ĐỀ CƯƠNG SƠ BỘ Đồ án môn học: Trang bị điện - điện tử máy công nghiệp dùng chung Tên đề tài: “ Nghiên cứu khái quát về máy cắt Gas - Ôxy. Thiết kế điều khiển.” Chương 1. Khái quát về công nghệ máy cắt gas - ôxy 1.1. Giới thiệu về máy cắt gas - oxi 1.2. Phân loại và yêu cầu công nghệ Chương 2. Thiết kế hệ thống điều khiển cho thiết bị cắt gas - ôxy 2.1. Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển máy cắt gas - ôxy 2.2. Thuật toán điều khiển hệ thống cắt kim loại bằng khí ôxy Chương 3. Mô phỏng chương trình điều khiển trên PLC S7 200 3.1. Đầu vào, ra của hệ thống 3.2. Kết quả mô phỏng và nhận xét Hải Phòng, ngày tháng năm 2014 Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thực hiện CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT VỀ CÔNG NGHỆ MÁY CẮT GAS – ÔXY 1.1. Giới thiệu về các loại máy cắt kim loại Mỗi công nghệ ra đời đều nhằm đáp ứng một số các nhu cầu nhất định. Theo thời gian các công nghệ cắt ngày càng hoàn thiện hơn. Tuy nhiên, mỗi công nghệ đều có những ưu và nhược điểm riêng. Vì vậy, tùy theo từng nhu cầu cụ thể mà chọn các công nghệ cắt khác nhau. Sau đây tìm hiểu về lịch sử và ưu nhược điểm của 03 công nghệ cắt là cắt Gas Oxy, cắt Plasma và cắt Laser. Cắt kim loại dùng máy cắt Gas Oxy là một quá trình đốt cháy kim loại bằng dòng khí oxy ở nhiệt độ cao, tạo thành các oxide sắt (FeO, Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 ). Nhiệt độ cần thiết được duy trì bằng ngọn lửa thu được từ quá trình đốt cháy của Gas và oxy. Sơ đồ quá trình cắt kim loại bằng khí được trình bày hình 1.1. Hình 1.1. Sơ đồ cắt bằng khí. 1. Dòng oxy cắt, 2. Dòng hỗn hợp khí cháy, 3. Ngọn lửa nung nóng, 4. Rãnh cắt, 5. Phôi cắt. Hình 1.2. Hình ảnh thực tế của máy cắt gas – oxi. Khi bắt đầu cắt, kim loại ở mép cắt được nung nóng đến nhiệt độ cháy nhờ nhiệt của ngọn lửa nung, sau đó cho dòng oxy thổi qua, kim loại bị oxy hóa mãnh liệt (bị đốt cháy) tạo thành oxit. Sản phẩm cháy bị nung chảy và bị dòng oxi thỏi khỏi mép cắt. Tiếp theo, do phản ứng cháy của kim loại tỏa nhiệt mạnh, lớp kim loại tiếp theo bị nóng nhanh và tiếp tục bị đốt cháy tạo thành rãnh cắt. Công nghệ cắt Plasma được phát minh cách đây khoảng hơn 50 năm, trong thời kỳ đỉnh cao của thế chiến thứ 2. Trong một nổ lực để cải thiện các mối nối của máy bay chiến đấu, một phương pháp hàn đã được phát triển mà dùng một hàng rào khí trơ để bảo vệ chung quanh tia hồ quang điện để bảo vệ mối hàn khỏi quá trình oxy hóa. Hình 1.3. Hình ảnh máy cắt plasma thực tế. Một vài thập kỷ sau, người ta phát hiện rằng việc giới hạn độ mở của đường khí trơ đi qua tia hồ quang điện tạo ra một loại vật chất thứ tư (khác với 3 loại vật chất cơ bản là rắn, lỏng và khí) gọi là plasma, và nó tạo ra một nhiệt lượng vô cùng lớn khoảng 10.000 - 15.000 °C. Cùng lúc đó độ mở nhỏ hơn làm tăng tốc độ của dòng khí thoát ra, nó có khả năng thổi bay tất cả các loại kim loại mà nó đi qua. Từ đó, công nghệ này được dùng để cắt kim loại, nhưng với quy mô rất lớn vì khi đó chi phí cắt cũng rất cao. Càng ngày với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, các thiết bị cắt plasma ngày càng có chi phí thấp hơn và được thương mại hóa cách đây khoảng hơn 10 năm. Tuy nhiên, do tia plasma phát ra có hình dạng như giọt nước nên đường cắt hơi bị nghiêng khoảng từ 3 - 10 ° tùy theo chất lượng của nguồn cắt plasma. Cắt Laser: Năm 1917 nhà vật lý Albert Einstein đã đưa ra giả thuyết về tia laser khi ông mô tả lý thuyết phát xạ kích thích. Đến năm 1940 một số kỹ sư đã áp dụng lý thuyết này trong nghành khai thác năng lượng. Mãi đến năm 1960 tia laser làm việc đầu tiên được mô tả là "một giải pháp cho một vấn đề." Đó là trong thời gian ngắn, và với một số tư duy sáng tạo, phẩm chất của laser đặc biệt đã được tìm thấy có nhiều ứng dụng. Dùng sức mạnh của tia laser để tạo ra chùm tia rất hẹp, mãnh liệt của ánh sáng gần vùng hồng ngoại theo một định hướng duy nhất đã tạo ra một năng lượng rất lớn có thể được dùng để cắt kimloại có độ dày < 12mm và các vật liệu khác như nhựa, gỗ, kính Hình 1.4. Hình ảnh thực tế của máy cắt laser. Dưới đây là bảng so sánh 03 công nghệ cắt trên: Bảng 1: So sánh 3 công nghệ cắt kim loại bằng gas – oxi, plasma, laser 1.2. Đặc điểm và yêu cầu công nghệ cắt gas – oxi 1.2.1. Cấu tạo của máy cắt gas - oxi Đây là phương pháp cắt gọt được sử dụng khá phổ biến trong các nhà máy luyện thép và trong các phân xưởng cơ khí với mục đích là cắt nhỏ thép phế để cho vào lò đối với nhà máy luyện thép và cắt nhỏ phôi theo kích thước sử dụng đối với phân xưởng cơ khí. Hàn và cắt kim loại bằng khí là phương pháp sử dụng nhiệt của ngọn lửa sinh ra khi đốt cháy các chất khí cháy ( C 2 H 2 , CH 4 , C 6 H 6 v.v…) hoặc H 2 với oxy để nung chảy kim loại. Thông dụng nhất là hàn và cắt bằng khí Oxy – axetylen vì nhiệt sinh ra do phản ứng cháy của 2 khí này lớn và tập trung, tạo thành ngọn lửa có nhiệt độ cao ( vùng cao nhất đạt tới 3200 0 C ); còn ngọn lửa giữa O 2 và các chất khí cháy khác chỉ cho nhiệt độ từ 2000 ÷ 2200 0 C. Hình 1.5 . Sơ đồ một trạm hàn và cắt bằng khí. 1. Bình chứa oxy; 2. Bình chứa axetylen; 3. Van giảm áp; 4. Đồng hồ đo áp 5. Khóa bảo hiểm; 6. Dây dẫn khí; 7. Mỏ hàn hoặc mỏ cắt; 8. Ngọn lửa hàn Các thiết bị chính của trạm hàn hoặc cắt bằng khí gồm các bộ phận chính sau: Bình chứa oxy, bình chứa hoặc thùng điều chế axetylen, khóa bảo hiểm, van giảm áp, dây dẫn khí, mỏ hàn Bình chứa khí dùng để chứa khí oxy và khí axetylen, được chế tạo từ thép tấm dày 4 ÷ 8 mm bằng phương pháp dập hoặc hàn. Bình có đường kính ngoài 219 mm, cao 1.390mm, dung tích 40 lít, trọng lượng 67 kg. Bình chứa oxy chứa được một lượng khí có áp suất khoảng 150 atm tương ứng với 6 m 3 khí ( ở 20 0 C và 1 atm) bên ngoài được sơn màu xanh hoặc xanh da trời. Bình chứa axetylen chứa được áp suất khí nạp tới dưới 19atm, được sơn màu vàng. Trong bình chứa bọt xốp ( thường là than hoạt tính) và tẩm axetôn ( khoảng 290 ÷ 320 gram than hoạt tính tẩm 225 ÷ 230 gram axeton/một lít thể tích bình chứa). Bình điều chế khí dùng để điều chế axetylen từ đất đèn. Trong thực tế, người ta dùng nhiều loại bình điều chế khí khác nhau, được phân loại theo các đặc trưng cơ bản: - Theo năng suất: có các loại nhỏ (dưới 3,2 m 3 /h) và loại lớn ( trên 5 m 3 /h). - Theo áp lực khí: thấp (0,01 ÷ 0,1 atm), trung bình ( 0,1 ÷ 1,5 atm) cao (1,5 ÷ 1,75 atm). - Theo nguyên tắc tác dụng giữa đất đèn và nước : đá rơi vào nước (a), nước rơi vào đá (b) và đá tiếp xúc với nước (c) như hình dưới đây – giới thiệu sơ đồ nguyên lý của một số bình điều chế khí điển hình 1.6. Hình 1.6 . Sơ đồ nguyên lý bình điều chế khí axetylen. 1. Nước; 2. Đất đèn (đá); 3. Nón cấp đất đèn; 4. Phễu cấp nước; 5. Van điều chỉnh lượng nước; 6. Ống dẫn khí ra; 7. Ghi đỡ đất đèn. Khóa bảo hiểm để tránh hiện tượng ngọn lửa cháy ngược theo ống dẫn khí trở về bình điều chế khí gây nổ bình. Trong quá trình cắt ( hàn), do một nguyên nhân nào đó lưu lượng khí phun ra ở mỏ hàn hoặc mỏ cắt giảm mạnh hoặc tốc độ cháy của hỗn hợp tăng, dẫn đến tốc độ cháy của hỗn hợp lan truyền nhanh hơn tốc độ đi ra của khí sẽ gây ra hiện tượng ngọn lửa quặt. Sự giảm lưu lượng khí xảy ra khi tiết diện lỗ dẫn khí ở mỏ hàn hoặc mỏ cắt giảm, ống dẫn bị tắc… Sự tăng tốc độ cháy xảy ra khi nhiệt độ khí và nhiệt độ môi trường tăng, lượng oxy tăng… Khóa bảo hiểm được phân loại theo các đặc trưng sau: -Theo kết cấu: loại hở (a), loại kín (b). -Theo lượng tiêu thụ khí: loại nhỏ, loại lớn. Hình 1.7 . Sơ đồ nguyên lý khóa bảo hiểm. 1.Ống dẫn khí vào; 2. Ống dẫn khí ra; 3. Van điều chỉnh mức nước; 4. Ống thoát khí; 5. Van; 6. Van an toàn. Van giảm áp là dụng cụ dùng để giảm áp suất khi trong bình chứa xuống áp xuất làm việc cần thiệt và tự động duy trì áp suất đó ở mức ổn định. Đối với khí oxy áp suất khí trong bình đạt tới 150 atm, áp suất khí làm việc vào khoảng 3 ÷ 4 atm, còn khí axetylen áp suất trong bình tới 15 ÷ 16 atm, áp suất làm việc 0,1 ÷ 1,5 atm. Hình 1.8 . Sơ đồ nguyên lý van giảm áp. a.Van kiểu thuận; b. Van kiểu nghịch 1.Đường dẫn khí cao áp; 2. Lò xo phụ; 3. Van ; 4. Van an toàn; 5. Đường dẫn khí ra ; 6. Buồng thấp áp; 7. Lò xo chính; 8. Vít điều chỉnh; 9. Màng đàn hồi; 10. Thanh truyền. Nguyên lý làm việc: khí được dẫn vào van theo ống (1) và qua ống (5) đi tới mỏ hàn hoặc mỏ cắt. Áp lực khí trong buồng hạ áp( 6) phụ thuộc vào độ mở của van (3). Khi lò xo chính (7) chưa bị nén, van (3) chịu tác dụng cảu lò xo phụ (2) và áp lực của khí, đóng kín cửa van không cho khí vào buồng hạ áp (6). Khi vặn vít điều chỉnh (8), làm cho lò xo chính (7) bị nén, van (3) được nâng lên, cửa van mở và khí đi sang buồng hạ áp. Tùy thuộc vào độ nén của lò xo chính (7), độ nén của lò xo phụ (2), độ chênh áp trước và sau van, cửa van (3) được mở nhiều hay ít, ta nhận được áp suất cần thiết trong buồng hạ áp. Nhờ có màng đàn hồi (9), van có thể tự động điều chỉnh áp suất ra của khí. Nếu do một nguyên nhân nào đó, áp suất khí ra (p2) tăng, áp lực tác dụng lên mặt trên của màng đàn hồi (9) tăng, đẩy màng đàn hồi dịch xuống và thông qua con đội van (3) bị kéo xuống, làm cửa van đóng bớt lại, lượng khí đi vào buồng hạ áp giảm, làm áp suất khí ra giảm. Ngược lại, nếu p2 giảm, cửa van (3) mở lớn hơn, lượng khí vào buồng hạ áp tăng, làm p2 tăng trở lại. Dây dẫn khí dùng để dẫn khí từ bình chứa khí, bình chế khí đến mỏ hàn hoặc mỏ cắt. Yêu cầu chung đối với ống dẫn khí: chịu được áp suất tới 10 atm đối với dây dẫn oxy, 3 atm với dây dẫn axetylen, đủ độ mềm cần thiết nhưng không bị gấp khúc. Dây dẫn được chế tạo bằng vải lót cao su, có ba loại kích thước sau: - Đường kính trong 5,5mm, đường kính ngoài không quy định. - Đường kính trong 9,5 mm, đường kính ngoài 17,5 mm. - Đường kính trong 13 mm, đường kính ngoài 22 mm. Mỏ cắt (hàn) là dụng cụ để pha trộn khí cháy và oxy, tạo thành hỗn hợp cháy có tỉ lệ thành phần thích hợp để nhận được ngọn lửa hàn hoặc cắt theo yêu cầu. Sơ đồ cấu tạo chung của nó được thể hiện trên hình dưới đây. Khí axetylen được dẫn vào ống (1) đi qua van (3), còn oxy được dẫn vào ống (2) sau đó phân làm hai nhánh, một dòng đi qua van (4) và tới miệng phun hút khí axetylen và hòa trộn tạo ra hỗn hợp cháy để nhận được ngọn lửa nung nóng, một dòng đi qua van (5) tới đầu mỏ phun để tạo ra dòng oxy cắt. [...]... chuyển mỏ cắt CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO THIẾT BỊ CẮT GAS – ÔXY 2.1 Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển máy cắt gas – ôxy 2.1.1 Đặt vấn đề Trước khi đưa ra cấu trúc của hệ thống điều khiển máy cắt, ta đi tìm hiểu về nguyên lý hoạt động của nó và các yêu cầu công nghệ để thi công được một phôi cụ thể như đã chỉ ra trong chương 1 Cắt thép bằng khí gas và oxy là 1 phương pháp cắt gọt... dạng,đặc biệt khi cắt các tấm dài Phạm vi ứng dụng: - Được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp đóng tàu ,chế tạo toa xe ,xây dựng - Cắt thép tấm ,phôi tròn và các dạng phôi khác - Ngày nay được tự động hóa ,từ máy cắt tự động kiểu con rùa đến máy cắt điều khiển số hay máy cắt gián CNC với nhiều mỏ cắt cùng một lúc,mang lại năng suất và hiệu quả cao 1.2.3 Kỹ thuật cắt khí a Bắt dầu cắt Khi cắt phôi tấm... kế, lưu lượng kế, nhioệt kế ) - Các thiết bị đướng ống khác … Sơ đồ được trình bày ở hình trên mang tính quy ước để biểu diễn các hệ truyền động khí nén Một hệ truyền động khí nén bao gồm các thiết bị chính như sau : + Cơ cấu chấp hành khí nén +Thiết bị phân phối khí + Thiết bị điều khiển + Thiết bị nguồn và các thiết bị đường ống 2.2 Thuật toán điều khiển hệ thống cắt kim loại bằng khí ôxy 2.2.1 Thiết. .. ngược hướng cắt (a) - Khi cắt phôi tiết diện tròn(b), bắt đầu nung nóng ở mặt trên và dịch chuyển mỏ cắt một quảng ngắn, mở oxy cắt để tiến hành cắt - Đối với phôi tiết diện vuông bắt đầu cắt từ góc, ban đầu mỏ cắt đặt nghiêng 2 ÷ 30 theo chiều ngược hướng cắt, lúc đến gần cuối nghiêng theo chiều ngược lại (c) - Đối với phôi thép góc, mỏ cắt thường đặt vuông góc với mặt cắt, bắt đầu cắt từ mép tới đỉnh... SiO2 có độ sệt cao - Độ dẫn nhiệt của kim loại không quá cao, tránh sự tản nhiệt nhanh làm cho mép cắt bị nung nóng kém làm gián đoạn quá trình cắt Đặc điểm cắt bằng khí cháy: +Ưu điểm: - Thiết bị đơn giản, dễ vận hành - Có thể cắt được kim loại có chiều dày lớn - Năng suất khá cao +Nhược điểm: - Chỉ có thể cắt được kim loại thỏa mãn điều kiện cắt - Vùng ảnh hưởng nhiệt lớn nên sau khi cắt chi tiết dễ... : Các thiết bị ( van ) phân phối khí nén K1,K2,K3…Kn : Các thiết bị điều khiển ( các công tắc hành trình ) HĐK : Hệ điều khiển ( có thể bằng điện hoặc khí nén ) f1,f2,f3…fn : Các tín hiệu điều khiển Ngoài các thành phần chính trên, để cho các hệ truyền động khí nén làm việc được cần có một loạt các thiết bị khí nén phụ trợ khác : - Thiết bị nguồn ( hệ thống máy nén khí ) - Đường ống dẫn khí - Thiết. .. tới quá trình cắt Khi tốc độ cắt nhỏ hơn tốc độ oxy hóa kim loại theo chiều dày cắt thì mép cắt bị phá hỏng, đồng thời năng suất cắt giảm Ngược lại tốc độ cắt quá lớn dẫn tới cắt bị sót hoặc quá trình cắt bị gián đoạn do mép cắt không được nung nóng tốt Tùy theo kim loại cắt, chiều dày vật cắt, tốc độ cắt thường từ 75 ÷ 550 (mm/phút) c Khoảng cách từ mỏ cắt đến kim loại cắt Trong quá trình cắt khí cần... nhỏ, thích hợp cho cắt sắt phế để đưa vào lò Thực tế cho thấy thiết bị này hiện nay đang được sử dụng khá phổ biến và cho hiệu quả kinh tế cao Hình 2.1 Máy cắt gas – oxi trong xưởng luyện thép Hình 2.2 Bình nén khí oxy và axetylen Hình 2.3 Máy cắt khí kiểu CNC điều khiển số Sau khi xem xét những vấn đề như trên, thì hệ thống cần điều khiển 2 bình nén khí oxi và gas Thực chất là điều khiển lưu lượng... đường cắt hở, bắt đầu cắt từ mép phôi Với phôi tấm dày dưới 50 mm, mỏ cắt đặt thẳng góc với mặt phẳng cắt (a) Nếu chiều dày phôi lớn hơn 50 mm, khi bắt đầu cắt nên nghiêng mỏ cắt một góc 5 ÷ 10 0 theo hướng cắt để nung nóng tốt mép cắt, sau đó đặt thẳng góc (b) Khi cắt phôi tấm theo đường cắt kín, quá trình cắt bắt đầu ở giữa tấm, bởi vậy phải tạo lỗ trước bằng phương pháp khoan hoặc dùng mỏ cắt để... để tạo lỗ cắt ban đầu Khi dùng mỏ cắt để tạo lỗ, để tránh hiện tượng nổ, đối với tấm mỏng dưới 20mm, đặt mỏ cắt tại vị trí cắt lỗ, mở khí nung nóng trước sau đó mới mở oxy cắt, với các tấm dày bắt đầu nung nóng ở vị trí (I) và di chuyển chậm mỏ cắt đến vị trí (II) mới bắt đầu mở oxy cắt (c) Hình 1.10 Kỹ thuật cắt khí b Tốc độ cắt Tốc độ cắt là tốc độ dịch chuyển của mỏ cắt dọc theo đường cắt, cũng . điện - điện tử máy công nghiệp dùng chung Tên đề tài: “ Nghiên cứu khái quát về máy cắt Gas - Ôxy. Thiết kế điều khiển. ” Chương 1. Khái quát về công nghệ máy cắt gas - ôxy 1.1. Giới thiệu về máy. về máy cắt gas - oxi 1.2. Phân loại và yêu cầu công nghệ Chương 2. Thiết kế hệ thống điều khiển cho thiết bị cắt gas - ôxy 2.1. Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển máy cắt gas - ôxy 2.2 1.11. Vị trí và sự di chuyển mỏ cắt. CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO THIẾT BỊ CẮT GAS – ÔXY 2.1. Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển máy cắt gas – ôxy 2.1.1. Đặt vấn đề Trước khi