I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG. Điều khiển là quá trình thu thập thông tin, xử lý thông tin và tác động lên hệ thống để đáp ứng của hệ thống tới mục đích định trước. Điều khiển tự động là quá trình điều khiển không cần sự tác động của con người. Đo lường là một quá trình đánh giá định lượng một đại lượng cần đo để có kết quả bằng số so với đơn vị đo. Hoặc có thể định nghĩa rằng đo lường là hành động cụ thể thực hiện bằng công cụ đo lường để tìm trị số của một đại lượng chưa biết biểu thị bằng đơn vị đo lường.
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
Trang 2I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG.
- Điều khiển là quá trình thu thập thông tin, xử lý thông tin và tác động lên hệ
thống để đáp ứng của hệ thống tới mục đích định trước
- Điều khiển tự động là quá trình điều khiển không cần sự tác động của con
người
- Đo lường là một quá trình đánh giá định lượng một đại lượng cần đo để có kếtquả bằng số so với đơn vị đo Hoặc có thể định nghĩa rằng đo lường là hành động
cụ thể thực hiện bằng công cụ đo lường để tìm trị số của một đại lượng chưa biết
biểu thị bằng đơn vị đo lường
6 Tín hiệu hồi tiếp F
1 Bộ điều khiển: Cơ quan đầu não để xử lý, khắc phục các tình huống phát sinh
trong hệ thống khi làm việc
1.1 Bộ điều khiển logic khả trình PLC.
PLC là thiết bị điều khiển logic khả trình (Program Logic Control), là loại
thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua 1 ngôn ngữ lập trình, thay cho việc phải thể hiện thuật toán đó bằng mạch số
Trang 3* Tín hiệu vào: có thể qua cảm biến (tiếp điểm hành trình, cảm biến quang
điện, ) hoặc bằng tay (nút ấn, bàn phím,chuyển mạch) Tín hiệu đưa vào PLC có thể là tín hiệu số (digital) hoặc tín hiệu tương tự (analog), các tín hiệu này được giao tiếp với PLC thông qua các modul nhận tín hiệu vào khác nhau khác nhau DI (Digital Input) hoặc AI (Analog Input),
* Ưu điểm:
- Giảm 80% số lượng dây nối
- Công suất tiêu thụ của PLC rất thấp
- Có chức năng tự chuẩn đoán do đó giúp cho công tác sửa chữa được nhanh chóng và dễ dàng
- Chức năng điều khiển thay đổi dễ dàng bằng thiết bị lập trình (máy tính, màn hình) mà không cần thay đổi phần cứng nếu không có yêu cầu thêm bớt các thiết bị vào, ra
- Số lượng rơle và timer ít hơn nhiều so với hệ điều khiển cổ điển
- Số lượng tiếp điểm trong chương trình sử dụng không hạn chế
- Thời gian hoàn thành một chu trình điều khiển rất nhanh (vài ms) dẫn đến tăng cao tốc độ sản xuất
- Chương trình điều khiển có thể in ra giấy chỉ trong vài phút giúp thuận tiện cho vấn đề bảo trì và sửa chữa hệ thống
- Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học
- Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa chữa
- Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp
- Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp.- Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng, các Modul mở rộng
- Độ tin cậy cao, kích thước nhỏ
- Giá cả có thể cạnh tranh được
Trang 4Đặc trưng của PLC là khả năng có thể lập trình được, chỉ số IP ở dải quy định cho phép PLC hoạt động trong môi trường khắc nghiệt công nghiệp, yếu tố bền vững thích nghi, độ tin cậy, tỉ lệ hư hỏng rất thấp, thay thế và hiệu chỉnh chương trình dễ dàng, khả năng nâng cấp các thiết bị ngoại vi hay mở rộng số lượng đầu vào nhập và đầu ra xuất được đáp ứng tuỳ nghi trong khả năng trên có thể xem là các tiêu chí đầu tiên cho chúng ta khi nghĩ đến thiết kế phần điều khiển trung tâm cho một hệ thống hoạt động tự động.
PLC S7-300 CPU SIMATIC S7- 400 SIMATIC S7- 200 1.2 Vi xử lý/ Vi điều khiển:
Vi xử lý là bộ xử lý tín hiệu, có thể nhận
tín hiệu vào, tính toán, xử lý, xuất tín hiệu ra
Vi xử lý ứng dụng để thực hiện các thuật toán
điều khiển yêu cầu khối lượng tính toán lớn (s
với PLC) cho các đ ối tượng có đặc tính động
học nhanh (so với PLC) như điều khiển dòng
điện, mômen, tốc độ động cơ, điều khiển các
mạch điện tử (tín hiệu hoặc công suất), v.v
Vi điều khiển là một máy tính được tích hợp trên một chíp, nó thường được sử dụng để điều khiển các thiết bị điện tử Vi điều khiển, thực chất, là một hệ thống bao gồm một vi xử
lý có hiệu suất đủ dùng và giá thành thấp (khác với các bộ vi xử lý đa năng dùng trong máy tính) kết hợp với các khối ngoại vi như bộ nhớ, các mô đun vào/ra, các mô đun biến đổi số sang tương tự và tương tự sang số,
Trang 5* Ưu và khuyết điểm :
- Giá thành thấp, công suất tiêu thụ thấp hơn và độ tin cậy cao hơn
- Khả năng chống nhiễu và độ bền không cao
- Vấn đề ở đây là tốc độ Các giải pháp dựa trên bộ vi điều khiển không bao giờ nhanh bằng giải pháp dựa trên các thành phần rời rạc Những tình huống đòi hỏi phải đáp ứng thật nhanh (cỡ nsec) đối với các sự kiện (thường chiếm thiểu
số trong các ứng dụng) sẽ được quản lý tồi khi dựa vào các bộ vi điều khiển
1.3 Máy tính công nghiệp:
Máy tính công nghiệp (IPC) được thiết kế đặc biệt bền bỉ và được thử nghiệm
độ tin cậy với các thông số hoạt động trong môi trường nhiệt độ khắc nghiệt, độ rung và sốc hơn hẳn những máy tính thương mại có trên thị trường Các thành phần được sử dụng với đủ điều kiện, tiêu chuẩn hóa và làm việc hiệu quả trong thời gian dài
Trang 6
- Ưu nhược điểm của máy tính công nghiệp: Tốc độ xử lý tín hiệu điều khiển chậm, độ tin cậy cao; Đặc biệt với khả năng chống nhiễu và chống treo hệ thống rất thích hợp để ứng dụng trong công nghiệp đòi hỏi độ ổn định cao.
1.4 Các sản phẩm thương mại: là các sản phẩm được tích hợp sẵn các vi xử lý,
vi điều khiển,…cũng như các cảm biến đo lường
2 Tín hiệu điều khiển:
2.1 Tín hiệu số (Digital): là tín hiệu mà trong đó các thông tin ban đầu được
chuyển đổi thành một chuỗi các bit trước khi được truyền7
- Tín hiệu chỉ bao gồm 2 trạng thái on và off, hay là 1 và 0
- Tín hiệu số yêu cầu khả năng băng thông lớn hơn tín hiệu analog
* Đặc trưng cơ bản:
- Có số mức (hay trạng thái) có thể là một số hữu hạn Ví dụ tín hiệu là M=2,
ta có tín hiệu số nhị phân, hay 2 mức trạng thái Tổng quát tín hiệu là M-ary
- Có thời gian tồn tại, KH: Ts (symbol time interval)
Là một loại tín hiệu rời rạc theo thời gian, được biểu diễn dưới dạng các con số,tín hiệu digital chỉ có hai mức điện áp được biểu diễn bằng mã nhị phân (0-1), nên thường được gọi là tín hiệu số Tín hiệu digital không tồn tại dưới mọi hình thức nào có sẵn trong tự nhiên Do được sinh ra bởi công nghệ số, nên việc hiệu chỉnh tần số là rất dễ dàng, như việc vặn nút để tăng cường độ chiếu sáng, hiệu chỉnh âm thanh to nhỏ…Mọi thao tác và xử lý trên tín hiệu digital luôn chính xác, dứt khoát
và hết sức linh hoạt
2.2 Tín hiệu tương tự - analog: Bất kỳ tín hiệu nào diễn ra liên tục trong một
khoảng thời gian biến đổi đều được gọi là tín hiệu Analog Biểu đồ hiển thị của mộttín hiệu analog thường là dạng hình sin, cos, hoặc là bất kỳ một đường cong nào
đó Một tín hiệu analog có độ phân giải lý thuyết là vô hạn Analog còn có nghĩa làtương tự, nghĩa là tín hiệu ở thời gian sau có dạng tương tự như ở thời gian trước
đó Về mặt lý thuyết, tín hiệu sẽ giữ nguyên hình dạng biểu đồ tới vô hạn, nếu trong điều kiện truyền tín hiệu lý tưởng Tuy nhiên, trong thực tế, tín hiệu analog bịảnh hưởng bởi nhiều tác nhân, như vật cản trên đường đi, các tín hiệu khác làm
Trang 7biến dạng Những ví dụ điển hình nhất là tín hiệu của âm thanh, ánh sáng, nhiệt độ…Chúng truyền đều trong môi trường, nhưng có cường độ sẽ bị giảm dần theo thời gian và khoảng cách.
Ví dụ như: Tín hiệu dưới dạng điện thế 0-5 V hoặc 0-10 V
Tín hiệu dưới dạng dòng điện 4-20 mA
Dùng trong tính toán, truyềnthông dữ liệu số
Khả năng
lưu trữ
Lưu dưới dạng sóng, trên các thiết
bị từ (băng từ, đĩa từ, ), chứanhiều thông tin hơn
Lưu dưới dạng bit, trên các thiệt
bị nhớ đắt tiền (fash, rom, .),chứa ít thông tin hơn
3 Cơ cấu chấp hành.
3.1 Van điều khiển: bao gồm thân van được ghép nối với một cơ chế chấp hành
cùng với các phụ kiện liên quan Ta có thể phân loại van dựa theo thiết kế và kiểu chuyển dộng của chốt van như:
- Van cầu: chốt trượt có đầu hình cầu hoặc hình nón, chuyển động lên xuống.
- Van nút: chootts xoay hình trụ (có đục lỗ theo chiều ngang) hoặc một phần hình
trụ
- Van bi: chốt xoay hình cầu (có đuc lỗ theo chiều ngang) hoặc một phần hình
cầu
Trang 8- Van bướm: Chốt xoay hình đĩa.
* Nhiệm vụ của cơ cấu chấp hành: cung cấp năng lượng và tạo ra chuyển động cho chốt van thông qua cầu van (đối với chuyển động trượt) hoặc trục van (chuyển động xoay)
Ngoài ra, ta có thể phân loại van theo cơ chế truyền động:
- Van khí nén: Truyền động khí nén sử dụng màng chắn/ lò xo hoặc piston Tín
hiệu vào có thể là khí nén, dòng điện hoặc tín hiệu số (bus trường) Nếu tín hiệu điều khiển là dòng điện, ta cần bộ chuyển đổi dòng điện-khí nén (I/P) tích hợp bên trong hoặc tách riêng bên ngoài
- Van điện: Sử dụng động cơ servo hoặc động cơ bước, được điều khiển trực
tiếp từ tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển, thông thường là dòng điện tương tự 4-20 mA hoặc tín hiệu số Van điện được sử dụng trong những ứng dụng côngsuất nhỏ đòi hỏi độ chính xác cao
- Van thủy lực: Cơ chế chấp hành sử dụng hệ thống bơm dầu kết hợp màng
chắn hoặc piston, bơm dầu được điều khiển bởi tín hiệu ra từ bộ điều khiển Van thủy lực được sử dụng cho các ứng dụng công suất lớn
- Van từ: Cơ chế chấp hành cuộn hút kết hợp lò xo, lực nén yếu và độ chính xác
kém, chỉ phù hợp với các bài toán đơn giản
3.2 Rơ le điều khiển: Rơle là một loại thiết bị điện tự động mà tín hiệu đầu ra thay
đổi nhảy cấp khi tín hiệu đầu vào đạt những giá trị xác định Rơle là thiết bị điện dùng để đóng cắt mạch điện điều khiển, bảo vệ và điều khiển sự làm việc của mạchđiện động lực
3.2.1 RƠLE ĐIỆN TỪ.
* Nguyên lí làm việc:
Trang 9Rơle điện từ làm việc trên nguyên lý điện từ Nếu đặt một vật bằng vật liệu sắt từ (gọi là phần ứng hay nắp từ) trong từ trường do cuộn dây có dòng điện chạy qua
sinh ra
Từ trường này tác dụng lên nắp một lực làm nắp chuyển động
Rơle điện từ có các đặc điểm:
- Công suất điều khiển Pđk từ vài W đến hàng nghìn W
- Công suất tác động Ptđ từ vài phần W đến hàng trăm W
- Hệ số điều khiển Kđk = (5 20)
- Thời gian tác động ttđ = (2 20) ms
* Một số loại rơle điện từ
a) Rơle dòng điện và điện áp loại T
b) Rơle trung gian: Nhiệm vụ chính của rơle trung gian là khuếch đại tín hiệu điều khiển, nó thường nằm ở vị trí trung gian giữa các rơle khác Đặc điểm rơle trung gian có cơ cấu điều chỉnh điện áp tác động để có thể tác động khi điện áp tăng giảm trong khoảng ±15% Uđm
c) Rơle thời gian điện từ khi từ thông 0 giảm thì sức điện động e chống sự giảm để duy trì thời gian khoảng t = (0,5 5)s
3.2.2 RƠLE ĐIỆN ĐỘNG.
Trang 10F = K1”.i1.i2 sẽ sinh ra mô men M = Ki1i2 đặt lên cuộn dây 2, làm cuộn dây 2 quay
và đóng tiếp điểm Nếu hai cuộn được mắc nối tiếp thì i1 = i2 = i có M = Ki2 lúc này mô men độc lập với chiều dòng điện Khi mạch điện xoay chiều với tần số f thìthì F thay đổi, rơle sẽ làm việc với giá trị trung bình của lực điện từ và mô men
Trang 11Rơle điện động được sử dụng làm rơle công suất tác dụng, phản kháng Có thể chế tạo rơle sắt điện động để tăng trị số mô men Mtb và sẽ tăng độ nhạy của rơle Loại rơle điện động xoay chiều không có mạch sắt từ tuy Mtb nhỏ nhưng dùng nhiều trong tự động điều khiển.
3.2.3 RƠLE KIỂU TỪ ĐIỆN.
* Nguyên lí:
Sự làm việc của rơ le loại này dựa trên cơ sở lực điện từ do từ trường của namchâm vĩnh cửu tác dụng lên một cuộn dây khi có dòng điện chạy qua Nguyên lí chung biểu diễn như hình minh họa
Từ trường nam châm vĩnh cửu với cảm ứng từ B tác dụng lên khung có dòng
I tạo ra mômen quay
Trang 12Dựa trên tác động tương hỗ giữa từ trường xoay chiều với dòng điện cảm ứng trong bộ phận quay (đĩa, cối) để tạo mômen quay
Hai từ thông 1, 2 biến thiên xuyên qua đĩa nhôm tương ứng cảm ứng các sứcđiện động e1, e2 sinh ra các dòng i1, i2 Các lực điện từ là F12 = B2i1l và F21 = B1i2l,
với là góc lệch pha giữa 1 và 2
Mô men quay trung bình tác dụng vào phần động sẽ là: Mtb= km m1
+ Rơle kiểm tra tốc độ kiểu cảm ứng kí hiệu PKC
3.3 Bơm: Máy bơm là thuyết bị dùng để chuyển chất lỏng hoặc chất khí từ nơi có
áp suất thấp hơn đến nơi có áp suất cao hơn
Trang 13
Bơm khí nâng: Đây là loại bơm được sử dụng để tạo dòng, phun nước
Nguyên tắc hoạt động của bơm khí nâng là nước sẽ được kết hợp với khí được bơm xuống phần thân bơm tạo thành một hỗn hợp gồm khí và nước Do hỗn hợp này nhẹ hơn nước nên nó trào lên và tạo ra một áp suất giúp nước có thể được đưa
ra bên ngoài qua thân bơm
Bơm điện chìm: Đây là loại bơm được đặt chìm và sử dụng ở bên dưới chất
lỏng Máy bơm này hoạt động theo nguyên tắc khi motor quay nước được hút vào miệng hút và vận chuyển ra bên ngoài qua ống đẩy Bơm điện chìm có ưu điểm đó
là gọn nhẹ và cho hiệu suất cao nhưng nhược điểm của nó lại là khó sửa chữa do đặt chìm dưới nguồn chất lỏng
Bơm ly tâm: Nguyên tắc hoạt động của bơm ly tâm đó là dựa vào lực ly tâm
và dưới tác động của lực ly tâm thì lượng chất lỏng sẽ được đưa ra bên ngoài, bên trong thân bơm sẽ tạo ra một khoảng chân không để nước có thể được hút vào Đặcđiểm của việc sử dụng bơm ly tâm đó là phải có quá trình mồi nước trước khi vận hành máy bơm
Bơm phun: Nguyên tắc hoạt động của loại bơm này là dựa vào khí nén hoặc
bơm phụ giúp tạo được ra sự dịch chuyển lúc đầu trong thân bơm Sự dịch chuyển này sẽ tạo được một vùng có áp suất thấp phía sau thân bơm khiến chất lỏng được vận chuyển
Bơm piston: Là loại bơm được sử dụng nhiều trong sản xuất vì hiệu quả mà
chúng mang lại là tương đối cao Nguyên tắc hoạt động là dựa vào hành trình của xy-lanh trong piston để vận chuyển nước
Trang 144 Thiết bị đo lường: Là thiết bị kỹ thuật dùng để gia công tín hiệu mang thông tin
đo thành dạng tiện lợi cho người quan sát
4.1 Thiết bị đo lường tại chỗ: là các thiết bị mà ta có thể đo các thông số vật lý,
hóa học,…và đọc trị số ngay trên thiết bị Ví dụ: Đông hồ đo áp suất, lưu lượng, nhiệt độ, độ nhớt,…
* Một số thiết bị đo áp suất:
- Áp kế lò xo ống: gồm ống Bourdon, thanh nối điều chỉnh được và thanh
+ Độ nhạy cao và đap ứng nhanh
+ Đo trực tiếp áp suất
Nhược điểm:
+ Có độ trễ
+ Chịu ảnh hưởng của nhiệt độ
+ Độ bền kém khi áp suất chất lưu dao động hoặc thay đổi đột ngột
- Áp kế hộp xếp: dựa vào sự so sánh áp suát trong hộp xếp và bên ngoài môi
trường làm cho hộp xếp bị kéo giãn hay co lại để ạo sự cân bằng áp suất trong hộp xếp và môi trường bên ngoài Áp suất bên ngoài là áp suất cần đo được đưa vào trong hộp xếp và hiển thị trên thang đo
Đối với áp suất thấp thì độ chính xác cao hơn áp kế lò xo ống
Áp kế hộp có thể sử dụng để đo áp suất tuyệt đối, áp suất không khí, áp suấtchân không hoặc áp suất chênh lệch
- Áp kế chất lỏng: Dựa vào độ chênh lệch hai cột chất lỏng ta tính được áp suất
ta cần đo
Ưu điểm:
+ Lắp đặt dễ dàng, sử dụng đơn giản
Trang 15+ Chi phí rẻ.
+ Rất chính xác và độ nhạy cao
+ Ứng dụng rộng, sử dụng đo áp suất thấp
Nhược điểm:
+ Chịu va đập kém, dễ hư hỏng trong khi sử dụng
+ Chịu ảnh hưởng của nhiệt độ, không truyền tín hiệu xa
+ Khó khăn trong xác định độ cao h
+ Dải đo không lớn
+ Chất lưu phải phù hợp với chất lỏng trong thiết bị
* Một số thiết bị đo lưu lượng:
-Lưu lượng kế cánh quạt: Khi cánh quạt quay 1 vòng do dòng chảy chất lưu, từ
thông trong nam châm vĩnh cửu tăng và giảm 2 lần Đo tần số của cuộn dây bằng tần số kế, từ đó tính ra tốc độ quay và lưu lượng dòng chảy
+ Không chính xác với chất lưu là hơi
+ Không chính xác khi chất lưu bẩn, độ nhớt cao
+ Chất lưu có khả năng làm tăng ma sát ở trục tuabin
+ Yêu cầu chất lưu chảy với vận tốc đều
- Ngoài ra có thể sử dụng: rotameter, tapered plug ( dựa vào ta đặt thiết bị thu
hẹp trong đường ống tăng tốc độ dòng chảy thế năng chuyển động năng hai