Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Trờng ĐHNNI - Hà Nội - 55 - Khoa Cơ - Điện ắ Module đầu vào/ra analog EM231 RTD - Kích thớc (dài x rộng x cao): 90 x 80 x 62mm - Khối lợng: 0,2kg - Công suất: 2W - 3 đầu vào analog - EM231 RTD thu nhận tín hiệu nhiệt độ dới dạng analog dễ dàng với tính chính xác cao bằng việc sử dụng cặp nhiệt ngẫu chuẩn. Đợc thiết kế giống nh những thiết bị khác của dòng S7 - 22x, chúng đợc liên kết với nhau qua các Bus dữ liệu và đợc đặt trên một giá treo DIN phía bên phải CPU - Kết nối module EM231TC, EM231 RTD: Có thể mắc trực tiếp với S7- 200 hoặc có thể sử dụng dây dẫn phụ có bảo vệ để hạn chế tiếng ồn một cách tốt nhất. Có thể mắc thiết bị EM231 RTD với cảm biến theo 3 cách: 4 dây, 3 dây và 2 dây. Cách chính xác nhất là sử dụng 4 dây, cách ít chính xác nhất là sử dụng 2 dây chỉ đợc sử dụng nếu sai số do mắc dây đợc bỏ qua trong các ứng dụng. ắ Module đầu vào/ra analog EM235 - Đặc tính vật lý: Hình 3.12: Sơ đồ nối thiết bị vào/ra Module EM235 EM235 Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Trờng ĐHNNI - Hà Nội - 56 - Khoa Cơ - Điện Kích thớc (dài x rộng x cao): 90 x 80 x 62mm Khối lợng: 0,2kg Công suất tiêu thụ: 2W Số dầu vào/ra: 3 đầu vào analog, 1 đầu ra analog - Đặc tính đầu ra: Dải tín hiệu ra: Điện áp 10V, dòng điện 0 ữ 20mA Kiểu dữ liệu: Lỡng cực: - 32000 ữ 32000 và đơn cực: 0 ữ 32000 Thời gian ổn định: Điện áp 100s, dòng điện 2s - Đặc tính đầu vào: Dạng đầu vào kiểu vi phân Điện trở vào 100M Điện áp vào cực đại: 30V Dòng điện vào cực đại: 32mA Dòng điện nguồn 5VDC, 70mA từ khối cơ sở Nguồn cung cấp mở rộng: 60mA, cộng với dòng điện ra 20mA từ khối cơ sở hay nguồn mở rộng. ắ Cách sử dụng EM235: - Đảm bảo nguồn cung cấp 24VDC không có nhiễu và ổn định - Điều chỉnh Module - Sử dụng dây cảm biến càng ngắn càng tốt - Nối ngắn mạch những đầu vào không sử dụng - Tránh làm ngập dây - Sử dụng cùng loại cho một tuyến dây Thiết bị RTD cung cấp tín hiệu vào PLC với những giữ liệu cho biết nhiệt độ hoặc điều kiện sai số. Các bit trạng thái cho biết khoảng sai số và tình trạng không hoạt động của thiết bị/nguồn cung cấp đang sử dụng. LEDs cho biết tình trạng của thiết bị. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Trờng ĐHNNI - Hà Nội - 57 - Khoa Cơ - Điện ắ Định cấu hình cho EM231: Để định cấu hình cho module EM231 RTD sử dụng công tắc DIP, các công tắc (SW1SW3) dùng để xác định độ lớn tín hiệu đầu vào Analog. Nên nạp điện theo chu kỳ cho PLC hoặc sử dụng nguồn nuôi 24V Trung tâm nghiên cứu Bò và Đòng cỏ BA Vì Bảng 3.3: Định cấu hình cho Module EM 231 Nguồn đơn cực SW1 SW2 SW3 Độ lớn tín hiệu vào Độ phân giải OFF ON 0 ữ10V 2,5mV 0 ữ 5V 1,25mV ON ON OFF 0ữ 20mA 5A ắ Định cấu hình cho EM235: Sử dụng công tắc DIP (SW1SW6) đế xác định các giải pháp tín hiệu vào Analog. Tất cả các đầu vào đợc đặt ở cùng một phạm vi tín hiệu đầu vào Analog. Hình 3.13: Sơ đồ nối thiết bị vào Module EM231TC, Hình 3.14: Sơ đồ nối dây cảm biến RTD Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Trờng ĐHNNI - Hà Nội - 58 - Khoa Cơ - Điện Bảng 3.4: Định cấu hình cho Module EM235 Nguồn đơn cực SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 Độ lớn tín hiệu vào Độ phân giải ON OFF OFF ON OFF ON 0 - 50mV 12,5V OFF ON OFF ON OFF ON 0 - 100mV 25V ON OFF OFF OFF ON ON 0 - 500mV 125V OFF ON OFF OFF ON ON 0 - 1V 250V ON OFF OFF OFF OFF ON 0 - 5V 1,25 mV ON OFF OFF OFF OFF ON 0 - 20mA 5V OFF ON OFF OFF OFF ON 0 - 10V 2,5 mV Các module EM231 & EM235 có chi phí thấp tốc độ cao 12 bit. Chúng có khả năng chuyển đổi đầu vào analog thành tín hiệu digital tơng ứng với 149s. Quá trình chuyển đổi tín hiệu đầu vào analog đợc thực hiện mỗi khi tín hiệu analog đợc truy cập bởi chơng trình của ngời sử dụng. EM231 & EM235 cung cấp tín hiệu digital cha đợc xử lý (không lọc hoặc tuyến tính hoá) đúng với điện áp analog hay giá trị thực đợc thể hiện ở các cực đầu vào của thiết bị. Vì là thiết bị tốc độ cao nên chúng có thể thay đổi nhanh chóng theo tín hiệu đầu vào analog. Hình3.15: Bộ định cấu hình DIP cho module EM231, EM235 Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Trờng ĐHNNI - Hà Nội - 59 - Khoa Cơ - Điện 3.3. Thiết bị nhập - xuất [8] Thiết bị - xuất phổ biến đợc sử dụng trong PLC. Các thiết bị nhập đợc đề cập gồm cả Digital va Analog, chẳng hạn công tắc dò tìm vị trí, các công tắc Proximity, các công tắc quang điện, các bộ mã hoá, các công tắc nhiệt và áp suất, các đồng hồ điện áp, các biến áp vi sai tuyến tính, cá đồng hồ biến dạng, các Tranzistor nhiệt, các cặp nhiệt điện. Các thiết bị xuất gồm rơle thiết bị tiếp xúc, các van Solenoid, và các động cơ. Cảm biến đóng vai trò quạn trọng trong bất kỳ hệ thống điều khiển nào. Nó là cơ quan cảm nhận của bộ điều khiển, cung cấp thông tin về tình trạng của đối tợng tới bộ điều khiển để bộ điều khiển có quyết định phù hợp với thực tế. Các bộ cảm biến cung cấp tín hiệu Digital/rời rạc (có - không), các ngõ ra có thể đợc kết nối dễ dàng với cổng nhập của PLC. Bộ cảm biến là thiết bị biến đổi đại lợng không điện cần đo thành đại lợng điện tỷ lệ với nó. Bất kỳ bộ cảm biến nào đều có tín hiệu vào là một hàm liên tục có tín hiệu vào X, Y = F(x). Trong thực tế để có đợc đặc tính ấy ngời ta phải làm thực nghiện để tìm ra mỗi quan hệ giữa X và Y. Mỗi quan hệ này là phi tuyến, nhng để nâng cao độ chính xác cho thiết bị đo các nhà sản xuất đã đa ra nhiều phơng pháp để phần nào làm giảm các sai số đó. Chúng ta cần lu ý rằng trong thực tế tín hiệu ra của bộ cảm biến không những phụ thuộc vào X mà còn phụ thuộc vào điều kiện bên ngoài Z khi đó hàm phi tuyến trở thành Y = F(x,z). ắ Đặc tính của bộ cảm biến - Phải xét đến khả năng thay thế cho các bộ cảm biến. Nghĩa là cảm biến cùng loại có cùng đặc tính nh nhau, nh thế mới có khả năng thay thế khi bị h hỏng và không mắc phải sai số. - Cảm biến phải có đặc tính đơn trị, nghĩa là với hàm Y = F(x), ứng với một giá trị X thì có một giá trị Y tơng ứng. Đơng cong bộ cảm biến phải ổn định nghĩa là không thay đổi theo thời gian. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Trờng ĐHNNI - Hà Nội - 60 - Khoa Cơ - Điện - Tín hiệu ra của bộ cảm biến thờng rất nhỏ, và vậy để tiện cho việc ghép nối dụng cụ đo, hệ thống đo tín hiệu ra thờng phải đợc chuẩn hoá. - Đặc tính quan trọng của bộ cảm biến là sai số. Sai số của bộ cảm biến gồm hai thành phần: + Sai số cơ bản: là sai số gây ra do nguyên tắc cảm biến, từ không hoàn thiện cấu trúc và yếu kém của công nghệ chế tạo. + Sai số phụ: là sai số gây ra do sai số bên ngoài khác với điều kiện tiêu chuẩn. Ví dụ nh nhiệt độ môi trờng thay đổi sẽ gây ra sai số của cảm biến điện cảm . Vậy để nâng cao độ tin cậy của cảm biến chúng ta cần hiệu chỉnh và thay đổi các thông số sao cho phù hợp với thực tế. - Độ nhạy của cảm biến cũng là một công cụ quan trọng. Nó có tác dụng quyết định đến cấu trúc của mạch, để đảm bảo cho phép đo độ nhạy của những biến động nhỏ của đại lợng đo. - Đặc tính động của cảm biến: Khi đại lợng đo tác động vào bộ cảm biến thờng xuất hiện quá độ. Quá trình này có thể nhanh hay chậm phụ thuộc vào loại cảm biến. Đặc tính này là độ tác động nhanh, nếu độ tác động nhanh chậm tức là phản ứng của tín hiệu ra trễ so với sự thay đổi của tín hiệu vào. Vì vậy, khi lựa chọn cảm biến ta phải lu ý đến độ tác động nhanh của nó sao cho phù hợp với sự thay đổi với các yêu cầu kỹ thuật của bài toán đặt ra. nếu không giải quyết đợc thì phải có sự tính toán để bù lại những ảnh hởng do sự chênh lệch đó gây ra. - Sự tác động ngợc lại của cảm biến lên đại lợng đo và tiếp đến gây ra sự thay đổi tín hiệu ở đầu ra của cảm biến. Vì vậy khi lắp đặt cảm biến phải tính đến điều này. - Kích thớc của cảm biến càng nhỏ càng tốt có nh vậy mới đa cảm biến vào đợc những nơi chật hẹp để đảm đơng đợc những công việc mà con ngời không thể thực hiện đợc, hơn thế với kích thớc nhỏ độ chính xác càng tốt. Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Trờng ĐHNNI - Hà Nội - 61 - Khoa Cơ - Điện Ngày nay kỹ thuật cảm biến phát triển rất mạnh có rất nhiều cảm biến đợc sản xuất ra. Để sản xuất ra đợc cảm biến phải có một trình độ cao, nó là sự kết hợp giữa khoa học vật lý, điện tử, hoá học và vật liệu Tóm lại trong một hệ thống tự động hoá, phần tử cảm biến đóng vai trò quan trọng nó là tai mắt cảm nhận sự thay đổi của đối tợng. Nhờ đó mà thực hiện quá trình tự động điều khiển các thông số theo yêu cầu của công nghệ. 3.3.1. Cảm biến nhiệt độ [9] Từ xa xa con ngời đã nhận thức đợc hiện tợng nhiệt độ và đánh giá cờng độ của nó bằng cách đo nhiệt độ, trong nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp hiện nay, nhất là ngành công nghiệp nhiệt luyện, chế biến thực phẩm Vấn đề đo và khống chế nhiệt độ đợc đặc biệt chú trọng vì nó là yếu tố quyết định đến chất lợng sản phẩm. Với mục đích thiết kế mô hình điều khiển trong đó có sử dụng hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung thuỷ tinh, chúng tôi tiến hành tìm hiểu và thiết kế cảm biến đo nhiệt độ. - Đối tợng cần đo: Nhiệt độ lò nung thuỷ tinh - Nhiệm vụ của cảm biến: Đo và khống chế nhiệt độ trong một khoảng xác định - Cảm biến nhiệt sử dụng ghép nối với PLC S7 200 Hoạt động của hệ thống: Đối tợng nhiệt độ của lò nung thuỷ tinh đợc thu nhận qua cảm biến nhiệt độ chuyển đổi thành tín hiệu điện là tín hiệu Analog và đợc đa tới cổng nhập của PLC. Tại đây tín hiệu đợc đọc vào và xử lý để điều khiển, tác động lên đối tợng thông qua mạch điều khiển và cơ cấu chấp hành. Nhiệt độ Cảm biến PL C Cơ cấu chấp hành Mạch động lực Hình 3.16: Sơ đồ khối của hệ thống thiết kế Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Trờng ĐHNNI - Hà Nội - 62 - Khoa Cơ - Điện Bảng 3.5: Bảng trạng thái của hệ thống điều khiển nhiệt độ Cơ cấu chấp hành Trạng thái đối tợng nhiệt độ Loại Trạng thái Nguồn nhiệt Tắt Trạng thái ban đầu của hệ thống Nguồn mát Tắt Nguồn nhiệt Mở T O < = 1100 5 0 C Nguồn mát Tắt Nguồn nhiệt Mở T O >= 1100 5 O C Nguồn mát Tắt Cảm biến LM335 là linh kiện để giao tiếp giữa nhiệt độ phòng va PLC. Là cảm biến nhiệt độ loại điốt. Sau đây là thông số kỹ thuật của LM335: - Định thang trực tiếp theo độ Kevil, với độ chính xác 1 o C - Điện áp nguồn nuôi 5V - 18V - Dải làm việc ở chế độ liên tục là -40 o C - 100 o C và ở chế độ không liên tục là 100 o C - 125 o C. Tại 25 o C, I R = 1mA thì V o = 2,98V ta có: R 98,25 = 1mA t R = 2,02k, chọn R = 2k ắ Khối biến đổi chuẩn hoá dùng khuyếch đại thuật toán LM358 Ta chọn khoảng làm việc từ 20 o C đến 50 o C. Đặt mức 0V tại 20 o C bằng cách đặt vào đầu trừ của LM 358 một điện áp V 1 = (273 + 20).10mV = 2,93V (với 20 ở đây là 20 o C phải chuyển sang độ Kevil và nhân với hệ số 10mV/K). Mạch LM335/TO92 1.82K +5VDC 10K Vo Hình3.17: Sơ đồ nguyên lý LM335 Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Trờng ĐHNNI - Hà Nội - 63 - Khoa Cơ - Điện khuyếch đại thuật toán trên có hệ số khuyếch đại K = 1 2 R R = 10 100 = 10 lần. Nh vậy tín hiệu vào tơng tự tơng ứng với khoảng nhiệt độ từ 20 o C 50 o C thì tơng ứng với giá trị điện áp từ 0V đến 3V. ắ Mạch lặp: Mạch lặp có tác dụng chuẩn hoá, phối hợp trở kháng giữa đầu ra và đầu vào. Với điện áp đàu ra và đầu vào luôn bằng nhau, chỉ khác ở chỗ trở kháng vào lớn trở kháng ra rất nhỏ. Tóm lại mạch lặp có tác dụng ổn định (chuẩn hoá và phối hợp trở kháng). ắ Sơ đồ mạch điện nguyên lý: R2 R1 - + B2 5 6 7 84 Vo=R2/R1(V2-V1) R2 V2 V1 +5VDC R1 Hình3.18: Khối biến đổi chuẩn hoá Hình3.19: Sơ đồ nguyên lý LM358 Hình3.20: Sơ đồ mạch nguyên lý cảm biến nhiệt . lại trong một hệ thống tự động hoá, phần tử cảm biến đóng vai trò quan trọng nó là tai mắt cảm nhận sự thay đổi của đối tợng. Nhờ đó mà thực hiện quá trình tự động điều khiển các thông số theo. ắ Định cấu hình cho EM231: Để định cấu hình cho module EM231 RTD sử dụng công tắc DIP, các công tắc (SW1SW3) dùng để xác định độ lớn tín hiệu đầu vào Analog. Nên nạp điện theo chu kỳ cho. chuyển đổi thành tín hiệu điện là tín hiệu Analog và đợc đa tới cổng nhập của PLC. Tại đây tín hiệu đợc đọc vào và xử lý để điều khiển, tác động lên đối tợng thông qua mạch điều khiển và cơ cấu chấp