng và xác định tín hiệu đầu tầng, có thể ghép các
tầng với nhau nhằm mục đích tối ưu hoạt động của hệ thống, nhưng phải đảm bảo
đúng nguyên tắc của việc chia tầng.
- Bước 4: Lập quy trình thực hiện cho các tầng và các bước trong tầng. Xác định
điều kiện để cơ cấu chấp hành hoạt động ứng với quy trình thực hiện (xác định
điều khiển bước L).
- Bước 5: Thiết kế mạch điều khiển bằng khí nén sử dụng các mạch đảo tầng chuẩn
như đã trình bày ở trên.
Ví dụ 21: Cho hệ thống điều khiển máy dập chi tiết với yêu cầu công nghệ là: Xy lanh A
thực hiện công việc dập chi tiết và xy lanh B có nhiệm vụ đẩy sản phẩm ra khỏi khuôn.
Quy trình hoạt động như sau:

- Công nhân đưa phôi vào khuôn và nhấn START.
- Xy lanh A duỗi ra và thực hiện chuyển động đi xuống để
dập chi tiết.
- Sau khi dập xong thì xy lanh A co lại trở về vị trí ban đầu.
- Khi xy lanh A về vị trí ban đầu thì xy lanh B đi lên đẩy chi
tiết vừa dập ra khỏi khuôn. Sau đó̀ xy lanh B quay trở về lại
vị trí ban đầu.
- Chu kỳ hoạt động kết thúc và chu kỳ kế tiếp hoạt động. Hoạt động của máy dập
Giải:
Bước 1: Yêu cầu điều khiển 2 xy lanh A và B theo chu trình tự động. Để chu trình này
thực hiện, ta gắn trên mỗi xy lanh 2 công tắc hành trình, công tắc hành trình S1, S3 gắn ở
đầu hành trình, S2 và S4 gắn ở cuối hành trình của 2 xy lanh A và B.
Bước 2: Thiết lập biểu đồ trạng thái.
Bước 3: Tiến hành việc chia tầng và xác định tín hiệu đầu tầng.
Có 3 tầng hoạt động như sau: tầng I thực hiện chuyển động cho xy lanh A đi ra
(A+), tầng II thực hiện 2 chuyển động là xy lanh A đi về và xy lanh B đi ra (A-, B+), tầng
III là xy lanh B đi về (B-). Xác định tín hiệu đầu tầng như sau:

✓ Tín hiệu đầu tầng I: E1 = Start + S3.
✓ Tín hiệu đầu tầng II: E2 = S2.
✓ Tín hiệu đầu tầng III: E3 = S4.
Bước 4: Lập qui trình thực hiện cho các tầng và các bước trong tầng.
Xác định tín hiệu điều khiển tác động lên các van đảo chiều. Ta có 2 xy lanh tác
động kép và có chuyển động như: A+, A-, B+, B-. Sơ đồ tác động khí nén lên các xy lanh
trong mạch điều khiển:
S3 S4
B-
B+
R
B
A
P
S
Xy lanh B
S1 S2
A-
A+
R
B
A
P
S
Xy lanh A
Xác định tín hiệu điều khiển bước:
❖ Tín hiệu điều khiển bước = L (tầng chứa bước) + Tín hiệu đầu bước.
Kết quả tín hiệu điều khiển bước như sau:
A+ = L1 (không cộng tín hiệu Start + S3 vì là tín hiệu đầu tầng I).
A- = L2 (không cộng tín hiệu S2 vì là tín hiệu đầu tầng II).
B+ = L2 + S1.
B- = L3 (không cộng tín hiệu S4 vì là tín hiệu đầu tầng III).
Bước 5: Thiết kế mạch điều khiển bằng khí nén sử dụng các mạch đảo tầng chuẩn:

S3 S4
B-
B+
R
B
A
P
S
Xy lanh B
S1 S2
A-
A+
R
B
A
P
S
Xy lanh A
Taà
ng I
Taà
ng I I
Taà
ng I I I
E2
E3
E1
1
2
3
Start
1
2
3
S3
S2
S4
1
2
3
S1
Ví dụ 22: Cho hệ thống điều khiển máy dập chi tiết với yêu cầu công nghệ là: Hai xy
lanh A và B được dùng để đẩy phôi từ ngăn chứa thẳng đứng xuống thùng chứa và quy
trình hoạt động như sau:
- Công nhân đưa phôi vào ngăn chứa thẳng
đứng và nhấn START.
- Xy lanh A duỗi ra đẩy phôi ra, sau đó xy
lanh B duỗi ra đẩy phôi rơi xuống thùng
chứa rồi xy lanh B co lại, sau đó là xy lanh A
co lại.
Giải:

Xy lanh A
S2
S1
Nhò
p thöï
c hieä
n
Xy lanh B
S4
S3
1 2 3 4 5 = 1
I II
Taà
ng
Start
Bước 3: Tiến hành việc chia tầng và xác định tín hiệu đầu tầng.
Có 2 tầng hoạt động: tầng I thực hiện
2 chuyển động là xy lanh A đi ra và xy lanh
B đi ra (A+, B+), tầng II thực hiện 2 chuyển
động là xy lanh A đi về và xy lanh B đi về
(A-, B-). Tín hiệu đầu tầng như sau:
Tín hiệu đầu tầng I: E1 = Start + S1.
Tín hiệu đầu tầng II: E2 = S4.
Bước 4: Lập qui trình thực hiện cho các tầng và các bước trong tầng.
Ta có 2 xy lanh tác động kép và có chuyển động như: A+, A-, B+, B-. Sơ đồ tác
động khí nén lên các xy lanh trong mạch điều khiển:
S3 S4
B-
B+
R
B
A
P
S
Xy lanh B
S1 S2
A-
A+
R
B
A
P
S
Xy lanh A
Kết quả tín hiệu điều khiển bước như sau:
A+ = L1 (không cộng tín hiệu Start + S1 vì là tín hiệu đầu tầng I).
B+ = L1 + S2
B- = L2 (không cộng tín hiệu S4 vì là tín hiệu đầu tầng II)
A- = L2 + S3
Bước 5: Thiết kế mạch điều khiển bằng khí nén sử dụng các mạch đảo tầng chuẩn:

S1 S2
A-
A+
R
B
A
P
S
Xy lanh A S3 S4
B-
B+
R
B
A
P
S
Xy lanh B
S1
S2
S4
E1 E2
Start
S3
Taà
ng II
Taà
ng I
Giải thích hoạt động của mạch:
Ban đầu:
- Hai pittông A và B ở vị trí co lại (đầu hành trình chuyển động).
- Hai công tắc hành trình S1 và S3 bị chạm, tác động làm van đảo chiều 3/2 đổi vị
trí dẫn khí từ cửa số 1 lên cửa số 2. Tầng II có khí.
- Tín hiệu đầu tầng I: E1 = S1^ Start; tín hiệu đầu tầng II: E2 = S4.
Khi nhấn nút Start:
- Khi nút Start được nhấn, van 3/2 đổi vị trí dẫn khí từ nguồn qua công tắc hành
trình S1 lên tác động làm cho van đảo chiều 5/2 đổi vị trí, lúc này tầng I có khí.
- Tầng I có khí, tín hiệu A+ làm cho van đảo chiều 5/2 đổi vị trí, khí từ nguồn P đi
lên cửa A làm cho pittông A duỗi ra. Đến cuối hành trình, S2 bị chạm, tín hiệu B+
làm cho pittông B duỗi ra, đến cuối hành trình, S4 bị chạm. S4 là tín hiệu đầu tầng
II làm cho tầng II có khí.
- Tầng II có khí, tín hiệu B- làm cho pittông B co lại, về đầu hành trình S3 bị chạm,
lúc này có tín hiệu A- làm cho pittông A co lại.
Ví dụ 23:
Áp dụng phương pháp điều khiển tầng, thiết kế mạch điều khiển khí nén theo biểu
đồ trạng thái sau:

Sơ đồ mạch điều khiển khí nén.
Ví dụ 24:

Ví dụ 25:
Xy lanhA
S2
S1
Nhò
pthöï
chieä
n
Xy lanhB
S4
S3
1 2 3 4 5 = 1
I II
Taà
ng
Start
t(s)
Ví dụ 26:

Tín hiệu đầu tầng:
E1= S1^START; E2= S2^L1; E3= S1^L2; E4= S4
Tín hiệu đầu bước:
A+ = L1 A+ = L3 => A+ = L1 v L3
A- = L2 A- = L4^S3 => A- = L2 v (L4^S3)
B+ = L3^S2 B- = L4

Ví dụ 27:
Xy lanh A
S2
S1
Nhò
p thöï
c hieä
n
Xy lanh B
S4
S3
1 2 3 4 5
I II
Taà
ng
8 = 1
Xy lanh C
S6
S5
Start
III
6 7
IV
Chuỗi hoạt động được chia làm 4 tầng và các tín hiệu đầu tầng tương ứng:
E1 = S1 ^ S5 ^ Start E2 = S4 ^ L1 E3 = S6 E4 = S4 ^ L3
S1 S2
A-
A+
R
B
A
P
S
Xy lanh A S3 S4
B-
B+
R
B
A
P
S
Xy lanh B S5 S6
C-
C+
R
B
A
P
S
Xy lanh C
S1
S3
S2
P R
A
X
E2
E3
E1
E4
Start
S5
S6
Taà
ng II
Taà
ng I
Taà
ng III
Taà
ng IV
S4

Ví dụ 28:
Thiết kế mạch điều khiển khí nén theo phương pháp điều khiển tầng của máy dâp
chi tiết với quy trình công nghệ theo biểu đồ trạng thái sau:
Chi tiết từ thùng chứa sẽ được xylanh A đẩy vào và kẹp lại ở vị trí gia công. Sau
khi kẹp xong, xylanh B sẽ đi xuống để dập chi tiết. Sau khi xylanh B lùi về thì xylanh A
sẽ lùi về (chi tiết được tháo ra). Sau đó xylanh C sẽ đẩy chi tiết xuống thùng chứa.

3.2.5. Điều khiển theo nhịp.
Các phương pháp điều khiển trên đều có một đặc điểm là khi thay đổi quy trình
công nghệ hay yêu cầu đề ra, đòi hỏi phải thiết kế lại mạch điều khiển. Phương pháp điều
khiển theo nhịp khắc phục được những nhược điểm trên.
3.2.5.1. Cấu tạo khối của nhịp điều khiển.
Cấu tạo của khối điều khiển theo nhịp gồm 3 phần tử: phần tử AND (van 3/2),
phần tử nhớ (van 5/2) và phần tử OR.
Hình 3.6: Cấu tạo khối của nhịp điều khiển.
3.2.5.2. Nguyên tắc điều khiển theo nhịp.
Nguyên tắc điều khiển theo nhịp: Các bước thực hiện xảy ra lần lượt từng nhịp.
Nghĩa là khi các lệnh trong 1 nhịp được thực hiện xong thì sẽ thông báo cho nhịp tiếp
theo đồng thời sẽ xóa nhịp thực hiện trước đó.
Tín hiệu Yn tác động, tín hiệu điều khiển A1 có giá trị thấp, đồng thời sẽ tác động
vào nhịp trước đó Zn-1 để xóa lệnh thực hiện trước đó và chuẩn bị cho nhịp tiếp theo cùng
với tín hiệu vào X1. Như vậy một khối nhịp điều khiển sẽ thực hiện các chức năng:
- Thực hiện lệnh của tín hiệu điều khiển.
- Chuẩn bị cho nhịp tiếp theo.
- Xóa các lện của nhịp trước đó.

Hình 3.7: Mạch logic của chuỗi điều khiển theo nhịp.
3.2.5.3. Phân loại khối điều khiển theo nhịp.
Trong thực tế có 3 loại khối điều khiển theo nhịp:
- Loại ký hiệu TAA (viết tắt loại A):
+ Khi cổng Yn có giá trị L (tín hiệu đầu
bước), phần tử nhớ (van 5/2) đổi vị trí.
+ Tín hiệu ở cổng A có giá trị L.
+ Chuẩn bị cho nhịp tiếp theo bằng phần tử
AND của tín hiệu X.
+ Đèn tín hiệu sáng.
+ Phần tử nhớ của nhịp trước đó trở về reset.
- Loại ký hiệu TAB (viết tắt loại B):
loại này thường đặt ở vị trí cuối cùng trong chuỗi điều khiển theo nhịp. Ngược lại
với kiểu TAA, kiểu TAB phần tử OR nối với cổng Yn. Khi cổng L có khi nén thì toàn bộ
các khối của chuỗi điều khiển (trừ khối cuối cùng) sẽ trở về vị trí ban đầu. Như vậy khối
kiểu TAB có chức năng như là điều kiện để chuẩn bị khởi động.
+ Khi cổng Yn có giá trị L, phần tử nhớ (van 5/2)
đổi vị trí.
+ Tín hiệu ở cổng A có giá trị L.
+ Chuẩn bị cho nhịp tiếp theo bằng phần tử
AND của tín hiệu X.
+ Đèn tín hiệu sáng.
+ Phần tử nhớ của nhịp trước đó trở về vị trí
Reset.

3.2.4.4. Cách bước thiết kế mạch điều khiển theo nhịp.
Bước 1: Từ yêu cầu của hệ thống điều khiển, xác định các biến cần thiết như: công tắc
hành trình, vị trí lắp đặt, cảm biến, nút nhấn (Start – nút khởi động, Stop – nút dừng, điều
khiển tự động – Auto hay bằng tay – Man).
Bước 2: Xây dựng biểu đồ trạng thái (biểu diễn các phần tử trong mạch, mối liên hệ giữa
các phần tử và trình tự chuyển mạch của các phần tử. Cụ thể xác định có bao nhiêu cơ
cấu chấp hành và trình tự hoạt động).
Bước 3: Lập quy trình thực hiện cho các nhịp. Xác định các điều kiện để các cơ cấu chấp
hành hoạt động ứng với quy trình thực hiện.
Bước 4: Thiết kế mạch điều khiển bằng khí nén sử dụng các khối điều khiển theo nhịp
Ví dụ 29: Cho hệ thống điều khiển máy khoan chi tiết với yêu cầu công nghệ như sau:
Qui trình khoan 1 lỗ thực hiện:
- Công nhân đưa phôi vào máy khoan và
nhấn START.
- Đầu tiên, xy lanh A đi ra kẹp chặt chi
tiết, sau đó xy lanh B mang đầu khoan
đi xuống thực hiện việc khoan lỗ, sau
khi khoan xong, xy lanh B đi về, sau đó
xy lanh A đi về để công công lấy chi
tiết ra. Mô tả hoạt động của máy khoan
Giải:
Xy lanh A
S2
S1
Nhò
p thöï
c hieä
n
Xy lanh B
S4
S3
1 2 3 4 5 = 1
I II
Taà
ng
Start

Bước 3: Lập quy trình thực hiện cho các nhịp.
Sử dụng chuỗi điều khiển theo nhịp với 4 khối: 3 khối kiểu A và 1 khối kiểu B
(đặt ở vị trí cuối cùng trong chuỗi điều khiển). Mỗi khối điều khiển tương ứng với một
nhịp thực hiện. Xác định các điều kiện để các cơ cấu chấp hành hoạt động ứng với quy
trình thực hiện như sau:
Nhịp 1: A+ = Start ^ S1^A4 (A4: tín hiệu điều khiển của nhịp cuối cùng).
Nhịp 2: B+ = S2 ^ A1 (A1: tín hiệu điều khiển của nhịp đầu tiên).
Nhịp 3: B- = S4 ^ A2 (A2: tín hiệu điều khiển của nhịp thứ hai).
Nhịp 4: A- = S3 ^ A3 (A3: tín hiệu điều khiển của nhịp thứ ba).
Bước 4: Thiết kế mạch điều khiển bằng khí nén sử dụng các khối điều khiển theo nhịp
S1 S2
A-
A+
R
B
A
P
S
Xy lanh A S3 S4
B-
B+
R
B
A
P
S
Xy lanh B
S2
Start
S3 S1
Ñò
nh höôù
ng
R
S R
S R
S R
S
S4
Giải thích hoạt động của mạch:
❖ Trước khi khởi động hệ thống, cần nhấn nút Định hướng để Reset các khối điều
khiển kiểu A nhằm xác lập vị trí ban đầu cho các cơ cấu chấp hành và Set khối
kiểu B cuối cùng trong chuỗi điều khiển. Tín hiệu điều khiển của khối này đi vào
một cửa của van AND.

❖ Khi nhấn nút Start, khí từ nguồn được dẫn tới cửa còn lại của van AND, ngõ ra
của van AND là tín hiệu Set khối điều khiển đầu tiên, đồng thời Reset khối điều
khiển cuối cùng. Nhịp thứ nhất được thực hiện: xy lanh A đi ra kẹp chặt phôi, đến
cuối hành trình chạm vào công tắc hành trình S2. Tín hiệu S2 kết hợp với tín hiệu
khí của khối điều khiển thứ nhất qua van 3/2 tác động Set khối điều khiển thứ hai.
❖ Trong nhịp thứ hai: ngõ ra tác động làm xy lanh B mang mũi khoan đi xuống đồng
thời Reset khối điều khiển thứ nhất. Đến cuối hành trình chạm vào S4 kết hợp với
tín hiệu khí của nhịp thứ hai tác động Set khối điều khiển thứ ba.
❖ Trong nhịp thứ ba: ngõ ra tác động làm xy lanh B đi về sau khi khoan xong đồng
thời Reset khối điều khiển thứ hai. Về đầu hành trình chạm vào S3 kết hợp với tín
hiệu khí của nhịp thứ ba tác động Set khối điều khiển cuối cùng.
❖ Nhịp thứ tư (nhịp cuối): ngõ ra tác động làm xy lanh A đi về đồng thời Reset khối
điều khiển thứ ba.
BÀI TẬP CHƯƠNG 3
Bài 1:
Thiết kế mạch điều khiển khí
nén theo phương pháp điều
khiển tùy động theo hành trình
với biểu đồ trạng thái sau:
Bài 2:

Bài 3:
Bài 4:
khiển theo tầng với biểu đồ
trạng thái sau.
Bài 5:
trạng thái sau.
Bài 6:
trạng thái sau.

Bài 7:
khiển theo nhịp với biểu đồ
trạng thái của các xylanh sau.
Bài 8:
Bài 9:
Bài 10:
khiển nhịp với biểu đồ trạng
thái của các xylanh sau.

Nội dung 1: Cách biểu diễn quá trình điều khiển theo biểu đồ trạng thái hệ thống khí nén.
Nội dung 2: Trình bày nguyên tắc chia tầng, xác định tín hiệu đầu tầng, tín hiệu điều
khiển bước.
Nội dung 3: Trình bày các bước thiết kế mạch điều khiển khí nén theo tầng.
Nội dung 4: Trình bày các bước thiết kế mạch điều khiển khí nén theo nhịp.
Nội dung 1: Cách biểu diễn quá trình điều khiển theo biểu đồ trạng thái hệ thống khí nén.
Nội dung 2: Trình bày nguyên tắc chia tầng, xác định tín hiệu đầu tầng, tín hiệu điều
khiển bước.
Nội dung 3: Trình bày các bước thiết kế mạch điều khiển khí nén theo tầng.
Nội dung 4: Trình bày các bước thiết kế mạch điều khiển khí nén theo nhịp.
Câu hỏi ôn tập:
Câu 1. Trình bày cách biểu diễn các quá trình điều khiển theo biểu đồ trạng thái hệ thống
khí nén?
Câu 2. Trình bày nguyên tắc chia tầng, xác định tín hiệu đầu tầng, tín hiệu điều khiển
bước trong phương pháp điều khiển khí nén theo tầng?
Câu 3. Trình bày các bước thiết kế mạch điều khiển khí nén theo tầng?
Câu 4. Trình bày các bước thiết kế mạch điều khiển khí nén theo nhịp?
Câu 5. So sánh ưu điểm và nhược điểm của phương pháp điều khiển theo tầng và phương
pháp điều khiển theo nhịp?
Câu 6: Tìm hiểu phương pháp thiết kế hệ thống khí nén và thủy lực trong hệ thống sản
xuất: mía đường, sữa,...
Tìm hiểu phương pháp thiết kế hệ thống khí nén và thủy lực trong hệ thống sản xuất: mía
đường, sữa,.. trong nhà máy công nghiệp.

Chương 4: Phương pháp thiết kế mạch điều khiển điện - khí nén
Giáo trình: Giáo trình điều khiển khí nén thủy lực Trang - 70 -
CHƯƠNG 4
PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN-KHÍ NÉN
Mục tiêu:
- Vận dụng được các nguyên tắc logic điều khiển, biểu diễn các phần tử khí nén
thành mạch logic.
- Lập được mạch điều khiển khí nén thông qua các phương pháp điều khiển.
- Vận hành mô phỏng mạch khí nén.
- Rèn luyện tính chủ động, nghiêm túc trong học tập và trong công việc.
4.1. Khái niệm cơ bản
Điều khiển là quá trình của một hệ thống, trong đó dưới tác động của một hay
nhiều đại lượng vào, đại lượng ra được thay đổi theo một quy luật nhất định của hệ
thống. (Theo TC DIN 19266-Đức). Hệ thống điều khiển gồm: thiết bị điều khiển và đối
tượng điều khiển.
Hình 4.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển.
- Đối tượng điều khiển là các thiết bị, máy móc trong kỹ thuật.
- Thiết bị điều khiển gồm: phần tử đưa tín hiệu vào, phần tử xử lý, điều khiển và cơ
cấu chấp hành.
- Tín hiệu điều khiển là đại lượng ra của thiết bị điều khiển và đại lượng vào của đối
tượng điều khiển.

- Tín hiệu nhiễu là đại lượng được tác động từ ngoài vào hệ thống và gây ảnh hưởng
xấu đến hệ thống.
4.2. Phần tử mạch lôgic.
4.2.1. Phần tử lôgic NOT.
Trạng thái ban đầu đèn H sáng, khi tác động nút nhấn S1 rơle K có điện, bóng đèn
H tắt và ngược lại khi nhả nút ấn S1, bóng đèn H sáng.
Hình 4.2: Phần tử NOT.
Có hai phương pháp để biểu diễn phần tử NOT:
Phần tử NOT được biểu diễn bằng van đảo chiều 2/2 có vị trí “không”, tại vị trí
“không” cửa P nối với A. Khi chưa có tín hiệu khí nén tác động thì P nối với A; Khi có
tín hiệu khí nén tác động thì cửa A và cửa P bị chặn.
Phần tử NOT được biểu diễn bằng van đảo chiều 3/2 có vị trí “không”, tại vị trí
“không” cửa P nối với A. Khi chưa có tín hiệu khí nén cửa P nối với cửa A, cửa R bị
chặn; Khi có tin hiệu khí nén cửa A nối với R, cửa P bị chặn.
Hình 4.3: Ký hiệu phần tử NOT.
4.2.2. Phần tử lôgic AND.
Phần tử lôgic AND được biểu diễn như hình vẽ. Khi nhấn đồng thời nút ấn S1 và
S2 thì rơle K sẽ có điện đèn H sáng.

Hình 4.4: Phần tử AND
Có 2 phương pháp biểu diễn phần tử AND. Phần tử AND là phần tử van lôgic
AND trong khí nén. Khi tín hiệu khí nén tác động đồng thời vào cửa P1, P2 thì cửa A sẽ
nhận được tín hiệu.
Phần tử AND được biểu diễn bằng tổ hợp của 2 van đảo chiều 3/2, có vị trí
“không” được mắc nối tiếp với nhau. Tại vị trí “không” cửa A bị chặn (kể cả khi tác động
nguồn khi nén vào 1 trong 2 tín hiệu điều khiển của 2 van đảo chiều 3/2); Khi tín hiệu khí
nén tác động đồng thời vào 2 van đảo chiều thì cửa A nối với P.
Phần tử AND được biểu diễn bằng tổ hợp của 2 van đảo chiều 2/2 có vị trí
“không” được mắc nối tiếp với nhau. Tại vị trí “không” cửa A bị chặn (kể cả khi tác động
nguồn khi nén vào 1 trong 2 tín hiệu điều khiển của 2 van đảo chiều 2/2); Khi tín hiệu khí
nén tác động đồng thời vào 2 van đảo chiều thì cửa A nối với P.
Hình 4.5: Ký hiệu phần tử AND.
4.2.3. Phần tử NAND.
Phần tử lôgic NAND được biểu diễn như hình vẽ. Ở trạng thái bình thường đèn H
sáng, khi tác động đồng thời nút ấn S1 và S2 thì rơle K mất điện đèn H sẽ không sáng.
Hình 4.6: Phần tử NAND.

Có 2 phương pháp biểu diễn phàn tử NAND.
Phần tử NAND là tổ hợp của phần tử AND và một van đảo chiều 3/2 có vị trí
“không”, tại vị trí “không” cửa A nối với cửa P. Khi chưa có tín hiệu khí nén tác động
vào hai van đảo chiều 3/2 cửa A nối với nguồn P. Khi có một trong hai tín hiệu tác động
vào van đảo chiều 3/2, van đảo chiều vẫn ở vị trí cũ, cửa A vẫn nối với cửa P. Khi có
đồng thời cả hai tín hiệu tác động vào hai van đảo chiều 3/2 thì cửa A bị chặn.
Phần tử NAND là tổ hợp gồm hai van đảo chiều 3/2 có vị trí “không” được nối với
nhau. Tại vị trí “không” cửa A nối với cửa P. Khi có một trong hai tín hiệu khí nén tác
động vào van đảo chiều, van đảo chiều đổi vị trí, cửa A vẫn nối với cửa P. Khi có đồng
thời cả hai tín hiệu khí nén tác động vào van thì cửa A bị chặn.
Hình 4.7: Ký hiệu phần tử NAND.
4.2.4. Phần tử OR.
Phần tử OR được biểu diễn như hình vẽ. Khi tác động hoặc nút ấn S1 hoặc nút ấn
S2 rơle K có điện, đèn H sáng.
Hình 4.8: Phần tử OR.
Có hai phương pháp biểu diễn phần tử OR:
Phần tử OR gồm một tổ hợp van OR và một van đảo chiều 3/2 có vị trí “không”,
tại vị trí “không” cửa A bị chặn. Khi chưa có tín hiệu khí nén tác động thì cửa A bị chặn.
Khi có một trong hai tín hiệu khí nén tác động thì cửa P nối với cửa A.

Điều khiển khí nén thuỷ lực.pdf

Điều khiển khí nén thuỷ lực.pdf

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to Điều khiển khí nén thuỷ lực.pdf

Similar to Điều khiển khí nén thuỷ lực.pdf (20)

More from Man_Ebook

More from Man_Ebook (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (18)

Điều khiển khí nén thuỷ lực.pdf