32 giao trinh tu dong hoa qua trinh cong nghe

Giáo trình tự động hóa q trình cơng nghệ CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN QÚA TRÌNH SẢN XUẤT Trong hệ thống điều khiển tự động, cảm biến đóng vai trị quan trọng thiết bị cung cấp thơng tin q trình điều khiển cho điều khiển để điều khiển đưa định phù hợp nhằm nâng cao chất lượng trình điều khiển Có thể so sánh cảm biến hệ thống điều khiển tự động giác quan người Nội dung chương trình bày số loại cảm biến thơng dụng cơng nghiệp ứng dụng 1.1 Các định nghĩa đặc trưng chung: 1.1.1 Định nghĩa cảm biến: Các hệ thống điều khiển tự động cơng nghiệp có vơ số đại lượng vật lý cần đo như: nhiệt độ, áp suất, dịch chuyển, lưu lượng, trọng lượng … cần đo Các đại lượng vật lý khơng có tính chất điện, điều khiển cấu thị lại làm việc với tín hiệu điện phải có thiết bị để chuyển đổi đại lượng vật lý khơng có tính chất điện thành đại lượng điện tương ứng mang đầy đủ tính chất đại lượng vật lý cần đo Thiết bị chuyển đổi cảm biến a Cảm biến: Cảm biến thiết bị chịu tác động đại lượng vật lý khơng có tính chất điện m cho đại lượng vật lý có tính chất điện x như: điện trở, điện tích, điện áp, dịng điện tương ứng với m b c 1.1.2 a Hình 1.1.1: Sơ đồ khối Quan hệ s m x = f(m) gọi phương trình chuyển đổi cảm biến, hàm f() phụ thuộc vào cấu tạo, vật liệu làm cảm biến … Để chế tạo cảm biến, người ta sử dụng hiệu ứng vật lý Cảm biến tích cực: Cảm biến tích cực hoạt động nguồn áp nguồn dòng biểu diễn mạng hai cửa có nguồn Cảm biến thụ động: Cảm biến thụ động mô tả mạng hai cửa khơng nguồn, có trở kháng phụ thuộc vào kích thích Các hiệu ứng vật lý: Hiệu ứng hoả điện: Một số tinh thể gọi tinh thể hoả điện (thí dụ tinh thể sulfate triglycine), có tính phân cực điện tự phát phụ thuộc vào nhiệt độ Trên bề mặt đối diện chúng tồn điện tích trái dấu có độ lới tỷ lệ thuận với độ phân cực điện Hiệu ứng hỏa điện sử dụng để chế tạo cảm biến đo thông lượng búc xạ ánh sáng Khi tinh thể hoả điện hấp thụ ánh sáng, nhiệt độ tăng lên làm thay đổi phân cực điện Sự thay đội phân cực xác định cách đo biến thiên điện áp hai cực tụ điện Giáo trình tự động hóa q trình cơng nghệ Hình 1.1.2: Hiệu ứng hỏa điện b Hiệu ứng áp điện: Khi tác động lực học lên vật làm chất áp điện (Ví dụ Thạch anh), làm cho vật bị biến dạng làm xuất hai mặt đối diện vật lượng điện tích trái dấu Hiệu ứng dùng để chế tạo cảm biến đo lực, đo áp suất, gia tốc … thơng qua việc đo điện tích cực tụ điện Hình 1.1.3: Hiệu ứng áp điện Hiệu ứng nhà vật lý học người pháp Pierre Curie phát vào năm 1880 c Hiệu ứng cảm ứng điện từ: Khi dẫn chuyển động từ trường xuất sức điện động tỷ lệ với biến thiên từ thông nghĩa tỷ lệ với tốc độ chuyển động dẫn Hiệu ứng điện từ ứng dụng để chế tạo cảm biến đo tốc độ dịch chuyển vật thông qua việc đo sức điện động cảm ứng d e f 1.1.3 a Hình 1.1.4: Hiệu ứng điện từ Hiệu ứng nhà vật lý học người Anh M.Faraday phát vào năm 1831 Hiệu ứng quang điện: Bản chất hiệu ứng quang điện tượng giải phóng hạt dẫn tự vật liệu tác dụng xạ ánh sáng Hiệu ứng Einstein phát vào năm 1905 ứng dụng để chế tạo cảm biến quang Hiệu ứng quang điện chất bán dẫn: Khi chuyển tiếp P-N chiếu sáng phát sinh cặp điện tử - lỗ trống, chúng chuyển động tác dụng điện trường chuyển tiếp làm thay đổi hiệu điện hai đầu chuyển tiếp Hiệu ứng thường dùng để chế tạo cảm biến quang Hiệu ứng nhiệt điện: Khi hai dây dẫn có chất hóa học khác nhau, hàn kín xuất sức điện động tỷ lệ với nhiệt độ mối hàn Hiệu ứng Seebeck pháy vào năm 1821 ứng dụng để chế tạo cảm biến nhiệt độ Các thông số đặc trưng cảm biến: Độ nhạy cảm biến: Độ nhạy cảm biến giá trị m = m0 tỷ số biến thiên ngõ cửa cảm biến Δx biến thiên ngõ vào Δm lân cận m0 Gọi s độ nhạy cảm biến: Giáo trình tự động hóa q trình cơng nghệ b Sai số cảm biến: Sai số cảm biến sai lệch giá trị đo cảm biến giá trị thực đại lượng cần đo, đánh giá % Nếu gọi x giá trị thực đại lượng cần đo, Δx sai lệch giá trị đo giá trị thực (gọi sai số tuyệt đối), sai số cảm biến δ xác định sau: Ví dụ: Một cảm biến nhiệt độ có độ nhạy là: s = 0,1 [mV/oC], tạo điện áp 100 [0C] là10,5 [mV] sai số cảm biến là: Sai số cảm biến chia thành loại: sai số hệ thống sai số ngẫu nhiên  Sai số hệ thống: Sai số hệ thống sai số khơng phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị không đổi thay đổi châm theo thời gian Các nguyên nhân gây sai số hệ thống: - Do nguyên lý cảm biến - Do đặc tính cảm biến - Do chế độ điều kiện sử dụng cảm biến - Do xử lý kết đo  Sai số ngẫu nhiên: Sai số ngẫu nhiên sai số xuất có độ lớn chiều không xác định Nguyên nhân gây sai số ngẫu nhiên: - Do thay đổi đặc tính thiết bị - Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên - Do ảnh hưởng thông số môi trường như: từ trường, nhiệt độ, độ ảm, độ rung … c Độ tuyến tính cảm biến: Cảm biến gọi tuyến tình dải đo có độ nhạy không đổi điểm dải đo 1.1.4 Mạch xử lý tín hiệu cảm biến: Đáp ứng ngõ cảm biến thường không phù hợp với cấu thị thiết bị đọc tín hiệu hồi tiếp hệ thống điều khiển cần có mạch xử lý (chuyển đổi tín hiệu) cho phù hợp với cấu Sơ đồ khối minh họa việc kết hợp cảm biến mạch xử lý tín hiệu hình 1.1.5 Hình 1.1.5: Mạch đo cảm biến a Các mạch khuếch đại đo lường: Do tín hiệu điện ngõ cảm biến thường nhỏ, để tăng giá trị tín hiệu ta dùng mạch khuếch đại - Mạch khuếch đại đảo: Giáo trình tự động hóa q trình cơng nghệ Hình 1.1.6: Mạch khuếch đại đảo với biến trở chỉnh offset Với Vo điện áp đầu ra, Vi điện áp đầu vào - Mạch khuếch đại khơng đảo: Hình 1.1.7: Mạch khuếch đại khơng đảo với biến trở chỉnh offset Với Vo điện áp đầu ra, Vi điện áp đầu vào - Mạch lặp lại điện áp: Giáo trình tự động hóa q trình cơng nghệ Hình 1.1.8: Mạch lặp lại điện áp Vo = Vi (1.6) Với Vo điện áp đầu ra, Vi điện áp đầu vào - Mạch khuếch đại vi sai: Hình 1.1.9: Mạch khuếch đại vi sai Chọn R1 = R3, R2 = R4 thì: - Mạch khuếch đại dụng cụ: Hình 1.1.10: Mạch khuếch đại dụng cụ b Mạch cầu Wheatstone: Giáo trình tự động hóa q trình cơng nghệ Mạch cầu Wheastone dùng để chuyển đổi thay đổi điện trở thành thay đổi điện áp đường chéo cầu Hình 1.1.11: Mạch cầu wheastone Trong sơ đồ Rx = Ro + ΔR, ΔU = V+ - V- ta có: Nếu ΔR Io, (2.11) viết lại: Giáo trình tự động hóa q trình cơng nghệ Với Ip tính cơng thức (2.5) từ (2.13) ta thấy điện áp photo diode phụ thuộc theo thông lượng ánh sáng theo hàm logarit - Độ nhạy photo diode : - Ứng dụng photo diode: Photo diode dùng để thơng lượng ánh sáng, dị vạch dẫn đường cho mobile robot, làm dầu thu điều khiển từ xa không dây, đọc mã vạch … Sơ đồ dùng photo diode: Hình 1.2.8: Sơ đồ mạch đo dịng ngược chế độ quang dẫn Hình 1.2.9: Sơ đồ mạch đo dùng photo diode chế độ quang c Photo transistor: - Cấu tạo photo transistor nguyên lý làm việc transistor quang: Photo transistor transistor silic loại NPN mà vùng Bazơ chiếu sáng Khi khơng có điện áp đặt lên Bazơ có điện áp đặt lên Colector, chuyển tiếp BC bị phân cực ngược hình 2.9 Hình 1.2.10: Sơ đồ mạch đo dùng transistor quang Điện áp đặt vào E tập trung toàn chuyển tiếp B-C, chênh lệch điện Emiter Bazơ không đáng kể (VBE ≈ 0,7 [V]) Khi 10 Giáo trình tự động hóa q trình cơng nghệ 4.1.6 Hình thể 4.1.6.1 Đối với nguồn pha 44 Giáo trình tự động hóa q trình cơng nghệ 4.2 Đối với nguồn pha 45 Giáo trình tự động hóa q trình cơng nghệ 46 Giáo trình tự động hóa q trình cơng nghệ Ký hiệu S.ON LSP LSN CR SP1 SP2 TL RES EMG VC VLA TLA TC ST1 ST2 VLC Tên tín hiệu Sevro on Khoá quay thuận Khoá quay nghịch Xoá Chọn tốc độ Chọn tốc độ Chọn giới hạn Momem Reset Dừng khẩn cấp Điều khiển thay dổi tốc độ Giới hạn thay đổi tốc độ Giới hạn thay đổi Momem Điều khiển thay đổi Momem Chọn chế độ quay thuận Chọn chế độ quay nghịch Giới hạn tốc độ RD Sẵn sàng ZSP Tốc độ ALM Báo lỗi WNG Cảnh báo LG Điều khiển chung OPC Mở collector cấp vào cung 4.3 Điều khiển tốc độ 4.3.1 Sơ đồ kết nối 47 Giáo trình tự động hóa q trình cơng nghệ 4.3.2 Cài đặt tham số tha m số P00 P01 P02 P08 P09 P10 P11 P12 Tên Cà i Điều khiển tồc độ Chọn chức Tần số Lệnh tốc độ bên Lệnh tốc độ bên Lệnh tốc độ bên Thời gian tăng đạt tốc độ tối đa Thời gian giảm tốc độ tối đa 00 02 00 02 01 05 10 00 15 00 20 00 48 Giáo trình tự động hóa q trình cơng nghệ 10 00 50 Sau cài đặt tham số bật cơng tấc nguồn OFF để amplifier lưu giữ liệu Sau bậc cơng tắt nguồn cung cấp bật SERVO ON 4.3.3 Hoạt động SERVO ON:  Bậc công tắc servo on  Bậc công tắc nguồn  Bậc cơng tắc ST1 ST2 để chọn chế độ quay thuận quay ngược  Động thay đổi tốc độ biến trở chạy theo tốc độ bên bật SP1 động chạy theo thông số P08 SP2 chạy theo tham số P09 Nếu SP1 SP2 bậc lúc động chạy theo tham số 10 Chọn giá trị cài đặt tốc độ lệnh tốc độ bên 1.2.3 sử dụng chọn tốc độ 2(SP1) giá trị cài đặt bỏ biến trở Tín hiệu bên Giá trị tốc độ ngồi SP2 SP1 0 Tốc độ thay đổi theo biến trở Lệnh tốc bên 1(P.8) Lệnh tốc bên 2(P.9) 1 Lệnh tốc bên 3(P.10) Ngồi cài giá trị tham số 43 đến tham số 48 để làm tốc độ có giá trị Tham số P44 = 02A2 P44 = 00A0 Bằng cách thay đổi giá trị SP1 ,SP2 ,SP3 ta thay đổi cấp tốc độ cho động Ta thay đổi tốc độ tham số P08, P09, P10, P72, P73, P74, P75 theo mong muốn từ - 5172 v/p Ngoài ta cịn thay đổi tốc độ cực đại biến trở (VR) cách thay đổi tham số P25(0 -100%) Chú ý không cài giá trị lớn không tốt cho động Nếu tốc độ lớn AL31 báo lỗi(quá tốc độ) Trong trường hợp cài tham số P25 nhỏ xuống nhấn RST để phục hồi lỗi Tuỳ theo tải động mà thay đổi giới hạn Mômen cách thay đổi tham số P28 (0 đến 100%) Để bắt đầu hoạt động nối tắt LSP-SG LSN-SG Nếu mở chúng động khơng thể hoạt động Ta chọn chế độ quay thuận hoạc quay ngược cho động theo bảng bên dưói: Tín hiệu đặc vào Hoạt động 49 Giáo trình tự động hóa q trình cơng nghệ LSP 1 LSN 1 0 Quay thuận quay ngược 0 Cài tham số P22 = 0001 để dừng chậm lại theo tham số P12 Trường hợp điều khiển tốc độ bên (thông qua amplifier), ta chỉnh rd – off , sau ta nhấn UP: lần, sau bấm REST1, sau nhấn nút SET giữ im giây, sau chuyển qua d-01 ta điều chỉnh trực tiếp amplifier Thì ta nhấn UP chạy (quay) ngược chiều kim đồng hồ ta nhấn DOWN động quay theo chiều kim đồng hồ, với tốc độ mặc định 200 vòng/phút 4.4 Điều khiển momen Đặc tính momen động Ac servo thuộc họ HC-KFS vẽ bên dưới: 4.5 Sơ đồ kết nối 50 Giáo trình tự động hóa q trình cơng nghệ 51 Giáo trình tự động hóa q trình cơng nghệ 4.6 Cài đặt tham số hoạt động 4.6.1 Các lổi ALARM Trình bày AL10 AL12 AL13 AL15 AL16 AL17 AL19 AL20 AL24 AL25 AL30 AL31 Tên Điện áp thấp Bộ nhớ bị lỗi Khoá bị lỗi Nhớ bị lỗi Encoder bị lỗi Mạch bị lỗi Bộ nhớ bị lỗi Encoder bị lỗi Dịng bị lỗi vị trí hồn tồn bị xoá Phục hồi bị lỗi Quá tốc độ AL32 Quá dòng AL33 AL35 AL37 AL45 AL46 AL50 AL51 AL52 AL8A AL8E AL92 AL96 AL9F ALEO ALE1 ALE6 ALE9 Quá điện áp Lệnh tần số xung bị lỗi Tham số bị lỗi Dịng thiết bị q nóng Động servo nóng Quá tải Quá tải excessive Cổng kết bị lỗi Cổng kết bị lỗi Mở cáp pin cảnh báo Vị trí cài đặt cảnh báo Pin cảnh báo Phạm lỗi mức Cảnh báo tải Dừng khẩn cấp cảnh báo Dịng chưa cấp Hình bên sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển chuyển động 52 Giáo trình tự động hóa q trình cơng nghệ Tóm lại việc sử dụng động servo để điều khiển chuyển động ưu việt so với việc dùng cấu, nguồn dẫn động khác, đáp ứng hầu hết yêu cầu độ xác tính “mềm” dễ thay đổi cho hệ thống Robot 4.7 Inverter Hay gọi biến tần hệ thống biến đổi từ nguồn xoay chiều cơng nghiệp có tần số f1 (thường có tần số 50Hz) sang tần số khác thay f2 Sự thay đổi tần số tuỳ thuộc vào tham số mà ta cài đặt Các tham số nhà sản suất quy định ta cài đặt phạm vi cho phép Có nhiều loại inverter nhiều hãng khác Ở đồ án sử dụng inverter loaị FR-E520-0.1K hãng Mitsubishi Hệ thống biến tần chia làm hai loại : 4.7.1 Biến tần gián tiếp biến tần trực tiếp Hệ thống biến tần trực tiếp khơng cịn sử dụng mạch điện phức tạp, cồng kềnh giá thành cao hệ thống biến tần gián tiếp gồm phần :  Mạch chỉnh lưu  Mạch trung gian  Mạch nghịch lưu Do tính chất khác mạch trung gian nên có tên gọi hệ thống biến tần gián tiếp hay dịng gián tiếp a Hình dáng bên ngồi: 53 Giáo trình tự động hóa q trình cơng nghệ b Sơ đồ chân: 54 Giáo trình tự động hóa q trình cơng nghệ c Mơ tả đặc tính chân theo sơ đồ: Ký hiệu Tên Mạch R, S, T Ngõ vào nguồn động (L1,L2,L3) cung cấp AC lực U, V, W P,PR (+,PR) Ngõ inverter Kết nối điện trở hãm P,N (+,-) Kết nối phận hãm P,P1 (+,P1) Nhân tố cải thiện hệ số công suất RH,RM,R L MRS Đất (Ground, Earth) Khởi động quay thuận Khởi động quay ngược Chọn lựa đa tốc độ Dừng ngõ RES Reset SD Tiếp điểm chung STF STR Mạch điều khiển (tín hiệu vào) vào Mô tả Nối đến nguồn cung cấp.Khi sử dụng nguồn AC pha, nối vào R(L1) S(L2).Khi sử dụng biến đổi hệ số công suất lớn (FR-HC) (FR-CV ) khơng nối đường Nối đến động pha rotor lồng sóc Hai ngõ sử dụng để kết nối đến điện trở hãm (không nối đến loại 0.1K 0.2K) Hai ngõ sử dụng để kết nối đến phận hãm biến đổi hệ số công suất lớn( FR-HC) Không kết nối tắt P(+) P1, nối cuộn dây DC cải thiện hệ số công suất lớn vào Nối đất vỏ inverter Phải luôn nối đất cho inverter Khởi động động quay thuận ngõ STF-SD ON Khởi động động quay ngược ngõ STR-SD ON Chọn lựa nhiều tốc độ kết hợp tín hiệu ngõ RH, RM, RL với SD Khi nối tắt hai cực MRS SD khoảng 20ms ngắt tín hiệu inverter.Tín hiệu dùng để ngắt ngõ inverter dừng động hãm từ Xoá trạng thái hoạt động cho hoạt động mạch bảo vệ Nối tắt cực RES-SD 0.1s (hoặc hơn) sau hở mạch Hệ số dặt phải reset Nối với tiếp điểm vào đồng hồ hiển thị Tiếp điểm có điện áp 24v Dc dịng 0,1A 55 Giáo trình tự động hóa q trình cơng nghệ PC Nguồn transistor nối chung bên 10 Nguồn cung cấp để định tần số Định tần số (điện áp) Thiet lập tần số ( dòng điện ) Ngõ vào chung để định tần số P24 Ngõ vào chung (Nguồn) Tín hiệu báo động ngõ A, B, C Mạch điều khiển (tín hiệu ra) RUN Inverter hoạt động FU Dò tần số SE Ngõ chung cực thu hở Khi nối với ngõ transistor(ngõ cực thu hở), ví dụ PLC, trục trặc gây nguồn dịng giải cách nối nguồn chung bên cho ngõ transistor vào chân Có thể sử dụng nguồn 24V DC, 0.1A 5V DC Dòng tải 10mA Khi ngõ vào từ 0-5V DC (hoặc từ 010V DC), tần số lớn đạt 5V (hoặc 10V) Ngõ vào ngõ có quan hệ tỷ lệ Có thể thay đổi mức điện áp 5V hay 10V cách sử dụng Pr.73 Điện trở vào 10K điện áp vào chịu đến 20V Tín hiệu vào từ 4-20mA DC.Tần số lớn 20mA Bộ inverter điều chỉnh để 4mA cho tần số 0Hz 20mA cho tần số 60Hz Dòng tối đa chịu 30mA Điện trở vào khoảng 250 Chân chung cho tín hiệu điều chỉnh tần số ( chân 1,2 4) Không nối đất chân Ngõ vào chung cho tiếp điểm sử dụng nguồn vào Tiếp điểm báo mạch bảo vệ inverter hoạt động ngõ dừng 200V AC 0.3A 30V DC 0.3A Khi báo động nối mạch A-C hở mạch B-C Ngõ mức thấp L tần số inverter lớn số bắt đầu Ngõ mức cao H dừng inverter suốt q trình hãm DC.Tải cho phép chịu 24V DC 0.1A Ngõ mức L tần số cao tần số định trước Ngõ mức H tần số thấp tần số định trước Tải chịu 24V DC 0.1A Đây ngõ chung cho chân RUN FU 56 Giáo trình tự động hóa q trình cơng nghệ FM Giao tiếp Dùng cho đồng hồ hiển thị Đầu nối PU Chọn tầng số từ ngõ tần số tuyền tính Điện áp dạng xung, kết nối đồng hồ hiển thị số Đặc điểm xung : 1440xung/giây 60Hz Giao tiếp RS-485 thực sử dụng đầu nối PU d Cách lắp đặt sử dụng: Khi lắp đặt sử dụng phải ý :đặt inverter theo hướng thẳng đứng ,vặn chặt ốc vào panel ,đảm bảo tốt cho inverter đặt tủ Khi lắp đặt phải trách nơi dao động (tối đa 5,9m/s).Nhiệt độ môi trường xung quanh -10oC đến 50oC.Tránh lắp đặt inverter lộ nơi có dầu loang ,gas dễ cháy mùi , bụi đất, dơ bẩn Kết nối chân chân phải theo hướng dẫn nhà sản xuất 4.8 Vận hành Sử dụng núm điều chỉnh bảng điều khiển : Sử dụng núm RUN để khởi động nút STOP/RESET để dừng Định tần số nút điều chỉnh tần số 57 Giáo trình tự động hóa q trình cơng nghệ Điều khiển bên điều khiển bên điều khiển tải Khi vận hành đặt theo tham số 79( theo phạm vi đề tài )  Đặt tham số 79=1:cho kiểu điều khiển (PU)  Đặt tham số 79=2 cho kiểu điều khiển (external) Ngoài để điều chỉnh động theo ý muốn ta phải xét tiếp tham số khác Các tham số trình bày chương 58