Giáo trình thiết bị và hệ thống tự động (nghề tự động hoá trung cấp)

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ GIỚI GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN: THIẾT BỊ VÀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG NGHỀ: TỰ ĐỘNG HĨA TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP Ban hành kèm theo Quyết định số: / QĐ-CĐCG ngày … tháng năm…… Trường cao đẳng Cơ giới Quảng Ngãi, năm 2021 (Lưu hành nội bộ) TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng nguyên trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Thiết bị hệ thống tự động lĩnh vực quan trọng ngành tự động hóa, nơi kết hợp sáng tạo kiến thức chuyên môn để tạo điều khiển lập trình thiết bị vơ đa dạng tiên tiến Những chuyên gia tự động hóa đóng vai trị trung tâm việc phát triển thiết bị điện tử thông minh, từ sản phẩm gia dụng thông thường đến hệ thống tự động cao cấp Trong ngành công nghiệp đại, việc sử dụng thiết bị tự động hóa ngày trở nên phổ biến thiếu Các thiết bị tự động hóa ngày địi hỏi nhỏ gọn, tiết kiệm lượng, tích hợp nhiều chức đáng tin cậy Chính vậy, Thiết bị hệ thống tự động phải đảm bảo linh kiện đường dẫn mạch tối ưu hóa cho hoạt động hiệu ổn định Ở Việt Nam có nhiều giáo trình, tài liệu tham khảo, sách hướng dẫn tập Thiết bị hệ thống tự động biên soạn biên dịch nhiều tác giả, chuyên gia đầu ngành tự động hóa Tuy nhiên nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng trình đào tạo nhà trường phải bám sát chương trình khung giáo trình Thiết bị hệ thống tự động biên soạn tham gia giảng viên trường Cao đẳng Cơ giới dựa sở chương trình khung đào tạo ban hành, trường Cao đẳng Cơ giới với giáo viên có nhiều kinh nghiệm tham khảo nguồn tài liệu khác để thực biên soạn giáo trình Thiết bị hệ thống tự động phục vụ cho cơng tác giảng dạy Giáo trình thiết kế theo mô đun thuộc hệ thống mô đun MĐ 22 chương trình đào tạo nghề Tự động hóa cấp trình độ trung cấp nghề dùng làm giáo trình cho học viên khóa đào tạo, sau học tập xong mơ đun này, học viên có đủ kiến thức để học tập tiếp môn học, mô đun khác nghề Quảng Ngãi, ngày 15 tháng 12 năm 2021 Tham gia biên soạn Cao Thị Thanh Bình ………… ……… … Chủ biên MỤC LỤC NỘI DUNG Chương 1: Các khái niệm Mục tiêu bài: Nội dung bài: 2.1 Giới thiệu cấu trúc môn học 2.2 Định nghĩa – phân loại hệ thống tự động 2.3 Đặc tính hệ thống tự động Chương 2: Thiết bị công suất chấp hành Mục tiêu bài: Nội dung 2.1 2.2 2.3 2.4 TRANG 11 11 11 12 13 14 15 15 15 Giới thiệu Các loại động cơng nghiệp Thiết bị phần tử khí nén Thiết bị phần tử thủy lực 16 17 17 18 Chương 3: Các điều khiển công nghiệp 19 Mục tiêu bài: Nội dung 19 19 2.1 Giới thiệu 2.2 Bộ điều khiển dùng relay 2.3 Bộ điều khiển dùng PLC 2.4 Bộ điều khiển dùng vi xử lý 2.5 Bộ điều khiển dùng máy tính 19 20 21 22 23 Chương 4: Các thiết bị giao tiếp người – máy (HMI) 25 Mục tiêu bài: Nội dung 25 25 2.1 Giới thiệu 2.2 Thiết bị hiển thị vận hành 2.3 Thiết bị cảm ứng 26 29 32 Chương 5: Các hệ thống điều khiển thông dụng công nghiệp 35 Mục tiêu bài: Nội dung 35 35 2.1 2.2 2.3 Hệ thống điều khiển nhiệt độ Hệ thống điều khiển vị trí, tốc độ Hệ thống điều khiển trình (lưu lượng, áp suất) Tài liệu tham khảo: 37 41 52 55 GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN Tên mô đun: Thiết bị hệ thống tự động Mã mơ đun: MĐ 22 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị Mơn học: - Vị trí: Mơ đun bổ trí sau học xong môn Trang bị điện học song song với môn học Vi điều khiển học trước môn học , mơ đun chun mơn khác - Tính chất: Là môn học Kỹ thuật sơ , thuộc môn học đào tạo nghề bắt buộc - Ý nghĩa, vai trị: Mơn học Thiết bị hệ thống tự động đóng vai trị quan trọng q trình học tập nghiên cứu lĩnh vựctự động hóa Nó cung cấp cho học viên kiến thức kỹ cần thiết Trong khóa học này, sinh viên học phương pháp để thiết kế, vận hành bảo trì hệ thống thiết bị tự động Các chủ đề trình bày hình thức lý thuyết thực hành, giúp sinh viên có hội tiếp cận với thiết bị điện tử thực tế công nghệ tiên tiến - Đối tượng: Áp dụng cho học sinh trình độ trung cấp nghề Tự động hóa + kiến thức: A1 Trình bày chức ứng dụng cảm biến, thiết bị đo lường điều khiển; A2.Trình bày nguyên lý hoạt động mạch điện tử bản; A3 Trình bày nguyên lý hoạt động, chức ứng dụng cấu chấp hành thiết bị tự động chuyên dùng; + kỹ năng: B1 Nhận dạng, phân loại sử dụng cảm biến, thiết bị đo lường điều khiển; B2 Lắp ráp mạch điện tử bản; B3 Đấu nối vận hành điều khiển với thiết bị ngoại vi; + Năng lực tự chủ trách nhiệm: C1 Chủ động, nghiêm túc học tập và công việc C2 Giữ gìn vệ sinh cơng nghiệp, đảm bảo an tồn cho người thiết bị Chương trình khung nghề Thiết bị hệ thống tự động Mã MH/ MĐ I Thời gian học tập (giờ) Tên mô đun, môn học Số tín Tổng số Lý thuyết Trong Thực hành/ thực tập/thí nghiệm/bài tập Kiểm tra Các mơn học chung/đại cương 12 255 94 148 13 MH 01 Chính trị 30 15 13 MH 02 Pháp luật Giáo dục thể chất Giáo dục quốc phòng an ninh Tin học Ngoại ngữ (Anh văn) Các môn học, mô đun chuyên môn ngành nghề Môn học, mô đun sở Kỹ thuật an toàn lao động Nguyên lý máy - chi tiết máy 15 1 30 24 2 45 21 21 45 15 29 90 30 56 77 1668 468 1088 112 24 435 185 214 36 30 21 3 45 31 10 MH 03 MH 04 MH 05 MH 06 II II.1 MH 07 MH 08 Mã MH/ MĐ MH 09 MH 10 MĐ 11 MĐ 12 MĐ 13 MĐ 14 MĐ 15 II.2 MĐ 16 MĐ 17 MĐ 18 MĐ 19 MĐ 20 MĐ 21 MĐ 22 MĐ 23 MĐ 24 Tên mô đun, môn học Điện kỹ thuật Vẽ kỹ thuật Máy điện Điện Kỹ thuật điện tử AutoCAD Kỹ thuật nguội Môn học, mô đun chuyên môn Kỹ thuật số Kỹ thuật cảm biến Điện tử công suất PLC PLC nâng cao Trang bị điện Thiết bị hệ thống tự động Vi điều khiển Gia cơng khí Thời gian học tập (giờ) 30 21 Trong Thực hành/ thực tập/thí 30 15 13 90 35 49 60 23 31 60 13 43 60 18 36 30 19 53 1233 283 874 76 75 20 49 45 15 27 45 15 28 90 26 56 60 10 42 120 28 84 90 26 58 90 26 57 75 24 48 Số tín Tổng số Lý thuyết Kiểm tra Mã MH/ MĐ MĐ 25 MĐ 26 MĐ 27 MĐ 28 Tên mô đun, môn học Thời gian học tập (giờ) Số tín máy cơng cụ Điều khiển khí nén thủy lực Lắp đặt vận hành hệ thống điện tử Mạng truyền thông công nghiệp Thực tập tốt nghiệp Tổng cộng Tổng số Lý thuyết Trong Thực hành/ thực tập/thí Kiểm tra 90 30 55 90 23 61 75 25 46 10 288 15 263 10 89 1923 562 1236 125 Chương trình chi tiết mơn học: Thời gian stt Tên mô đun Tổng Lý số thuyết Thực hành, thí nghiệm, thảo luận, tập Kiể m tra Chương 1: Các khái niệm 4 Chương 2: Thiết bị công suất chấp hành 20 13 Chương 3: Các điều khiển công nghiệp 20 14 Chương 4: Các thiết bị giao tiếp người – máy (HMI) 20 13 Chương 5: Các hệ thống điều khiển thông dụng công nghiệp Cộng: 26 18 90 26 58 + Ghi chú: Thời gian kiểm tra tích hợp lý thuyết với thực hành tính vào thực hành Điều kiện thực môn học: 3.1 Phòng học Lý thuyết/Thực hành: Đáp ứng phòng học chuẩn 3.2 Trang thiết bị dạy học:,máy vi tính, bảng, phấn, tranh vẽ 3.3 Học liệu, dụng cụ, mơ hình, phương tiện: Giáo trình, mơ hình thực hành, dụng cụ nghề điện, điện tử, hàn … 3.4 Các điều kiện khác: Người học tìm hiểu thực tế thiết bị tự động nhà máy, xí nghiệp cơng nghiệp Nội dung phương pháp đánh giá: 4.1 Nội dung: - Kiến thức: Đánh giá tất nội dung nêu mục tiêu kiến thức - Kỹ năng: Đánh giá tất nội dung nêu mục tiêu kỹ - Năng lực tự chủ trách nhiệm: Trong trình học tập, người học cần: + Nghiên cứu trước đến lớp + Chuẩn bị đầy đủ tài liệu học tập + Tham gia đầy đủ thời lượng môn học + Nghiêm túc trình học tập 4.2 Phương pháp: Người học đánh giá tích lũy mơn học sau: 4.2.1 Cách đánh giá - Áp dụng quy chế đào tạo Trung cấp hệ chính quy ban hành kèm theo Thông tư số 09/2017/TT-BLĐTBXH, ngày 13/3/2017 Bộ trưởng Bộ Lao động – Thương binh Xã hội - Hướng dẫn thực hiện quy chế đào tạo áp dụng tại Trường Cao đẳng Cơ giới sau: Điểm đánh giá Trọng số + Điểm kiểm tra thường xuyên (Hệ số 1) 40% + Điểm kiểm tra định kỳ (Hệ số 2) + Điểm thi kết thúc môn học 60% 4.2.2 Phương pháp đánh giá Phương pháp Phương pháp Hình thức Chuẩn đầu Số đánh giá tổ chức kiểm tra đánh giá cột Thường xuyên Viết/ Tự luận/ A1, C1, C2 Thuyết trình Trắc nghiệm/ Báo cáo Định kỳ Viết Tự luận/ A2, B1, C1, C2 thực hành Trắc nghiệm/ thực hành Kết thúc môn Vấn đáp Vấn đáp A1, A2, A3, B1, học thực hành thực hành B2, C1, C2, mơ hình Thời điểm kiểm tra Sau Sau 24 Sau 90 4.2.3 Cách tính điểm - Điểm đánh giá thành phần điểm thi kết thúc môn học chấm theo thang điểm 10 (từ đến 10), làm tròn đến chữ số thập phân - Điểm môn học tổng điểm tất điểm đánh giá thành phần môn học nhân với trọng số tương ứng Điểm mơn học theo thang điểm 10 làm trịn đến chữ số thập phân, sau quy đổi sang điểm chữ điểm số theo Hướng dẫn thực môn học 5.1 Phạm vi, đối tượng áp dụng: Đối tượng Trung cấp nghề Hàn 5.2 Phương pháp giảng dạy, học tập môn học 5.2.1 Đối với người dạy * Lý thuyết: Áp dụng phương pháp dạy học tích cực bao gờm: Trình chiếu, thuyết trình ngắn, nêu vấn đề, hướng dẫn đọc tài liệu, tập cụ thể, câu hỏi thảo luận nhóm… * Thực hành: - Phân chia nhóm nhỏ thực tập thực hành theo nội dung đề 2.1.2 Phần mềm điều khiển 3.9.2 Chương trình Chương trình điều khiển nhiệt độ Đặt tên hàm thư viện vi điều khiển: c Copy code #include #device ADC=8 #FUSES NOWDT, HS, NOPUT, NOPROTECT, NODEBUG, NOBROWNOUT, NOLVP, NOCPD, NOWRT #use delay(clock=20000000) Khai báo định nghĩa hàm cần thiết: c Copy code #include #device ADC=8 #FUSES NOWDT, HS, NOPUT, NOPROTECT, NODEBUG, NOBROWNOUT, NOLVP, NOCPD, NOWRT #use delay(clock=20000000) int8 high, low, i, x, j, value; // Khai báo biến float T, Tdk; void convert_bcd(int8 x) { low = x % 10; // Lấy hàng đơn vị nhiệt độ high = x / 10; // Lấy hàng chục hàng trăm low = low + 0x30; high = high + 0x30; } void xuatlcd() { LCD_putcmd(0xC0); printf(LCD_putchar," T = "); lcd_putchar(high + 0x30); lcd_putchar(low + 0x30); printf(LCD_putchar," C "); } Chương trình chính: c Copy code void main() { i = 0; j = 0; trisa = 0xFF; trisb = 0x01; trisd = 0x00; setup_adc_ports(AN0); setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL); delay_us(10); LCD_init(); // Khởi động LCD printf(lcd_putchar," DAT - DT901 "); LCD_putcmd(0xC0); printf(lcd_putchar," nhap nhiet do: "); delay_ms(50); lcd_putcmd(0xc0); printf(lcd_putchar," T = "); lcd_putchar(i + 0x30); lcd_putchar(j + 0x30); printf(lcd_putchar," C "); while (true) { if (input(pin_C0)) { i = i + 1; delay_ms(10); if (i == 10) { i = 0; lcd_putcmd(0xc9); lcd_putchar(i + 0x30); delay_ms(10); } else { LCD_putcmd(0xC9); lcd_putchar(i + 0x30); 43 } } if (input(pin_c1)) { j = j + 1; delay_ms(10); if (j == 10) { j = 0; lcd_putcmd(0xca); lcd_putchar(j + 0x30); delay_ms(10); } else { LCD_putcmd(0xCa); lcd_putchar(j + 0x30); } } if (input(pin_c2)) break; } Tdk = i * 10 + j; LCD_init(); printf(lcd_putchar,"please wait "); while (true) { value = read_adc(); delay_ms(10); T = (value - 139.25) / 0.512; convert_bcd((int8)T); delay_us(50); T = high * 10 + low; LCD_init(); printf(lcd_putchar," nhiet do : "); xuatlcd(); delay_us(50); if (T != Tdk) { if (T < Tdk) value = value + 2; else value = value - 2; } else value = value; output_b(value); xuatlcd(); } } Với bước trên, chương trình điều khiển nhiệt độ hoàn thiện xếp lại cách rõ ràng dễ đọc 2.2 Hệ thống điều khiển vị trí, tốc độ Hệ thống điều khiển vị trí tốc độ loại hệ thống tự động thiết kế để kiểm sốt trì vị trí tốc độ đối tượng di chuyển khơng gian Đối tượng phương tiện di chuyển xe ô tô, máy bay, tàu hỏa, hay robot di động ứng dụng cơng nghiệp, y tế, hay nghiên cứu Mục tiêu hệ thống đảm bảo đối tượng di chuyển đạt vị trí tốc độ mong muốn, giảm thiểu sai số biến đổi trình di chuyển, đảm bảo an toàn đáng tin cậy trình hoạt động Hệ thống điều khiển vị trí tốc độ thường bao gồm thành phần sau: Cảm biến vị trí tốc độ: Đây cảm biến đặc biệt sử dụng để đo cung cấp thơng tin vị trí tốc độ đối tượng di chuyển Cảm biến định vị tồn cầu GPS, cảm biến vận tốc, cảm biến tiệm cận, hệ thống phản xạ laser, hay cảm biến quang học Bộ xử lý điều khiển: Là trái tim hệ thống, xử lý điều khiển nhận liệu từ cảm biến thực tính tốn để điều khiển đối tượng di chuyển đến vị trí tốc độ mong muốn Bộ xử lý thường lập trình để thực thuật tốn điều khiển thơng minh đáp ứng nhanh chóng với biến đổi mơi trường Bộ điều khiển: Là phần điều khiển trực tiếp đối tượng di chuyển, thông qua actuator thiết bị điều khiển khác Bộ điều khiển có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điều khiển từ xử lý thành chuyển động cần thiết để di chuyển đối tượng đến vị trí tốc độ mong muốn Hệ thống điều khiển quản lý: Đối với hệ thống lớn phức tạp, sử dụng hệ thống điều khiển quản lý để tích hợp điều phối hệ thống nhỏ Hệ thống 45 điều khiển quản lý cung cấp tính giám sát điều chỉnh hiệu suất toàn hệ thống Hệ thống điều khiển vị trí tốc độ sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực, bao gồm công nghiệp tự động hóa, giao thơng vận tải, hàng hải, hàng không, robot hỗ trợ y tế dịch vụ, ứng dụng nghiên cứu khoa học Nhờ tự động xác nó, hệ thống giúp tăng hiệu suất, giảm thiểu tai nạn lỗi trình di chuyển, đồng thời cung cấp tính linh hoạt đáng tin cậy hoạt động di chuyển phức tạp 2.2.1 Điều khiển vị trí tốc độ động hệ thống robot Để điều khiển vị trí tốc độ động hệ thống robot, cần sử dụng điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) để trì vị trí tốc độ mong muốn Dưới sơ đồ mạch lưu đồ thuật toán, mã nguồn chương trình để điều khiển vị trí tốc độ động hệ thống robot: Sơ đồ mạch: lua Copy code + + + + | Encoder | | PID | | (Đọc tốc độ)| -> Tốc độ >| Controller | -> Điều khiển + + + + | | + + + | Motor | | (Điều khiển) | + + Lưu đồ thuật toán: mermaid Copy code graph TD; Encoder >Tốc_độ; Tốc_độ >PID_Controller; PID_Controller >Điều_khiển; Điều_khiển >Motor; Mã nguồn chương trình (sử dụng Arduino): cpp Copy code #include // Thư viện PID // Định nghĩa chân Encoder Motor const int encoderPinA = 2; // Chân A Encoder kết nối vào chân số Arduino const int encoderPinB = 3; // Chân B Encoder kết nối vào chân số Arduino const int motorPin1 = 9; // Chân điều khiển Motor kết nối vào chân số Arduino const int motorPin2 = 10; // Chân điều khiển Motor kết nối vào chân số 10 Arduino 47 // Biến toàn cục double targetSpeed; // Tốc độ mong muốn double inputSpeed; // Tốc độ đọc từ Encoder double outputSpeed; // Tốc độ điều khiển động // Các số PID, bạn điều chỉnh chúng để thay đổi hiệu suất điều khiển double Kp = 2.0; double Ki = 5.0; double Kd = 1.0; // Khởi tạo đối tượng PID PID pid(&inputSpeed, &outputSpeed, &targetSpeed, Kp, Ki, Kd, DIRECT); void setup() { pinMode(encoderPinA, INPUT_PULLUP); pinMode(encoderPinB, INPUT_PULLUP); pinMode(motorPin1, OUTPUT); pinMode(motorPin2, OUTPUT); // Gán giá trị ban đầu cho tốc độ mong muốn tốc độ đầu vào targetSpeed = 0; inputSpeed = 0; // Cấu hình PID pid.SetMode(AUTOMATIC); pid.SetSampleTime(100); // Đặt thời gian lấy mẫu 100ms (10 lần/giây) } void loop() { // Đọc tốc độ từ Encoder inputSpeed = readEncoder(); // Tính tốn tốc độ điều khiển PID pid.Compute(); // Điều khiển động với tốc độ tính PID controlMotor(outputSpeed); } // Hàm đọc tốc độ từ Encoder double readEncoder() { // Thực đọc tốc độ từ Encoder // Có thể sử dụng thư viện Encoder thực đọc tín hiệu từ Encoder phần cứng // tính tốn tốc độ dựa số xung cảm biến khoảng thời gian định } // Hàm điều khiển động void controlMotor(double speed) { // Ứng dụng điều khiển động // Điều khiển hướng quay tốc độ động dựa speed // Có thể sử dụng tín hiệu PWM để điều khiển tốc độ động } Lưu ý mã nguồn phần mô thể cách sử dụng PID để điều khiển tốc độ động dựa tốc độ đọc từ encoder Để triển khai đầy đủ chương trình điều khiển vị trí tốc độ hệ thống robot, bạn cần thêm phần khác xử lý điều khiển, tích hợp với cảm biến thuật tốn định vị, kiểm soát hướng di chuyển quỹ đạo, nhiều thứ khác phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể ứng dụng robot Hệ thống điều khiển vị trí tốc độ chơi vai trò quan trọng việc cải thiện hiệu suất an toàn nhiều q trình di chuyển Trong lĩnh vực cơng nghiệp tự động hóa, hệ thống giúp tăng suất hiệu sản xuất cách tự động hóa trình di chuyển robot, máy móc thiết bị khác Điều giúp giảm phụ thuộc vào nhân công giảm nguy tai nạn lao động Trong giao thông vận tải, hệ thống điều khiển vị trí tốc độ đóng vai trị quan trọng việc đảm bảo an toàn hiệu phương tiện di chuyển Ví dụ, ngành hàng khơng, hệ thống giúp máy bay tự động trì vị trí độ cao an tồn q trình cất cánh, hạ cánh bay không Trong lĩnh vực ô tô, hệ thống hỗ trợ lái tự động hệ thống giữ đường, giúp giảm nguy tai nạn giao thông cải thiện hiệu suất nhiên liệu Hệ thống điều khiển vị trí tốc độ có ứng dụng quan trọng ngành y tế, đặc biệt robot hỗ trợ y tế phẫu thuật tự động Các robot y tế trang bị hệ thống 49 tự động di chuyển đến vị trí cụ thể thể bệnh nhân thực thủ tục y tế cách xác an tồn Điều giúp giảm nguy lỗi phẫu thuật cải thiện kết điều trị Ngoài ra, hệ thống điều khiển vị trí tốc độ cịn sử dụng ứng dụng nghiên cứu khoa học Các robot tự hành trang bị hệ thống triển khai để khám phá môi trường khắc nghiệt, khám phá không gian, đánh bắt liệu từ khu vực nguy hiểm, thăm dò biển sâu Hệ thống đảm bảo robot di chuyển hoạt động cách xác đáng tin cậy điều kiện khó khăn tiếp cận trực tiếp người Tuy hệ thống điều khiển vị trí tốc độ đạt nhiều tiến việc cải thiện hiệu suất hiệu nhiều lĩnh vực, có thách thức hạn chế Một số thách thức bao gồm đảm bảo độ xác cao việc đo vị trí tốc độ, giải vấn đề tự động hố trí tuệ nhân tạo, đảm bảo an toàn bảo mật trình điều khiển giám sát Tuy nhiên, với phát triển công nghệ nghiên cứu liên tục, hệ thống dự kiến tiếp tục cải tiến ứng dụng rộng rãi tương lai 2.3 Hệ thống điều khiển trình (lưu lượng, áp suất) 2.3.1 Gíơi thiệu chung: Hệ thống điều khiển trình loại hệ thống tự động sử dụng để giám sát điều khiển thông số quan trọng trình sản xuất, chế biến, xử lý, vận hành ngành công nghiệp, sản xuất, điều kiện môi trường khác Hệ thống có khả điều chỉnh thơng số trình lưu lượng, áp suất, nhiệt độ, mức chất lỏng, pH, độ ẩm, nhiều thông số khác để đảm bảo trình diễn ổn định đáp ứng yêu cầu kỹ thuật tiêu chuẩn chất lượng Các thành phần hệ thống điều khiển trình bao gồm: Cảm biến: Là thiết bị dùng để đo thông số quan trọng trình, chẳng hạn cảm biến áp suất, cảm biến lưu lượng, cảm biến nhiệt độ, cảm biến mức chất lỏng, cảm biến pH, v.v Các cảm biến chuyển đổi thơng tin đo thành tín hiệu điện tín hiệu khác để truyền hệ thống điều khiển Bộ xử lý điều khiển: Là trái tim hệ thống điều khiển trình, xử lý điều khiển nhận tín hiệu từ cảm biến thực tính tốn để điều chỉnh thơng số q trình theo giá trị mong muốn tiêu chuẩn định sẵn Bộ xử lý điều khiển sử dụng thuật toán điều khiển PID, ON/OFF, fuzzy logic, nhiều thuật toán khác tùy thuộc vào yêu cầu ứng dụng cụ thể Hành động điều khiển: Sau xử lý điều khiển thực tính tốn, hành động điều khiển thực để thay đổi thơng số q trình Hành động điều khiển mở đóng van điều khiển lưu lượng áp suất, điều chỉnh công suất thiết bị đun nhiệt, điều chỉnh tốc độ động cơ, nhiều tác động điều khiển khác tùy thuộc vào ứng dụng Bộ điều khiển: Là phần giao tiếp hệ thống điều khiển người sử dụng Bộ điều khiển thường bảng điều khiển, hình cảm ứng, máy tính, hay ứng dụng điện thoại thơng minh, cho phép người sử dụng điều chỉnh giám sát thơng số q trình cách dễ dàng Hệ thống điều khiển q trình đóng vai trị quan trọng việc đảm bảo trình sản xuất vận hành diễn ổn định hiệu Nó giúp tăng suất, cải thiện chất lượng sản phẩm, giảm nguy sai sót tai nạn, tiết kiệm lượng tài nguyên Hệ thống điều khiển trình ứng dụng nhiều ngành công nghiệp lĩnh vực, bao gồm cơng nghiệp hóa chất, cơng nghiệp thực phẩm, sản xuất tơ, chế biến dầu khí, điều khiển môi trường, nhiều ứng dụng khác 2.3.2 Viết thuật tốn sơ đồ mạch chương trình cho hệ thơng điiều chỉnh lưulượng áp suất Sơ đồ mạch: lua Copy code + + | Sensors | | (Cảm biến) | -> Đọc thông số lưu lượng áp suất + + | | + + | PID | | Controller | + + | | + + | Actuators | | (Hành động) | -> Điều khiển van, động cơ, thiết bị điều chỉnh lưu lượng áp suất 51 + + Lưu đồ thuật toán: mermaid Copy code graph TD; Sensors >PID_Controller; PID_Controller >Actuators; Mã nguồn chương trình (sử dụng Arduino): Để điều khiển trình lưu lượng áp suất, cần sử dụng cảm biến để đo thông số (cảm biến áp suất, cảm biến dịng chảy, v.v.), sau sử dụng điều khiển PID để điều chỉnh hành động để đạt giá trị mục tiêu cho lưu lượng áp suất Dưới mã nguồn chương trình mơ điều khiển q trình lưu lượng áp suất điều khiển PID Arduino: cpp Copy code #include // Thư viện PID // Định nghĩa chân kết nối với cảm biến hành động (actuators) const int flowSensorPin = A0; // Chân kết nối cảm biến lưu lượng const int pressureSensorPin = A1; // Chân kết nối cảm biến áp suất const int valvePin = 9; // Chân điều khiển van const int motorPin = 10; // Chân điều khiển động // Các biến lưu trữ giá trị đo từ cảm biến double flowValue; double pressureValue; // Các biến lưu trữ giá trị đặt mục tiêu cho lưu lượng áp suất double targetFlow = 100.0; // Giá trị mục tiêu cho lưu lượng (đơn vị: đơn vị lưu lượng) double targetPressure = 1.5; // Giá trị mục tiêu cho áp suất (đơn vị: đơn vị áp suất) // Các số PID, bạn điều chỉnh chúng để thay đổi hiệu suất điều khiển double flowKp = 2.0; double flowKi = 0.5; double flowKd = 1.0; double pressureKp = 1.0; double pressureKi = 0.2; double pressureKd = 0.5; // Khởi tạo đối tượng PID cho lưu lượng áp suất PID flowPID(&flowValue, &targetFlow, &flowValue, flowKp, flowKi, flowKd, DIRECT); PID pressurePID(&pressureValue, &targetPressure, &pressureValue, pressureKp, pressureKi, pressureKd, DIRECT); void setup() { pinMode(flowSensorPin, INPUT); pinMode(pressureSensorPin, INPUT); pinMode(valvePin, OUTPUT); pinMode(motorPin, OUTPUT); // Cấu hình PID cho lưu lượng áp suất flowPID.SetMode(AUTOMATIC); pressurePID.SetMode(AUTOMATIC); flowPID.SetSampleTime(100); // Đặt thời gian lấy mẫu 100ms (10 lần/giây) pressurePID.SetSampleTime(100); // Đặt thời gian lấy mẫu 100ms (10 lần/giây) } void loop() { // Đọc giá trị lưu lượng áp suất từ cảm biến flowValue = readFlowSensor(); pressureValue = readPressureSensor(); // Tính tốn điều khiển lưu lượng áp suất PID flowPID.Compute(); pressurePID.Compute(); // Điều khiển van động để đạt giá trị mục tiêu lưu lượng áp suất controlValve(flowPID.GetOutput()); controlMotor(pressurePID.GetOutput()); } 53 // Hàm đọc giá trị lưu lượng từ cảm biến double readFlowSensor() { // Thực đọc giá trị lưu lượng từ cảm biến // Có thể sử dụng phương pháp đọc tín hiệu analog sử dụng thư viện phù hợp } // Hàm đọc giá trị áp suất từ cảm biến double readPressureSensor() { // Thực đọc giá trị áp suất từ cảm biến // Có thể sử dụng phương pháp đọc tín hiệu analog sử dụng thư viện phù hợp } // Hàm điều khiển van void controlValve(double flowOutput) { // Ứng dụng điều khiển van // Điều chỉnh van dựa giá trị đầu PID cho lưu lượng // Có thể sử dụng tín hiệu PWM phương pháp điều khiển khác } // Hàm điều khiển động void controlMotor(double pressureOutput) { // Ứng dụng điều khiển động // Điều chỉnh CÂU HỎI ÔN TẬP Bài tập 1: Điều khiển lưu lượng Hãy xem xét hệ thống đơn giản bao gồm bơm van điều khiển Hệ thống điều chỉnh lưu lượng nước ống dẫn Lưu lượng tối đa bơm 100 lít/phút Van điều khiển mở đóng để điều chỉnh lưu lượng Nhiệm vụ: Tạo điều khiển tự động để trì lưu lượng nước mức ổn định 80 lít/phút Hãy tính tốn xác định tham số cho hệ thống điều khiển số Ki (tích phân) Kp (tương tự) Bài tập 2: Điều khiển áp suất Hãy xem xét hệ thống bao gồm bình chứa chứa khí van điều khiển Nhiệm vụ hệ thống điều chỉnh áp suất bình chứa Áp suất tối đa bình chứa 200 psi (đơn vị áp suất) Van điều khiển mở đóng để điều chỉnh áp suất Nhiệm vụ: Xây dựng hệ thống điều khiển tự động để trì áp suất bình chứa mức ổn định 150 psi Hãy tính tốn xác định tham số điều khiển Kd (đạo hàm) Kp (tương tự) 55 Tài liệu tham khảo: [1]- Giáo trình thiết bị tự động hóa Tác giả Nguyễn Văn Anh [2]- Giới thiệu điều khiển PLC (Programmable Logic Controller) giao diện người-máy (HMI - Human-Machine Interface) [3]- giới thiệu phương pháp điều khiển hệ thống tự động Tác giả Lê Hoàng Chung Phạm Thị Duyên