Sơ đồ mạch điều khiển khí nén: Ưu - Nhược điểm, Ứng dụng

Mạch điều khiển khí nén cấu tạo đơn giản nhưng có thể ứng dụng linh hoạt, đảm bảo an toàn cho hệ thống. Loại mạch này đang trở thành lựa chọn hàng đầu cho doanh nghiệp, có xu hướng sử dụng nhiều trong tương lai.

1. Giới thiệu chung về mạch điều khiển khí nén 

1.1. Khái niệm

Mạch điều khiển khí nén gồm nhiều thiết bị, bộ phận, đường dẫn khí nén được bố trí, kết nối theo nguyên lý nhất định. 

Chức năng của mạch là trung tâm điều phối, truyền động, tự động hóa quá trình hoạt động của thiết bị nén khí. Trong đó bao gồm: xi lanh, động cơ, các loại van khí nén. Khí nén đóng vai trò vừa là nguồn năng lượng, vừa là môi chất truyền động.

Nhờ hệ thống mạch, khí nén được cấp và xả đúng thời điểm, chuẩn áp suất, giúp thiết bị hoạt động đúng chu kỳ, ổn định.

Dân kỹ thuật có thể linh hoạt điều chỉnh sơ đồ hệ thống mạch, phù hợp với ứng dụng trong thực tiễn sản xuất.

1.2. Ứng dụng thực tiễn

Ngày nay, mạch điều khiển khí nén hẹn diện trong hầu hết các lĩnh vực công nghiệp, bao gồm:

• Công nghiệp lắp ráp, chế tạo: Dùng để điều khiển hệ thống xi lanh trong dây chuyền cấp phôi, kẹp giữ, ép, dập hoặc vận chuyển chi tiết cơ khí.
• Dược, thực phẩm, đóng gói: Vận hành máy chiết rót, đóng gói tự động, phân loại và sắp xếp sản phẩm với tốc độ cao, an toàn vệ sinh.
• Dệt may: Kiểm soát máy dệt, máy ép vải, hệ thống căng sợi
• Giao thông vận tải: Điều khiển hệ thống phanh khí nén của ô tô tải, xe khách.
• Công nghiệp 4.0: Kết hợp cùng PLC, cảm biến và IoT để tạo nên các dây chuyền sản xuất thông minh, giảm sự cố.

2. Cấu tạo chung của mạch điều khiển khí nén

Rất nhiều phần tử được sắp xếp theo trình tự hợp lý trong 1 mạch điều khiển khí nén..

• Nguồn khí nén: Gồm máy nén khí, bình chứa khí và hệ thống làm mát. Có vai trò tạo và duy trì nguồn khí nén ổn định cho toàn hệ thống mạch.
• Bộ xử lý FRL: Gồm bộ lọc khí, bộ điều áp và bộ bôi trơn, có nhiệm vụ lọc sạch bụi, hơi nước, chỉnh áp suất và bổ sung dầu bôi trơn cho thiết bị.
• Phần tử điều khiển: Gồm các loại van (van tiết lưu, van điện từ, van tay), giúp điều hướng, phân phối và điều tiết dòng khí theo lệnh từ trung tâm điều khiển.
• Phần tử chấp hành: Là xi lanh khí nén, mô tơ khí, có nhiệm vụ biến đổi năng lượng khí nén thành cơ năng, thực hiện các chuyển động cơ học (đẩy, kéo, kẹp, xoay).
• Cảm biến, tín hiệu: Bao gồm cảm biến hành trình, cảm biến áp suất, công tắc hành trình. Có nhiệm vụ giám sát trạng thái, cung cấp tín hiệu phản hồi để mạch hoạt động chính xác hơn.
• Ống dẫn khí, phụ kiện: Gồm ống dẫn khí, co nối, khớp nối, giảm thanh, giúp liên kết các phần tử. Đảm bảo dòng khí di chuyển hiệu quả, giảm tổn thất áp suất và hạn chế tiếng ồn.

3. Cách thức mạch điều khiển khí nén hoạt động thế nào?

Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển khí nén tạo nên chuỗi quy trình khép kín, trong đó khí nén đóng vai trò trung tâm.

Máy nén khí hút không khí từ môi trường, nén đến ngưỡng áp suất yêu cầu rồi đưa vào bình chứa.

Từ đây, khí nén được dẫn qua bộ FRL, đảm bảo khí sạch, áp suất ổn định, có độ trơn cần thiết.

Các van khí nén (cơ, điện từ, thủ công hoặc cảm biến) sẽ quyết định đường đi của khí. Giống như cổng điều phối, cho phép khí nén đi đến các phần từ chấp hành vào đúng thời điểm, với lưu lượng phù hợp.

Bằng chuyển động cơ học, khí nén được đưa vào xi lanh/mô tơ khí.

Dưới tác động của áp suất khí, piston trong xi lanh tạo ra lực đẩy, kéo. Sinh ra chuyển động ép, kẹp, nâng, hạ hoặc xoay đẩy sản phẩm.

Cảm biến hành trình, áp suất, công tắc giới hạn sẽ ghi nhận trạng thái thực tế (piston đã về vị trí, lực đủ hay chưa). Các tín hiệu được gửi về mạch điều khiển trung tâm nhằm điều chỉnh chu trình tiếp theo, đảm bảo hệ thống vận hành chính xác.

4. Ưu điểm, hạn chế của mạch điều khiển khí nén

4.1. Ưu điểm

Sở dĩ mạch điều khiển khí nén được ứng dụng ngày càng nhiều trong các lĩnh vực vì có hàng hoạt ưu điểm sau:

• So với hệ thống điện, thủy lực, điều khiển bằng khí nén an toàn hơn trong môi trường dễ cháy. Khí nén gần như không gây độc hại, thân thiện với môi trường.
• Mạch khí nén rẻ hơn hệ thống điện tử phức tạp, hệ thống thủy lực.
• Tốc độ và lực của xi lanh khí nén có thể điều chỉnh dễ dàng thông qua van tiết lưu hoặc bộ điều áp
• Hoạt động tốt ở nơi có bụi, ẩm, nhiệt độ cao, thậm chí trong môi trường hóa chất nhẹ.
• Hệ thống khí nén ít chịu ảnh hưởng bởi sự cố điện, có thể hoạt động ổn định trong thời gian dài.

4.2. Hạn chế

Trong ứng dụng thực tế, hệ thống điều khiển khí nén tồn tại 1 số hạn chế:

• Do khí nén là môi chất dễ nén, chuyển động của xi lanh thường khó đạt độ chính xác tuyệt đối như hệ thống điện hoặc thủy lực.
• Hiện tượng rò rỉ khí trong đường ống, van hoặc khớp nối khá phổ biến, dẫn đến tiêu hao năng lượng và tăng chi phí vận hành
• Trong quá trình làm việc, khí thoát ra từ van, xi lanh thường tạo ra tiếng ồn lớn
• So với thủy lực, khí nén tạo ra lực nhỏ hơn, chỉ phù hợp với những ứng dụng vừa và nhẹ.
• Để mạch hoạt động ổn định, cần có máy nén khí, bộ xử lý khí và hệ thống ống dẫn đạt chuẩn. Do đó, chi phí đầu tư ban đầu có thể cao hơn so với tưởng tượng.

5. Nguyên tắc thiết kế sơ đồ mạch điều khiển khí nén

Bước quan trọng nhất, quyết định hiệu quả, độ an toàn của hệ thống điều khiển khí nén là thiết kế sơ đồ mạch. Có 1 số chuẩn mực cần tuân thủ như:

• Trước khi thiết kế, cần phân tích chi tiết mục đích sử dụng mạch là gì? Kẹp, ép hay phối hợp nhiều chuyển động. Nguyên tắc này giúp bạn chọn đúng phần tử phù hợp, tránh dư thừa/thiếu chức năng.
• Ưu tiên hàng đầu là các van an toàn, van khóa, cảm biến áp suất. Phần tử này cần trong hệ thống nén khí để ngăn chặn sự cố rò rỉ, quá áp.
• Các phần tử cần được bố trí đơn giản, logic, dễ hiểu, theo trình tự: Nguồn khí, bộ xử lý khí, bộ điều khiển, bộ chấp hành, bộ phản hồi tín hiệu.
• Đường ống dẫn cần được tối ưu ngắn nhất, ít góc gấp khúc, nhằm giảm tổn thất áp suất và tiết kiệm năng lượng.
• Chọn van, xi lanh, cảm biến theo đúng áp suất làm việc, lưu lượng khí và đặc thù môi trường (bụi, ẩm, nhiệt độ cao).
• Nếu yêu cầu độ chính xác cao, nên kết hợp khí nén với điều khiển điện/PLC.

6. Các mạch điều khiển khí nén tự động thường gặp

6.1. Mạch trễ tự động

Đây là loại mạch khí nén thiết kế ra để tạo khoảng thời gian trì hoãn nhất định, trước khi phần tử chấp hành hoạt động. Khoảng trễ được điều chỉnh thông qua van tiết lưu, bình tích khí, van định thời khí nén.

Ứng dụng:

• Dây chuyền lắp ráp: Tạo độ trễ giữa các công đoạn, tránh va chạm giữa các chi tiết.
• Máy đóng gói: Trì hoãn một nhịp để sản phẩm ổn định trước khi đóng gói.
• Hệ thống an toàn: Cho phép người vận hành có thêm thời gian quan sát trước khi xi lanh hoạt động.

6.2. Mạch điều khiển an toàn

Được tạo ra để ngăn chặn các sự cố nguy hiểm dễ xảy ra trong quá trình vận hành, đồng thời bảo vệ người vận hành, thiết bị. 

Trong mạch có các van khóa, van an toàn, van xả, công tắc hành trình, cảm biến áp suất. Khi sự cố xảy ra, mạch tự động ngắt, đưa mô tơ, xi lanh về trạng thái an toàn.

Ứng dụng:

• Máy ép công nghiệp: Khi người dùng vô tình đặt tay vào vùng nguy hiểm, cảm biến sẽ phát hiện ngay, ngắt cấp khí, xi lanh dừng lập tức.
• Hệ thống nâng hạ: Giữ tải ở vị trí ổn định, ngăn rơi tải khi có sự cố mất khí đột ngột.
• Sản xuất tự động: Đảm bảo các xi lanh chỉ hoạt động khi điều kiện an toàn được đáp ứng. Tránh va chạm giữa thiết bị hoặc gây thương tích cho công nhân.
• Phanh xe: Đảm bảo áp suất phanh khí nén ô tô, xe tải ổn định, kích hoạt van xả khi áp suất vượt ngưỡng.

6.4. Mạch điều khiển xi lanh tác động đơn

Xi lanh tác động đơn là loại xi lanh khí nén chỉ có 1 cửa cấp khí, thường sử dụng lò xo hồi vị để đưa piston về vị trí ban đầu.

Mạch điều khiển xi lanh tác động đơn kiểm soát việc cấp khí vào xi lanh để thực hiện chuyển động 1 chiều (thường là đẩy ra). Sau đó, piston tự hồi về nhờ lực đàn hồi của lò xo hoặc tải trọng ngoài.

Ứng dụng:

• Máy dập nhỏ gọn: Tạo lực dập theo 1 hành trình nhất định.
• Hệ thống kẹp chi tiết: Chỉ cần lực kẹp 1 chiều, lò xo tự nhả khi ngắt khí.
• Cửa an toàn: Đóng/mở tự động mà không cần di chuyển thủ công hai chiều.

6.5. Mạch điều khiển phân nhóm nối tiếp chuỗi

Đây là dạng mạch khí nén có các cơ cấu chấp hành gồm xi lanh, van, chia theo từng nhóm, hoạt động theo trình tự. Khi 1 nhóm hoàn thành chu trình, nhóm tiếp theo mới được cấp tín hiệu hoạt động.

Cơ chế này giúp đảm bảo tính logic, chính xác và an toàn, tránh xung đột.

Ứng dụng: 

• Sản xuất tự động: Kiểm soát dây chuyền sản xuất theo trình tự công đoạn như: kẹp, dập, nhả sản phẩm.
• Máy đóng gói: Đảm bảo trình tự đưa sản phẩm, gói màng, hạn miệng túi diễn ra nối tiếp.
• Robot công nghiệp: Điều khiển chuỗi chuyển động nhiều khâu liên tục

6.6. Mạch điều khiển tự động có cảm biến

Với mạch này, quá trình vận hành không chỉ dựa vào tín hiệu cơ học hay van tay mà còn được điều chỉnh bằng cảm biến.

Cảm biến đóng vai trò thu thập thông tin từ môi trường hoặc trạng thái thiết bị. Sau đó, truyền tín hiệu để điều khiển các phần tử khí nén hoạt động chính xác theo điều kiện đặt trước.

Ứng dụng:

• Máy đóng gói: Cảm biến phát hiện sản phẩm đi qua, ngay lập tức kích hoạt xi lanh kẹp, cắt hoặc hàn.
• Hệ thống phân loại: Cảm biến màu hoặc cảm biến quang học nhận diện sản phẩm đạt/không đạt, điều khiển xi lanh đẩy sang đúng băng chuyền.
• Robot gắp tự động: Xác định vị trí xi lanh để đảm bảo robot thực hiện đúng chu kỳ gắp - xoay - thả.

6.7. Mạch điều khiển cung cấp khí nén

Mạch này chuyên tạo ra và điều chỉnh, phân phối nguồn khí nén cho toàn bộ hệ thống điều khiển. Trong hệ thống mạch gồm máy nén khí, bộ lọc - tách nước, bộ điều áp, van khoa, bình tích khí và hệ thống ống dẫn.

Ứng dụng:

• Nhà máy sản xuất: Cung cấp khí nén để ổn định dây chuyền lắp ráp, đóng gói.
• Cơ khí, chế tạo: Cấp khí cho các máy khoan, mài, súng vặn vít hoạt động.
• Thực phẩm, dược phẩm: Tạo khí nén tinh khiết, khô cho các thiết bị chiết rót, đóng gói.

6.8. Mạch điều khiển kết hợp bơm khí nén

Đây là hệ thống mạch khí nén được thiết kế tích hợp với bơm khí nén. Mục đích là để vừa cung cấp khí, vừa tăng áp lực hoặc lưu lượng khí khi cần thiết. 

Trong mạch có bơm khí nén, van điều áp, van an toàn, xi lanh hoặc mô tơ khí, cảm biến áp suất và đường ống dẫn khí.

Ứng dụng: 

• Súng phun sơn: Bơm khí nén cung cấp áp suất ổn định, giúp sơn phun đều, mịn và liên tục.
• Máy ép kết hợp thủy lực và khí lực: Hỗ trợ tăng áp lực cho xi lanh khí nén, thực hiện ép vật liệu cứng.
• Hệ thống nâng hạ: Duy trì áp lực khí ổn định để nâng các tải nặng trong thời gian dài.

7. Xu hướng phát triển của mạch điều khiển khí nén

Theo Yên Phát tìm hiểu, tương lai gần, công nghiệp 4.0, tự động hóa thông minh phát triển mạnh, mạch điều khiển khí nén phát triển theo xu hướng sau:

• Tích hợp điện - khí - điện tử: Tăng độ chính xác, linh hoạt, dễ lập trình cho hệ thống.
• Tiết kiệm năng lượng: Ưu tiên thiết kế giảm rò rỉ khí, tối ưu đường ống và sử dụng van tiết lưu thông minh.
• Ứng dụng cảm biến, IoT: Hỗ trợ giám sát trạng thái mạch, lưu lượng, áp suất trực tuyến và cảnh báo sự cố kịp thời.
• Tích hợp AI: Tối ưu hóa chu trình vận hành, dự đoán lỗi và tự điều chỉnh áp suất/lưu lượng theo điều kiện thực tế.

Tóm lại, mạch điều khiển khí nén là trung tâm vận hành của hệ thống khí nén. Đây là giải pháp tối ưu cho ứng dụng công nghiệp hiện đại. Khi thiết kế và triển khai đúng cách, mạch mang lại nhiều lợi ích lớn trong đời sống.