Đo và điều khiển nhiệt độ bằng S7-200

Việc đo nhiệt độ được tiến hành nhờ các dụng cụ hỗ trợchuyên biệt như cặp nhiệt điện, nhiệt điện trở, diode và transistor, IC cảm biến nhiệt độ, cảm biến thạch anh … Tùy theo khoảng nhiệ

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN BỘ MÔN ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINHĐỘC LẬP -TỰ DO- HẠNH PHÚC TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN

BỘ MÔN ĐIỆN –ĐIỆN TỬ

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên : HUỲNH THIÊN BẢO

Lớp : 95KĐĐ

Ngành : ĐIỆN –ĐIỆN TỬ

1.Tên đề tài:

THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ GIAO TIẾP

MODULE ANALOG PLC S7 - 200

2 Các Số Liệu Ban Đầu:

-3 Nội Dung Phần Thuyết Minh:

-4.Giáo viên hướng dẫn: NGUYỄN XUÂN ĐÔNG

5.Ngày giao nhiệm vụ: 13-12-1999

6.Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 28-2-2000

Giáo viên hướng dẫn Thông qua bộ môn

Ngày…Tháng ….Năm 2000 Chủ nhiệm bộ môn

BẢN NHẬN XÉTLUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG

DẪN

Họ và tên sinh viên : HUỲNH THIÊN BẢO

Ngành : ĐIỆN –ĐIỆN TỬ

Tên đề tài:

THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ GIAO TIẾP

MODULE ANALOG PLC S7 - 200

Nội dung luận văn tốt nghiệp:

-

-Nhận xét của giáo viên hướng dẫn :

-Giáo viên hướng dẫn

(ký và ghi rõ họ tên)

NGUYỄN XUÂN ĐÔNG

BẢN NHẬN XÉT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỦA GIÁO VIÊN PHẢN

BIỆN

Họ và tên sinh viên : HUỲNH THIÊN BẢO

Lớp : 95KĐĐ

Ngành : ĐIỆN –ĐIỆN TỬ

Tên đề tài:

THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ GIAO TIẾP

MODULE ANALOG PLC S7 - 200

Nội dung luận văn tốt nghiệp:

-

-Nhận xét của giáo viên phản biện:

Giáo viên phản

biện

(ký và ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC Trang

Phần A : GIỚI THIỆU

Phần B : NỘI DUNG

Chương I :CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ

I – Khái niệm

chung -

-

II – Các phương pháp đo nhiệt

III -– Giới thiệu một số mạch đo nhiệt độ 17 IV – Giới thiệu một số mạch khống chế nhiệt độ

-Chương II : GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VỀ

PLC -25

I -– Sơ lược về lịch sử phát

triển -25 II -– Cấu trúc và nghiên cứu hoạt động của một PLC -25

III

-– So sánh PLC với các hệ thống điều khiển khác -– Lợi ích của việc sử dụng PLC IV -– Một vài lĩnh vực tiêu biểu ứng dụng

V – Giới thiệu về Module Analog EM235 của PLC S7 – 200, CPU

214 -Chương III : GIỚI THIỆU VỀ SCR VÀ CÁC IC ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG

MẠCH -Phần II : NỘI DUNG A – THIẾT KẾ PHẦN CỨNG - -39

I -– Yêu

II -– Sơ đồ khối – Nguyên lý hoạt động dựa theo sơ đồ khối -39

III -– Thiết kế chi

tiết -39 1 – Mạch cảm biến nhiệt độ và mạch khuếch

đại -2 – Mạch điều

khiển -43

3 – Mạch giải mã – Hiển

thị -48

4 – Thiết

bị -51

5 – Nguồn cung

cấp -6 – Sơ đồ nguyên

lý -B – PHẦN MỀM -55

1 – Quan hệ giữa nhiệt độ và dữ liệu 12 bit ở đầu ra của bộ chuyển đổi

ADC 2 – Chương trình điều

khiển -Phần III : THI CÔNG MẠCH I – Sơ đồ bố trí linh kiện và mạch

in -66 II – Cân chỉnh mạch đầu

đo -69

Phần C : KẾT LUẬN – TÀI LIỆU THAM

KHẢO -70

PHAÀN I:

LYÙ THUYEÁT

LIEÂN QUAN

CHƯƠNG I :CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ

I-Khái niệm chung:

Trong nghiên cứu khoa học, trong sản xuất cũng như trong đờisống sinh hoạt hằng ngày, luôn luôn cần xác định nhiệt độ của môitrường hay của một vật nào đó Vì vậy việc đo nhiệt độ đã trởthành một việc làm vô cùng cần thiết Đo nhiệt độ là một trongnhững phương thức đo lường không điện Nhiệt độ cần đo có thểrất thấp (một vài độ Kelvin), cũng có thể rất cao (vài ngàn, vàichục ngàn độ Kelvin) Độ chính xác của nhiệt độ có khi cần tới mộtvài phần ngàn độ, nhưng có khi vài chục độ cũng có thể chấp nhậnđược Việc đo nhiệt độ được tiến hành nhờ các dụng cụ hỗ trợchuyên biệt như cặp nhiệt điện, nhiệt điện trở, diode và transistor,

IC cảm biến nhiệt độ, cảm biến thạch anh … Tùy theo khoảng nhiệtđộ cần đo và sai số cho phép mà người ta lựa chọn các loại cảmbiến và phương pháp đo cho phù hợp:

- Khoảng nhiệt độ đo bằng phương pháp tiếp xúc và dùng cặpnhiệt điện là từ 2000C đến 10000C,độ chính xác có thể đạt tới +/-1% -> 0.1%

- Khoảng nhiệt độ đo bằng phương pháp tiếp xúc và dùng cặpnhiệt điện (cặp nhiệt ngẫu) là từ –2700C đến 25000C với độ chínhxác có thể đạt tới +/-1% -> 0.1%

- Khoảng nhiệt độ đo bằng phương pháp tiếp xúc và dùng cáccảm biến tiếp giáp P-N (diode, transistor, IC) là từ –2000C đến

2000C,sai số đến +/-0.1%

- Các phương pháp đo không tiếp xúc như bức xạ,quang phổ… cókhoảng đo từ 10000C đến vài chục ngàn độ C với sai số +/-1% ->10%

Thang đo nhiệt độ gồm: thang đo Celcius(0C), thang đo Kelvin(0K), thang đo Fahrenheit (0F), thang đo Rankin (0R)

T(0C) = T(0K) – 273.15T(0F) = T(0R) - 459.67T(0C) = [ T(0F) –32 ]*5/9T(0F) = T(0C)*9/5 +32

*Sự liên hệ giữa các thang đo ở những nhiệt độ quan trọng:

Kelvin(0K) Celcius(0C) Rankin(0R) Fahrenheit(0F)

0 -273.15 0 -459.67

II-Các phương pháp đo nhiệt độ:

Ta có thể chia quá trình đo nhiệt độ ra làm ba khâu chính:a-Khâu chuyển đổi:

Khâu chuyển đổi nhiệt độ thường dựa vào những biến đổimang tính đặc trưng của vật liệu khi chịu sự tác động của nhiệt độ.Có các tính chất đặc trưng sau đây:

- Sự biến đổi điện trở

- Sức điện động sinh ra do sự chênh lệch nhiệt độ ở các mốinối của các kim loại khác nhau

- Sự biến đổi thể tích, áp suất

- Sự thay đổi cường độ bức xạ của vật thể khi bị đốt nóng

Đối với chuyển đổi nhiệt điện, người ta thường dựa vào haitính chất đầu tiên để chế tạo ra các cặp nhiệt điện (Thermocouple),nhiệt điện trở kim loại hay bán dẫn, các cảm biến nhiệt độ dướidạng các linh kiện bán dẫn như: diode, transistor, các IC chuyêndùng

b-Khâu xử lý:

Các thông số về điện sau khi được chuyển đổi từ nhiệt độ sẽđược xử lý trước khi qua đến phần chỉ thị Các bộ phận ở khâu xửlý gồm có: phần hiệu chỉnh, khuếch đại, biến đổi ADC (Analog-Digital-Converter)… Ngoài ra còn có thể có các mạch điện bổ sungnhư: mạch bù sai số, mạch phối hợp tổng trở…

c-Khâu chỉ thị:

Khâu chỉ thị trước đây thường sử dụng các cơ cấu cơ điện, ở đókết quả đo được thể hiện bằng góc quay hoặc sự di chuyển thẳngcủa kim chỉ thị Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ điện tử,đãsản xuất nhiều loại IC giải mã, IC số chuyên dùng trong biến đổiADC, vì vậy cho phép ta sử dụng khâu chỉ thị số dễ dàng như dùngLED 7 đoạn hoặc màn hình tinh thể lỏng LCD Ở đó, kết quả đođược thể hiện bằng các con số trong hệ thập phân

1-Đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở:

Nhiệt điện trở thường dùng để đo nhiệt độ của hơi nước, khíthan trong các đường ống, các lò phản ứng hóa học, các nồi hơi,không khí trong phòng …

Nguyên lý làm việc của thiết bị này là dựa vào sự thay đổiđiện trở theo nhiệt độ của các vật dẫn điện, tức là điện trở là mộthàm theo nhiệt độ: R = f(T) Cuộn dây điện trở thường nằm trongống bảo vệ, tùy theo công dụng mà vỏ ngoài có thể làm bằng thủytinh, kim loại hoặc gốm

Đối với hầu hết các vật liệu dẫn điện thì giá trị điện trở R tùythuộc vào nhiệt độ T theo một hàm tổng quát sau:

R(T) = Ro.F(T – To)

Với : Ro :điện trở ở nhiệt độ To

F : hàm phụ thuộc vào đặc tính của vật liệu

F = 1 khi T = To-Đối với điện trở kim loại :

a)Nhiệt điện trở kim loại (Thermetal):

Nhiệt điện trở kim loại được chế tạo dưới dạng dây nhỏ quấnquanh một đế cách điện (thường bằng sứ tròn, dẹp hay vòng xuyến)và được bọc bằng một lớp vỏ bảo vệ (thuỷ tinh, sứ, thạch anh …).Vật liệu chế tạo nhiệt điện trở kim loại đòi hỏi cần phải thỏa cácyêu cầu:

-Hệ số nhiệt lớn

-Điện trở suất lớn

-Tính ổn định hóa-lý cao

-Tính thuần khiết về mặt cấu tạo hóa học cao

*Muốn đo điện trở của nhiệt điện trở kim loại,ta có thể dùngmạch cầu Wheatston như sau:

với Rt : nhiệt điện trở

RN :điện trở mẫu

RB : điện trở chỉnh dòng qua nhiệt điện trở

E : nguồn một chiều

R1 ,R2 : điện trở cầu đo

RV :điện trở dây dẫn nhiệt điện trở

Khi cầu cân bằng thì dòng qua điện kế G bằng 0 :

Độ chính xác của sự xác định Rt phụ thuộc vào độ nhạy củađiện kế G Độ nhạy của điện kế càng cao ,sự xác định cân bằngcàng đúng

Ngoài ra sai số của điện trở R1, R2,RN cũng ảnh hưởng đến saisố của Rt

G

RB

E R2

RNRt R1

Điện trở đầu ra của mạch đầu đo:

RRA = (R1 + R2)//(RN + Rt)

Trong thực tế, người ta thường giữ cho dòng điện qua nhiệtđiện trở trong khoảng I = (1 -> 4) mA ở phép đo cần độ chính xáccao và I=(4>10)mA ở phép đo cần độ chính xác thấp hơn (trongcông nghiệp),vì nếu để dòng chảy qua nhiệt điện trở lớn thì hiệntượng tự nung ở nhiệt điện trở là đáng kể, sẽ gây ra một sai số lớn,làm mất đặc tính cảm biến nhiệt của nhiệt điện trở

*Lưu ý khi sử dụng nhiệt điện trở :

-Khi mua nhiệt trở cần căn cứ vào quy cách để chọn nhiệt điệntrở phù hợp với điều kiện đo.Ví dụ nếu cần đo trong môi trường dễăn mòn thì phải dùng loại vỏ bằng thép hợp kim không rỉ có tínhchống mòn Nhiệt độ và áp lực môi trường đo không vượt quá giớihạn quy định của từng loại

-Không nên đặt nhiệt kế ở những nơi có chấn động, rung động,

va chạm Đầu dây nối vào dây đồng hồ chỉ nhiệt độ không đượcnóng quá 1000C Vị trí đặt can nhiệt (loại nhiệt điện trở có vỏ bảovệ) tốt nhất là theo hướng thẳng đứng Khi buộc phải đặt hướng vịtrí nằm ngang thì phải quay ổ đấu dây ra của nhiệt điện trở theohướng xuống dưới để tránh nước lọt vào Nếu đo nhiệt độ ở đườngống có dòng khí hoặc nước chảy qua thì vị trí đầu đo cần đặt quátâm ống (đầu ống ở vị trí 2/3 đường kính ống nước hoặc khí)

*Một số nhiệt điện trở kim loại thông dụng:

-Nhiệt điện trở Platin:

Nhiệt điện trở Platin thường được chế tạo dưới dạng dâyquấn đường kính (0.05 -> 0.1)mm, đo nhiệt độ từ –2000C -> 10000Cvới độ chính xác tương đối cao,ngay cả trong những điều kiện môitrường dễ oxy hóa (α = 3,9.10-3/0C)

Tuy nhiên, ở nhiệt độ xấp xỉ 10000C hoặc cao hơn, Platinthường kém bền và chỉ thị nhiệt mất chính xác

-Nhiệt điện trở Nickel:

Có ưu điểm là độ nhạy nhiệt rất cao (6,66.10-3/0C) từ 00Cđến 1000C, điện trở suất là 1,617.10-8 (còn của Platin là 1,385.10-8).Nickel chống lại sự oxy hóa, thường được dùng ở nhiệt độ nhỏ hơn

2500C

-Nhiệt điện trở đồng:

Được sử dụng vì đặc tuyến rất tuyến tính của sự thay đổi điệntrở theo nhiệt Tuy nhiên vì phản ứng hóa học nên không cho phépsử dụng ở nhiệt độ lớn hơn 1800C, và vì điện trở suất bé nên khidùng, để đảm bảo có giá trị điện trở nhất định, chiều dài dây phảilớn gây nên một sự cồng kềnh bất tiện.

-Nhiệt điện trở Tungstène:

Có độ nhạy nhiệt của điện trở lớn hơn của Platin trong trườnghợp nhiệt độ cao và nó thường được sử dụng ở nhiệt độ cao hơnPlatin với một độ tuyến tính hơn Platin.Tungstène có thể được cấutạo dưới dạng những sợi rất mảnh cho phép thực hện điện trở cógiá trị cao, như vậy với giá trị điện trở cho trước, chiều dài dây sẽgiảm thiểu

b)Nhiệt điện trở bán dẫn (Thermistor):

Đây là loại cảm biến nhiệt nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ,được chế tạo bằng chất bán dẫn, thường gọi là Thermistor Đặcđiểm của Thermistor là điện trở của nó biến đổi rất lớn theo nhiệtđộ Thành phần chính của nó là bột của oxyt kim loại như Mangan,Nickel, sắt… hoặc hỗn hợp tinh thể MnAl2O, Zn2TiO4

Nhiệt kế Thermistor được chế tạo bằng cách ép định hình, sauđó nung nóng đến 1000C trong môi trường oxy hóa.Việc chọn tỷ lệhỗn hợp các oxyt hoặc hỗn hợp tinh thể và môi trường nung giữ vaitrò quan trọng, quyết định chất lượng của Thermistor

Trong những năm gần đây, các nhiệt kế Thermistor được sửdụng nhiều vì nó có ưu điểm: độ nhạy cao, đặc tính nhiệt ổn định,kích thước nhỏ, hình dáng thay đổi dễ dàng khi chế tạo

Nhiệt điện trở bán dẫn chia làm hai loại:

+Nhiệt điện trở có hệ số nhiệt dương PT (Positive

Thermistor) làm việc trên nguyên tắc: khi nhiệt độ tăng thì Rtăng, loại này cấu tạo từ một trong những hợp chất sau: Ceramic,Sắt, Titan, Bari…

+Nhiệt điện trở có hệ số nhiệt âm NT (Negative

Thermistor) làm việc trên nguyên tắc khi nhiệt độ tăng thì R giảm.Thành phần chính của loại này là bột oxyt kim loại Mn, Fe,Ni hoặccác hỗn hợp tinh thể Aluminate Mn (MnAl2O) , Titanate kẽm(Zn2TiO4)

*Nguyên lý làm việc – Đặc tuyến làm việc:

-Đặc tuyến nhiệt độ của nhiệt điện trở bán dẫn loại PT:

Vùng A : hệ số nhiệt âm

Vùng B : hệ số nhiệt dương rất lớn

Vùng C : hệ số nhiệt âm sâu, vùng này rất nguy hiểm và nhiệtđiện trở dễ bị phá hủy

Điểm M: là điểm điều hành nhiệt điện trở.Đáp ứng nhiệt độtức thời khi cường độ dòng tăng vọt, nhiệt điện trở hoạt động bìnhthường trong khi chờ đến nhiệt độ tăng Hệ số nhiệt và điểm điềuhành này thay đổi theo thành phần các hợp chất cấu tạoThermistor Độ biến thiên có thể từ 10% đến 90% trên độ báchphân

-Đặc tuyến nhiệt độ của nhiệt điện trở bán dẫn loại NT:

Đặc tuyến của NT có dạng hyperbol do sự thay đổi của chấtbán dẫn theo nhiệt độ

Trị số của điện trở giảm rất nhanh khi nhiệt độ tăng Quan hệnày được biểu diễn bởi hàm:

R(T) = A.eB/T

A : hệ số điện trở phụ thuộc điện trở suất của bán dẫn

B : hệ số nhiệt phụ thuộc vào tính chất vật lý của vật liệu làmchất bán dẫn và loại Thermistor

B = 3000 ->5000 : thermistor đo nhiệt độ thấp

B = 6000 ->13000 : thermistor đo nhiệt độ cao

R

T O

M O

R

T

Khi nhiệt độ càng giảm thì độ nhạy của Thermistor càngtăng.Đó là một ưu điểm của nhiệt kế này.

Phạm vi sử dụng thermistor từ 1000C đến 4000C Vì là chấtbán dẫn nên khi sử dụng ở nhiệt độ cao hơn 2000C thì Thermistorphải có bọc chất liệu nhiệt

2-Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện (Thermocouple) :

Nhiệt độ cần đo được cặp nhiệt chuyển đổi thành sức điệnđộng để đưa vào các voltmet chỉ thị bằng kim,bằng vạch sáng hoặcbằng các con số

*Cấu tạo-Đặc tính tổng quát :

Một cặp nhiệt được cấu tạo bởi hai dây dẫn A và B và tại haiđiểm tiếp xúc của chúng có nhiệt độ T1 và T2 sẽ tạo ra một sứcđiện động ET2T1

A/B tùy thộc một mặt vào vật liệu của A và B, mặtkhác tùy thuộc vào T1 và T2

Nhiệt độ của một trong hai mối nối cố định, được biết và dùnglàm chuẩn (T1 = Tref), trong khi T2 là nhiệt độ của mối nối còn lạilà nhiệt độ Tc đạt được khi đặt trong môi trường có nhiệt độ khôngbiết Tx Nhiệt độ Tc phụ thuộc vào Tx và phụ thuộc vào những sựthay đổi nhiệt có thể có với những môi trường khác (hành lang,môi trường bên ngoài)

Cặp nhiệt điện được cấu tạo với kích thước rất bé cho phépviệc đo nhiệt độ với một cấp chính xác cao, đồng thời số lượng calođược thu nhỏ cho phép một vận tốc đáp ứng nhanh Hai ưu điểmnày cho thấy cặp nhiệt điện được sử dụng có ưu điểm hơn điện trở.Ngoài ra, nó còn có một ưu điểm khác là tín hiệu được tạo rachính là sức điện động mà không cần tạo ra một dòng điện chạyqua cảm biến, như vậy tránh được hiện tượng đốt nóng cảm biến.Tuy nhiên, nhược điểm của Thermocouple là trong quá trình đonhiệt độ thì nhiệt độ của mối nối chuẩn (Tref) phải biết rõ, tất cả sựkhông chính xác của Tref sẽ dẫn đến một sự không chính xác củaTc

*Hình dạng và nguyên lý làm việc:

Nhằm tránh những tiếp xúc khác ngoài mối nối, hai dây dẫnđược đặt bên trong vỏ cách điện bằng sứ,cặp nhiệt điện với vỏ cáchđiện thường được che chở thêm bằng một lớp vỏ để chống sự xâmphạm của các khí cũng như những đột biến nhiệt, lớp vỏ thườngbằng sứ hoặc thép; trong trường hợp bằng thép, mối nối có thểđược cách với vỏ hay tiếp xúc với vỏ, điều này có lợi là vận tốc đápứng nhanh nhưng nguy hiểm hơn

-Hình dạng các đầu cặp nhiệt:

Phương pháp hàn đầu mối nối cặp nhiệt thông thường là hànđiện, hàn hồ quang, hàn C2H2, hàn hóa chất

Cặp nhiệt loại 1,2,3 : đo ở nhiệt độ <= 1000C

Cặp nhiệt loại 4,5 : đo ở quán tính nhiệt độ thấp

- Phương trình cơ bản của cặp nhiệt điện:

E = A.∆T +B ∆T2 +C ∆T3

E: sức điện động được tạo ra khi cặp nhiệt điện làm việc.

∆T: hiệu số nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh

A, B, C: các hệ số phụ thuộc vào vật liệu làm cặp nhiệt

- Nguyên lý làm việc của cặp nhiệt điện:

Tại mối nối của hai dây dẫn kim loại khác nhau A và B trongcùng một điều kiện nhiệt độ T sẽ hình thành một hiệu điện thế.Hiệu điện thế này chỉ phụ thuộc vào tính chất vật liệu cấu tạo dâydẫn và nhiệt độ của chúng

+ Nếu tạo thành một mạch kín đẳng nhiệt cấu tạo bởi nhữngdây dẫn khác nhau thì sức điện động Peltier tổng cộng sẽ bằng 0.Trong mạch được cấu tạo bởi những vật liệu A, B, C, D thì :

PT A/B + PT

A

B D

C

Σ P=0

∫

TM TN

dT hA.

E TNTM

A = : sức điện động Thompson

với hA là hệ số Thompson của dây dẫn A, là một hàm của

Đây chính là nguyên lý làm việc của một cặp nhiệt điện đượccấu tạo từ hai dây dẫn kim loại khác nhau A, B

Với nhiệt độ T1 biết trước dùng làm nhiệt độ chuẩn T1 = Tref,sức điện động của cặp nhiệt điện chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ T2 lànhiệt độ cần xác định

*Cách sử dụng:

Cần tránh những sức điện động ký sinh trong khi mắc dâycảm biến hoặc do sự cấu tạo không đồng nhất của cảm biến làmthay đổi đặc tính nhiệt điện của cảm biến

Những sự không đồng nhất trong cấu tạo có ba nguyên nhânchính:

- Lực ép cơ khí có được do sự sắp xếp hoặc do sự căng dây,thông thường Chúng có thể loại bỏ được nhờ sự nung lại

T

T

dT hB hA

E T2T1

A/B = P T2

A/B - P T1

A/B +

- Những tác động hóa học: hai dây dẫn phải được che chởchống lại mọi tác nhân có thể tác động đến chúng Đặc biệt, sựđiều chế vật liệu cần thiết phải được tinh khiết

- Những tia bức xạ hạt nhân gây ra những chuyển đổi trongvài hợp kim cặp nhiệt điện

Mối nối của cặp nhiệt điện phải có thể tích giảm thiểu nhằmtránh những điểm có nhiệt độ khác nhau tại mối nối, điều này dẫnđến nhữnh sức điện động ký sinh, cũng như những thay đổi hóahọc của vật liệu do mức độ hàn

Tránh việc thay đổi nhiệt độ đột ngột đối với cặp nhiệt điện.Tránh xa vùng ảnh hưởng của điện trường và từ trường mạnh.Nên để cặp nhiệt điện thẳng đứng nhằm tránh ống bảo vệ bịbiến dạng nhiệt

Hộp đầu dây của cặp nhiệt điện không nên đặt quá gần nơicần đo nhiệt độ để tránh nhiệt độ đầu tự do quá cao

Chú ý đến phạm vi sử dụng của từng loại cặp nhiệt điện màchọn loại cặp nhiệt điện phù hợp (thông thường phạm vi sử dụngcặp nhiệt nói chung rất rộng từ –500C đến 25000C, nhưng ở nhiệtđộ cao thì độ chính xác kém dần)

Chú ý đến điều kiện sử dụng cặp nhiệt điện:

+Dùng cho lò nung cố định, gia nhiệt từ từ: chọn loại có ốngbảo vệ kín hoặc hở

+Dùng nhúng trực tiếp trong nước: chọn loại không bọc

+Dùng trong môi trường hay bị ăn mòn: chọn ống bảo vệ bằngsứ hoặc thép đặc biệt chịu ăn mòn

*Một số cặp nhiệt điện thông dụng:

-Thermocouple Platin_Rhodium Platin:

Nhiệt độ sử dụng : T = -500C -> 15000C

Đường kính dây : 0,51mm

Sức điện động Seebeck : E = (-2,3 -> 16,7)mV

Loại 10% Platin : T = 00C -> 6000C , cấp chính xác là 2,5%

+/-T = 6000C -> 16000C , cấp chính xác là 0,4%

+/-Loại 13% Platin : T = 00C -> 5380C , cấp chính xác là 1,4%

+/-T = 5380C -> 15000C , cấp chính xác là 0,25%

+/-Loại 30% Platin : T = 00C -> 17000C , cấp chính xác là 0,5%

Sức điện động Seebeck : E = (-5,35 → 50)mV

Cấp chính xác : T = 00C → 4000C là : +/-3%

T = 4000C → 12500C là +/-0,75%

-Thermocouple Chromel_Constantan:

Nhiệt độ sử dụng : T = -2700C → 8700C

Đường kính dây : 3,25mm

Sức điện động Seebeck : E = (-9,8 → 66)mV

Cấp chính xác : T = 00C → 4000C là +/-3%

T = 4000C → 8700C là +/-0,75%

-Thermocouple Fer_Constantan :

Nhiệt độ sử dụng : T = -2100C → 8000C

Đường kính dây : 3,25mm

Sức điện động Seebeck : E = (-8 → 45)mV

Cấp chính xác : T = 00C → 4000C là +/-3%

T = 4000C → 12500C là +/-0,75%

-Thermocouple Cu_Constantan :

Nhiệt độ sử dụng : T = -2700C → 3700C

Đường kính dây : 1,63mm

Sức điện động Seebeck : E = (-6,25 → 19)mV

Cấp chính xác : T = -1000C → -400C là +/-2%

T = -400C → 1000C là +/-8%

T = 1000C → 3500C là +/-0,75%

3-Đo nhiệt độ bằng hỏa kế quang học :

Hoả kế quang học là tên gọi chung của các dụng cụ đo nhiệt độbằng cách ứng dụng các tính chất của hệ thống thấu kính quang họcđể thu lấy các bức xạ của vật thể rồi căn cứ theo độ bức xạ của vậtthể để xác định nhiệt độ

a-Nguyên lý cơ bản :

Nguyên lý làm việc của hỏa kế quang học là dựa trên các hiệntượng bức xạ của các vật thể ở các nhiệt độ cao, trong đó có liênquan đến vai trò của vật đen tuyệt đối Đó là một thực thể vật chấtcó khả năng hấp thu hoàn toàn tất cả các bức xạ nhận được màkhông phóng xạ

b-Một số dạng của hỏa kế quang học thông dụng :

Hiện nay, trong công nghiệp, người ta dùng rất nhiều loại hỏakế quang học như hỏa kế bức xạ, hỏa kế vi sai, hỏa kế đo màu sắc,hỏa kế nhiệt ngẫu…

Nếu hỏa kế tiêu thụ toàn bộ năng lượng của bức xạ toàn phầncủa vật thể, đó là hỏa kế bức xạ toàn phần

Hoả kế quang điện dùng sự so sánh giữa sự phát sáng của dâytóc ngọn đèn được chế tạo đặc biệt với độ sáng của vật nung nóngvà xác định chính xác dây tóc và nhiệt độ

Hỏa kế quang điện cho kết quả đo không phụ thuộc vào ngườiquan sát và có thể nối liên mạch với các thiết bị khống chế nhiệt độtự động

c-Phạm vi sử dụng:

Phạm vi sử dụng là nhiệt độ của vật cần đo không dưới 8000C.Tất cả các loại hỏa kế quang học đều có sai số không vượt quá 1%.Tuy nhiên, bảng chỉ nhiệt trên các hỏa kế chỉ hoàn toàn chính xácvới vật đen tuyệt đối (quy ước có bức xạ bằng 1).Vì vậy, với giá trịthật của nhiệt độ các vật cần đo phụ thuộc vào mức độ đen của từngchất phát sáng Hoả kế quang điện là dụng cụ đo nhiệt độ gián tiếpnên có nhiều thuận lợi, có thể đo từ xa mà không cần tiếp xúc vớivật cần đo

4-Đo nhiệt độ dùng diode và transistor:

Những thành phần được sử dụng, diode hay transistor Siliciumđược mắc như diode (cực nền và cực thu nối chung) được cung cấptheo chiều thuận dòng điện I không đổi, điện áp V ở hai đầu cực củachúng, tùy thuộc vào nhiệt độ, điều này có thể xem như tín hiệuđiện đi ra từ cảm biến tùy thuộc vào nhiệt độ

Các thành phần được sử dụng làm cảm biến đo nhiệt độ:a)diode b)Transistor mắc thành diode

c)Hai Transistor giống nhau được mắc như diodeNgười ta lợi dụng sự thay đổi tuyến tính của mối nối p-n đốivới nhiệt độ để chế tạo ra các diode và transistor chuyên dùng, làmcầu cảm biến nhiệt trong đo lường và khống chế nhiệt độ

*Sơ đồ mạch cảm biến dùng transistor:

Trong đó:

T1 : transistor cảm biến kết hợp với R1 làm cầu phâncực, nhiệt độ thay đổi ảnh hưởng đến mối nối BE của T1

IC1 : làm mạch khuếch đại tín hiệu đầu vào

IC2 : khuếch đại đảo

R5, R6 :dùng để hiệu chỉnh mạch

a)

V

I b)

V2 V1

Vd

Ở nhiệt độ khoảng 00C ,dòng qua R4 bằng dòng qua R5 và R6.

Ở nhiệt độ cao, dòng qua R4 nhỏ hơn dòng qua R5, R6 Lúc này ngõ

ra của IC1 giảm xuống làm dòng qua R4, R5 giảm theo,làm sụt áptại ngõ vào của IC2 IC2 mắc theo mạch khuếch đại đảo, hệ sốkhuếch đại bằng 1 nên tại ngõ ra của IC2 có một điện áp đúngbằng điện áp đầu vào nhưng ngược dấu.Điện áp này được hiển thịbằng đồng hồ chỉ thị

*Sơ đồ mạch cảm biến dùng diode :

Trong đó:

R1 : phân cực cho dòng chạy qua diode

IC1 : dùng khuếch đại đảo, hệ số khuếch đại bằng 1, bùtrừ điện áp DC của diode cảm biến D

IC2 : khuếch đại không đảo, hệ số khuếch đại bằng 5.Nguyên lý hoạt động được dùng tương tự như mạch dùngtransistor cảm biến

4-Đo nhiệt độ bằng IC:

*Giới thiệu:

Kỹ thuật vi điện tử cho phép chế tạo được những mạch kết nốigồm những transistor giống nhau được sử dụng để làm cảm biếnhoàn hảo đo nhiệt độ dựa vào việc đo sự khác biệt điện áp VBE dướitác động của nhiệt độ Các cảm biến này tạo ra các dòng điện hặcđiện áp tỷ lệ với nhiệt độ tuyệt đối,với độ tuyến tính cao; nó có điềulợi là vận hành đơn giản, tuy nhiên phạm vi hoạt động giới hạn chỉtrong khoảng –500C đến 1500C

*Nguyên lý chung của IC đo nhiệt độ:

Là mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển thành tínhiệu dưới dạng điện áp hoặc tín hiệu dòng điện Dựa vào đặc tínhrất nhạy của các bán dẫn với nhiệt độ, tạo ra điện áp hoặc dòngđiện tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối Đo tín hiệu điện, ta biếtđược giá trị của nhiệt độ cần đo

Sự tích cực của nhiệt độ tạo ra điện tích tự do và các lỗ trốngtrong chất bán dẫn bằng sự phá vỡ các phân tử, bứt các electronthành dạng tự do di chuyển qua các vùng cấu trúc mạng tinh thể,tạo sự xuất hiện các lỗ trống nhiệt làm cho tỷ lệ điện tử tự do vàcác lỗ trống tăng lên theo quy luật hàm mũ với nhiệt độ Kết quảcủa hiện tượng này là dưới mức điện áp thuận, dòng thuận của mốinối p-n (trong diode hay transistor) sẽ tăng theo hàm mũ theo nhiệtđộ

Ví dụ khảo sát cảm biến IC AD590 Cảm biến này tạo ra mộtdòng điện thay đổi tuyến tính theo nhiệt độ tuyệt đối, nó được dùng

đo nhiệt độ trong trường hợp dùng dây dẫn với khoảng cách xa

+Sơ đồ nguyên lý IC AD590:

Các transistor Q3 và Q4 có cùng điện áp VBE và có dòng cựcphát giống nhau và bằng:

IE3 = IE4 =IT /2Dòng điện này đi qua Q4 cũng chính là dòng điện cực phát củaQ1 ,nó xác định điện áp nền-phát là:

VBE1 = (KT/q).log(IT / 2Io)

Với K : hằng số Boltzmann

T : 0Kq: điện tích

Io : dòng điện nghịch (thông thường Io << IT) khi phâncực thuận

Dòng điện IT /2 đi qua Q3, qua Q2 có điện áp nền-phát là :

VBE2 = (KT/q).log(IT /16Io)Thực tế Q2 gồm 8 transistor giống Q1, mỗi transistor có dòngđiện IT /16

Sự sai biệt điện áp giữa VBE1 và VBE2, xuất hiện ở hai đầu điệntrở R có dòng điện IT/2 chạy qua là:

VBE1 – VBE2 = (KT/q).log8 = R.IT/2

=>IT = (2/R).(KT/q).log8

*Sơ đồ mạch đo nhiệt độ dùng IC AD590:

Dòng điện IT tạo nên ở hai đầu điện trở R = 1KΩ một điện ápcó trị số bằng TmV(T là nhiệt độ tuyệt đối của cảm biến)

Nguồn điện áp chuẩn do IC AD580L có Eref = 2,5V và nhờmạch phân áp tạo ra điện áp có giá trị khoảng 273,15mV với bộkhuếch đại có độ lợi G = 10, ở ngõ ra tín hiệu Vo tỉ lệ với nhiệt độcủa cảm biến (theo 0C):

Vo = 10(T – 273,15)mV = 10(T0C) (mV)

*Đặc tính một số IC đo nhiệt độ thông dụng:

-AD 590:

• Ngõ ra là dòng điện

• Độ nhạy 1A/0K

• Độ chính xác : +4C

• Nguồn cung cấp : Vcc = 4V → 30V

+

- 10mV/ 0 C Ngõ ra(Vout)G=10

AD580 Eref=2,5V

10k 200

1k 1k

• Phạm vi sử dụng : -550C → 1500C-LX5700:

• Ngõ ra là điện áp

- LM134, LM234, LM334:

• Ngõ ra là dòng điện

• Làm việc với khoảng điện áp rộng : từ 1V → 40V

- LM134-3, LM134-6:

• Tầm nhiệt sử dụng : -500C → 1250C

• Độ chính xác : +3C

- LM234-3, LM234-6:

• Tầm nhiệt sử dụng : -250C → 1000C

• Độ chính xác cao : +6C

III-GIỚI THIỆU MỘT SỐ MẠCH ĐO NHIỆT ĐỘ:

Về mạch điện đo nhiệt độ rất đa dạng phong phú, từ mạch đochỉ thị bằng đồng hồ microampe đến mạch đo chỉ thị số, cũng nhưbộ chuyển đổi mạch cũng rất đa dạng

Tuỳ theo yêu cầu sử dụng và yêu cầu kỹ thuật mà ta chọn cácloại cảm biến ,các mạch chuyển đổi, chỉ thị cho phù hợp

1-Mạch đo nhiệt độ dùng nhiệt trở:

Sơ đồ nguyên lý như sau:

Mạch điện sử dụng một nhiệt điện trở đưa vào trong nhánhcủa cầu Wheatston kéo trực tiếp Ampe kế và không thông quatransistor để chỉ thị nhiệt độ Sự thay đổi nhiệt độ sẽ làm cho điệntrở của nhiệt trở thay đổi, làm thay đổi mức điện áp ngõ ra do đólàm thay đổi dòng dẫn của transistor

Trong mạch này thì :

R1,R2,R3,R6 : tạo thành cầu Wheatston

R4 : phân cực ổn định dòng

R5 : biến trở thay đổi tải ,điều chỉnh dòng qua mAkế

R3 : biến trở chỉnh 0 (lúc cầu cân bằng)Cũng có thể dùng mạch này để điều khiển nhiệt độ nếu thaythế microampe bằng mạch khuếch đại và bộ phận Relay

2-Đo nhiệt độ bằng sự bù tiếp giáp cho cặp nhiệt kiểu K:

Mạch này nêu ra AD590 được kết nối để bù nhiệt cho cặpnhiệt kiểu K Các tiếp giáp quy chiếu phải có tiếp xúc nhiệt sát vớivỏ thiết bị AD590.

V+ phải ít nhất 4V và dòng điện ICL8069 phải được xác lập ở

1 đến 2mA, sự chuẩn hóa không yêu cầu nối ngắn mạch hoặc tháocặp nhiệt

Điều chỉnh R1 sao cho V2 = 10,98mV Nếu cần các đo đạcchính xác cao, điều chỉnh R2 đến hệ số Seebeck chính xác cho cặpnhiệt được sử dụng, sau đó ghi lại V1 và xác lập R1 để tăng điệnáp này (tức là xác lập V2 =V1) Đối với các kiểu cặp nhiệt khác thìđiều chỉnh các giá trị tương ứng hệ số Seebeck

3-Nhiệt kế dựa trên transistor:

Các transistor cảm biến có thể là bất kỳ loại NPN nào :2N2222, 3904

Mạch này cung cấp điện áp ra 0 → 10V tương ứng 00C →

1000C ở transistor cảm biến Q2 Độ chính xác là +/-10C Không cầnphải chuẩn hóa, loại NPN tín hiệu nhỏ thông dụng bất kỳ đều cóthể được dùng làm bộ cảm biến.Yêu cầu chuẩn hoá bị loại bỏ do Q1vận hành như một nguồn dòng điện giá trị-được chuyển mạch, thayđổi giữa khoảng 10 và 100µA khi LTC1043 chuyển đổi giữa cácchân 12 và 14 Hai giá trị dòng đện này không quan trọng khi tỷsuất đó giữ không đổi

IV.GIỚI THIỆU MỘT SỐ MẠCH KHỐNG CHẾ NHIỆT ĐỘ:

Mục đích của mạch khống chế nhiệt độ là giữ nhiệt độ ở môitrường cần nung nóngở một nhiệt độ nhất định.Vì vậy ta cần sửdụng một số mạch để khống chế, thực hiện yêu cầu của người sửdụng

Nguyên lý của mạch khống chế là dùng phương pháp so sánhđiện áp, ta sử dụng mạch khuếch đại thuật toán Mạch làm việctheo nguyên lý sau:

Cho vào đầu không đảo (+) của OPAMP một điện áp chuẩn,điện áp chuẩn này được tính toán trước để tương ứng với một tỷ lệnhiệt độ nhất định; điện áp từ bộ cảm biến được đưa đến đầu vàođảo (-) của OPAMP:

Khi điện áp từ bộ khuếch đại cảm biến lớn hơn điện áp chuẩn,mạch sẽ tác động cắt nguồn nhiệt

1-Mạch khống chế ngưỡng nhiệt dưới và ngưỡng nhiệt

trên :

Qua sơ đồ mạch nguyên lý trên cho phép ta khống chế nhiệtgiữa hai ngưỡng dưới và trên trong mạch sử dụng cảm biếnThermistor TH1

Phần mạch bên trái Thermistor là mạch khống chế nhiệt dưới,phần bên phải là mạch khống chế nhiệt trên

Điện áp phân cực tĩnh cho hai OPAMP lấy từ mạch phân ápgiữa biến trở R1 và Thermistor TH1 để đưa đến đầu vào đảo vàkhông đảo của hai OPAMP

+Nguyên lý làm việc của mạch:

-Khi nhiệt độ tăng cao làm cho nội trở của TH1 giảm mạnh,với sự thay đổi điện áp so sánh giữa hai đầu vào của OPAMP và sosánh với một điện áp chuẩn tương ứng với một nhiệt độ đã địnhtrước, điều khiển ngõ ra của OPAMP để đóng mở Relay Từ đó điềukhiển đóng hay mở nguồn nhiệt

Giả sử nhiệt độ tăng quá mức ngưỡng trên, nội trở TH1 giảmlàm cho ngõ ra của OPAMP2 ở mức thấp làm Q2 dẫn, Relay 2 hútlàm ngắn mạch tải.Trong lúc đó OPAMP1 chuyển qua bão hòadương làm Q1 ngắt, Relay1 nhả, thông mạch tải

-Khi nhiệt độ giảm quá mức ngưỡng dưới, nội trở TH1 tănglàm cho ngõ ra của OPAMP2 ở mức cao làm Q2 ngắt, Relay2 nhả,thông mạch tải; còn ngõ ra của OPAMP1 ở mức thấp làm Q1 dẫn,Relay1 hút làm ngắn mạch tải

Điểm cần chú ý trong mạch này là các OPAMP chuyển trạngthái với độ nhạy rất cao của áp vi sai ở đầu vào khoảng vài trăm

µV Với áp phân cực tĩnh ở đầu vào là 6V nên áp vi sai thay đổikhoảng 200V tương ứng với mức 0,1% Như vậy đòi hỏi sai số trongnhánh cầu cũng ở mức 0,01% Với các sai số nhỏ của TH1 như vậynên độ nhạy của nó rất cao Trong thực tế độ nhạy chính xác đóngngắt mạch cỡ 0,5% với nhiệt độ trong phòng

2-Mạch khống chế quá nhiệt dùng diode Silic:

Trong một số trường hợp cần khống chế mức nhiệt độ quá thấpmà các nhiệt trở thông thường không đáp ứng được Hơn nữa ởnhiệt độ thấp, do công suất tiêu tán trên nhiệt trở lại biến thànhnhiệt nên giảm đi độ chính xác của mạch

Vì vậy để giải quyết, người ta dùng diode Si làm phần tử cảm

biến:

Khi có dòng bằng hay lớn hơn 1mA chạy qua diode D1 thì điệnáp thuận của nó khoảng 600mV Giá trị điện áp thuận lại phụthuộc vào nhiệt độ, có trị số nhiệt âm khoảng –2mV/0C Với dòngthuận 1mA, công suất tiêu tán chỉ bằng 600mW nên hiệu ứng tỏanhiệt do nung nóng không đáng kể

Điện áp phân cực cho hai đầu OPAMP được ổn định bằng diodeZener 5,6V Diode D1 dùng làm phần tử cảm biến nhiệt, biến trởR3 dùng để chỉnh cầu cân bằng cho áp vi sai bằng 0

Nếu nhiệt độ môi trường tăng quá ngưỡng, nội trở của D1giảm, OPAMP chuyển sang trạng thái bão hòa âm, làm Q1 dẫn,Relay có điện Nếu nhiệt độ giảm dưới mức ngưỡng, nội trở D1tăng, OPAMP chuyển sang trạng thái bão hòa dương, làm Q1ngưng dẫn, ngắt Relay

Như vậy mạch chỉ làm việc để Relay ngắt nguồn khi nhiệt độmôi trường quá ngưỡng trên

3-Công tắc quá nhiệt chính xác:

Khi điện áp ở ngõ vào (2) có giá trị lớn hơn điện áp ở ngõ vào(3) thì ngõ ra (6) ở mức thấp làm Q1 dẫn và Relay hút, đóng mạch.Như vậy Relay có điện chỉ khi nào nhiệt độ chưa vượt quá nhiệt độxác định

TH1 là nhiệt điện trở âm, có giá trị điện trở giảm khi nhiệt độtăng và ngược lại

Chỉnh biến trở R1, cho cầu cân bằng ở nhiệt độ gần 2700C,cũng tại nhiệt độ này thì giá trị điện áp ở đầu vào (2) và (3) bằngnhau nên OPAMP có áp vi sai bằng 0.Khi nhiệt độ thay đổi thì

RTH1 thay đổi làm cho cầu R1, R2, R3, RTH1 mất cân bằng Lúc nàyđiện áp ngõ ra (6) của OPAMP sẽ âm hơn làm Q1 dẫn và Relay cóđiện

-Điện áp ngõ vào (3) là điện áp chuẩn (vì R2, R3 cố định)

-Điện áp ngõ vào (2) là điện áp dùng để so sánh và thay đổiđược, phụ thuộc vào R1 và RTH1

-Khi nhiệt độ lớn hơn 2700C, điện trở RTH1 giảm làm áp rachân (6) của OPAMP sẽ dương hơn làm Q1 ngắt, Relay không cóđiện

4-Bộ điều khiển nhiệt độ một điểm xác lập:

AD590 tạo ra điện áp phụ thuộc nhiệt độ, qua R (tụ C để lọcnhiễu), sự xác lập R2 tạo ra điện áp tỷ lệ –zero Đối với thang độ Cthì cần có R = 1KΩ và Vzero = 0,273V

Đối với thang độ Fahrenheit thì R = 1,8KΩ và Vzero = 0,460V

CHƯƠNG III : GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VỀ PLC

I-Sơ lược về lịch sử phát triển:

Thiết bị điều khiển lập trình đầu tiên (ProgrammableController) đã được những nhà thiết kế cho ra đời năm 1968 (công

ty General Motor Mỹ) Tuy nhiên, hệ thống này còn khá đơn giảnvà cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó khăn trong việc vậnhành hệ thống Vì vậy các nhà thiết kế từng bước cải tiến hệ thốnglàm cho hệ thống đơn giản, gọn nhẹ, dễ vận hành, nhưng việc lậptrình cho hệ thống còn khó khăn, do lúc này không có các thiết bịlập trình ngoại vi hổ trợ cho công việc lập trình

Để đơn giản hóa việc lập trình, hệ thống điều khiển lập trìnhcầm tay (Programmable Controller Handle) đầu tiên được ra đờivào năm 1969 Điều này đã tạo ra được một sự phát triển thực sựcho kỹ thuật điều khiển lập trình Trong giai đoạn này các hệthống điều khiển lập trình (PLC) chỉ đơn giản nhằm thay thế hệthống Relay và dây nối trong hệ thống điều khiển cổ điển Qua quátrình vận hành, các nhà thiết kế đã từng bước tạo ra được một tiêuchuẩn mới cho hệ thống, tiêu chuẩn đó là: Dạng lập trình dùnggiản đồ hình thang (The Diagram Format) Trong những năm đầuthập niên 1970, những hệ thống PLC còn có thêm khả năng vậnhành với những thuật toán hỗ trợ (arithmetic), “vận hành với cácdữ liệu cập nhật” (data manipulation) Do sự phát triển của loạimàn hình dùng cho máy tính (Cathode Ray Tube: CRT), nên việcgiao tiếp giữa người điều khiển để lập trình cho hệ thống càng trởnên thuận tiện hơn

Sự phát triển của hệ thống phần cứng và phần mềm từ năm

1975 cho đến nay đã làm cho hệ thống PLC phát triển mạnh hơnvới các chức năng mở rộng: Hệ thống ngõ vào/ra có thể tăng lênđến 8000 cổng vào/ra, dung lượng bộ nhớ chương trình tăng lênhơn 128000 từ bộ nhớ (word of memory) Ngoài ra các nhà thiết kếcòn tạo ra kỹ thật kết nối với các hệ thống PLC riêng lẽ thànhmột hệ thống PLC chung, tăng khả năng của từng hệ thống riênglẽ Tốc độ xử lý của hệ thống được cải thiện, chu kỳ quét (scan)nhanh hơn làm cho hệ thống PLC xử lý tốt với những chức năngphức tạp, số lượng cổng ra/vào lớn

Trong tương lai hệ thống PLC không chỉ giao tiếp với các hệthống khác thông qua CIM (Computer Integrated Manufacturing)để điều khiển các hệ thống: Robot, Cad/Cam, … Ngoài ra các nhàthiết kế còn đang xây dựng các loại PLC với các chức năng điềukhiển “thông minh” (intelligence) còn gọi là các siêu PLC (superPLC) cho tương lai.

II- Cấu trúc và nghiên cứu hoạt động của một PLC:

1-Cấu trúc:

Một hệ thống lập trình cơ bản phải gồm có hai phần: khối xử

lý trung tâm (CPU: Central Processing Unit) và hệ thống giao tiếpvào/ra (I/O)

Hình : sơ đồ khối của hệ thống điều khiển lập trình

- Khối điều khiển trung tâm (CPU) gồm ba phần: bộ xử lý, hệthống bộ nhớ và hệ thống nguồn cung cấp

Hình : Sơ đồ khối tổng quát của CPU

2-Hoạt động của một PLC:

Về cơ bản hoạt động của một PLC cũng khá đơn giản Đầutiên, hệ thống các cổng vào/ra (Input/Output) (còn gọi là các Module

Power Supply

I N P U T S

CENTRAL PROCESSING UNIT

O U T P U T S

M M

xuất/nhập) dùng để đưa các tín hiệu từ các thiết bị ngoại vi vàoCPU (như các sensor, contact, tín hiệu từ động cơ …) Sau khi nhậnđược tín hiệu ở ngõ vào thì CPU sẽ xử lý và đưa các tín hiệu điềukhiển qua Module xuất ra các thiết bị được điều khiển.

Trong suốt quá trình hoạt động, CPU đọc hoặc quét (scan) dữliệu hoặc trạng thái của các thiết bị ngoại vi thông qua ngõ vào,sau đó thực hiện các chương trình trong bộ nhớ như sau: một bộđếm chương trình sẽ nhặt lệnh từ bộ nhớ chương trình đưa rathanh ghi lệnh để thi hành Chương trình ở dạng STL (StatementList – Dạng lệnh liệt kê) hay ở dạng LADDER (dạng hình thang)sẽ được dịch ra ngôn ngữ máy cất trong bộ nhớ chương trình Saukhi thực hiện xong chương trình, CPU sẽ gởi hoặc cập nhật(update) tín hiệu tới các thiết bị, được điều khiển thông qua Modulexuất Một chu kỳ gồm đọc tín hiệu ở ngõ vào, thực hiện chươngtrình và gởi cập nhật tín hiệu ở ngõ ra được gọi là một chu kỳ quét(Scanning)

Trên đây chỉ là mô tả hoạt động đơn giản của một PLC, vớihoạt động này sẽ giúp cho người thiết kế nắm được nguyên tắc củamột PLC Nhằm cụ thể hóa hoạt động của một PLC, sơ đồ hoạtđộng của một PLC là một vòng quét (scan) như sau:

Hình :một vòng quét của PLC

Thực tế khi PLC thực hiện chương trình (Program Execution),PLC khi cập nhật tín hệ ngõ vào (ON/OFF), các tín hiệu này khôngđược truy xuất tức thời để đưa ra (Update) ở ngõ ra mà quá trìnhcập nhật tín hiệu ở ngõ ra (ON/OFF) phải theo hai bước: khi xử lý

Đọc ngõ vào

Gửi đến ngõ ra

Tự chẩn đoán

Xử lý các yêu cầu giao tiếp Thực hiện chương trình

thực hiện chương trình, vi xử lý sẽ chuyển đổi các mức logic tươngứng ở ngõ ra trong “chương trình nội” (đã được lập trình), các mứclogic này sẽ chuyển đổi ON/OFF.Tuy nhiên lúc này các tín hiệu ởngõ ra “thật” (tức tín hiệu được đưa ra tại Module out) vẫn chưađược đưa ra Khi xử lý kết thúc chương trình xử lý, việc chuyển đổicác mức logic (của các tiếp điểm) đã hoàn thành thì việc cập nhậtcác tín hiệu ở ngõ ra mới thực sự tác động lên ngõ ra để điều khiểncác thiết bị ở ngõ ra.

Thường việc thực thi một vòng quét xảy ra với thời gian rấtngắn, một vòng quét đơn (single scan) có thời gian thực hiện mộtvòng quét từ 1ms tới 100ms Việc thực hiện một chu kỳ quét dàihay ngắn còn phụ thuộc vào độ dài của chương trình và cả mức độgiao tiếp giữa PLC với các thiết bị ngoại vi (màn hình hiển thị…)

Vi xử lý chỉ có đọc được tín hiệu ở ngõ vào chỉ khi nào tín hiệu nàytác động với khoảng thời gian lớn hơn một chu kỳ quét Nếu thờigian tác động ở ngõ vào nhỏ hơn một chu kỳ quét thì vi xử lý xemnhư không có tín hiệu này Tuy nhiên trong thực tế sản xuất,thường các hệ thống chấp hành là các hệ thống cơ khí nên tốc độquét như trên có thể đáp ứng được các chức năng của dây chuyềnsản xuất Để khắc phục khoảng thời gian quét dài, ảnh hưởng đếnchu trình sản xuất, các nhà thiết kế còn thiết kế hệ thống PLC cậpnhật tức thời, các hệ thống này thường được áp dụng cho các PLClớn có số lượng I/O nhiều, truy cập và xử lý lượng thông tin lớn

III-So sánh PLC với các hệ thống điều khiển khác _ Lợi ích của việc sử dụng PLC:

1-So sánh PLC với các hệ thống điều khiển khác:

a-PLC với hệ thống điều khiển bằng Relay:

Việc phát triển hệ thống điều khiển bằng lập trình đã dần dầnthay thế từng bước hệ thống điều khiển bằng Relay trong các quátrình sản xuất Khi thiết kế một hệ thống điều khiển hiện đại,người kỹ sư phải cân nhắc, lựa chọn các hệ thống, hệ thống điềukhiển lập trình thường được sử dụng thay cho hệ thống điều khiểnbằng Relay do các nguyên nhân sau:

- Thay đổi trình tự điều khiển một cách linh động

- Có độ tin cậy cao

- Khoảng không lắp đặt thiết bị nhỏ, không chiếm diện tích