kỹ thuật đo lường và tự động hóa

NỘI DUNG MÔN HỌC PHẦN I: ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN Chương 1 : Tổng quan về đo lường, điều khiển và giám sát tự động Chương 2 : Các khái niệm, định nghĩa, nguyên lý của cảm biến Chương 3 : Cảm

KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

BÀI GIẢNG

TS LÊ NGỌC TRÂN Email: lengoctranbvu@gmail.com

* Nhiệm vụ của sinh viên:

1 Giáo trình Đo Lường Cảm Biến, Lê Chí Kiên, ĐH Sư Phạm Kỹ

thuật TP HCM

2 Giáo trình Kỹ Thuật Cảm Biến, Vũ Quang Hồi, NXB Giáo Dục

Việt Nam

3 Giáo trình Cơ Sở Về Đo Lường Quá Trình, Trường Đào Tạo

Nhân Lực Dầu Khí Vũng Tàu

4 Giáo trình Đo Lường và Điều Khiển Dùng Máy Tính, Hồ Đắc

Lộc, NXB Xây Dựng

5 Giáo trình Mechatronics, Electronic in products and process,

D.A.Bradley, D.Dawson, N.C.Burd and A.J.Loader

TÀI LIỆU HỌC TẬP

NỘI DUNG MÔN HỌC

PHẦN I: ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN

Chương 1 : Tổng quan về đo lường, điều khiển và giám sát tự động

Chương 2 : Các khái niệm, định nghĩa, nguyên lý của cảm biến

Chương 3 : Cảm biến đo lường và ứng dụng

Chương 4 : Vòng điều khiển và các phần tử trong hệ thống tự động quá trình

Chương 5 : Thiết kế hệ thống điều khiển tự động quá trình bằng HT điều khiển tiếp điểm

Chương 6 : Thiết kế hệ thống điều khiển tự động QT bằng HT điều khiển lập trình

Chương 7 : Phân tích và thiết kế một số hệ thống điều khiển quá trình

PHẦN II: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG QUÁ TRÌNH

Tổng quan về đo lường, điều khiển và giám sát tự động

Các khái niệm, định nghĩa, nguyên lý của cảm biến

Cảm biến đo lường và ứng dụng

Video dây chuyền sản xuât mì gói tự động

Tổng quan về đo lường, điều khiển và giám sát tự động

Trong dây chuyền công nghiệp, có rất nhiều đại lượng vật lý quan trọng cần phải được đo đạc như: nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, mức, vị trí, dịch chuyển, độ ẩm, lực, khối lượng, Mục đích quan trọng nhất cho việc đo lường các đại lượng này dùng để điều khiển quy trình Quy trình ở đây được hiểu là trình tự các hoạt động được thực hiện để đạt được kết quả cuối cùng mong muốn Quy trình có thể được điều khiển bởi con

điều khiển quy trình đề cập là điều khiển hoàn toàn tự động bằng máy móc

Tổng quan về đo lường, điều khiển và giám sát tự động

Ví dụ một hệ thống điều khiển nhiệt độ lò sấy trong công nghiệp

Bước 1 : Bộ phận cảm biến đo gia trị của đại lượng vật lý liên quan đến đầu ra của quy trình rồi chuyển đến bộ phận trung tâm gọi là Bộ Điều Khiển

Bước 2 : Bộ ĐK so sánh các giá trị được chuyển về này với các giá trị định trước mà quy trình phải đạt được rồi gửi tín hiệu điều chính đến bộ phận thi hành còn gọi là Cơ Cấu Chấp Hành

Bước 3 : Bộ phận thi hành sẽ thay đổi các giá trị đại lượng vật lý trong quy trình cho phù hợp với mong muốn

So sánh điều chỉnh bằng tay và điều chỉnh tự động

ĐIỀU KHIỂN BẰNG TAY ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

 Đáp ứng nhanh do điều khiển hoàn toàn tự động

 Đo biến nhiệt độ bằng cảm biến: chuyển nhiệt độ -> tín hiệu điện -> BĐK (Cảm biến

to = Nhiệt kế + mắt người)

 Sai số cảm biến bé

 Thao tác nhanh tự động và chính xác

 An toàn

 Hệ thống điều khiển vòng hở

Sơ đồ hệ thống điều khiển quá trình

Thiết bị điều khiển

Đối tượng điều khiển

Nhiễu

Yêu cầu Tác động Kết quả

 HT điều khiển hoạt động đạt độ chính xác cần thiết bằng cách điều chỉnh trực tiếp hoạt động ngỏ ra của HT Không có thông tin phản hồi đến BĐK để xác định hoặc hiệu chỉnh tín hiệu ra

 HT điều khiển dạng này cho tín hiệu ra với sai số lớn

 Hệ thống điều khiển vòng kín

Thiết bị điều khiển điều khiển Đối tượng

Nhiễu Yêu cầu Tác động

Thiết bị

đo lường

Kết quả

So sánh

Thông tin phản hồi  HT điều khiển kín, loại bỏ nhiễu bằng

cách đo ảnh hưởng của nhiễu trên tín hiệu

ra hoặc ngõ ra của HT (thông tin phản hồi),

từ đó tính toán các tác động hiệu chỉnh cần thiết nhằm làm mất tác dụng của nhiễu

để duy trì tín hiệu ra hay sản phẩm ổn định như mong muốn

Tín hiệu sai lệch = Giá trị mong muốn – giá trị thực tế

 HT điều khiển dạng này cho tín hiệu ra

có độ chính xác cao

Ví dụ: Nhận dạng HT điều khiển với máy phay CNC

 Người vận hành xác định trước tốc độ cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt, và sau đó thực hiện quá trình gia công

 Nếu như không có nhiễu thì chất lượng và kích thước bề mặt sẽ đạt yêu cầu như dự kiến

 Những yếu tố nhiễu như độ mòn của dụng cụ, độ cứng thay đổi trên bề mặt chi tiết gia công, sẽ làm kết quả gia công không đạt kết quả như mong muốn Như vậy hệ thống vòng hở không có khả năng bù trừ các tác động do nhiễu gây ra

Ví dụ: Nhận dạng HT điều khiển với quá trình cắt

Trình tự các bước điều khiển một quy trình công nghệ

Một quy trình công nghệ dù phức tạp hay đơn giản, cơ sở điều khiển quá trình của nó là giống nhau bao gồm các bước cơ bản sau:

 PT cảm biến thu thập thông tin về biến cần theo dõi và gửi đến BĐK

 Bộ Điều Khiển so sánh thông tin nhận được từ Bộ Cảm biến với điểm setpoint và gửi tín hiệu đến PT Điều Khiển

 PT chấp hành thực hiện sự hiệu chỉnh cần thiết để điều chỉnh biến thao tác đạt đến điểm setpoint

Ví dụ nhận dạng hệ thống điều khiển quá trình sau

Sơ đồ P&ID

COMPARE

COLLECT

CORRECT

 Biến đo lường (biến theo dõi): áp suất bên trong bồn D

 Biến điều khiển: điều khiển áp suất khí nén đóng mở van C

 Kết quả mong muốn: Duy trì áp suất mong muốn trong bồn D theo giá trị setpoint

Các loại tín hiệu trong HT điều khiển quá trình

Các tín hiệu có thể là 1 trong 3 dạng khác nhau sau đây:

1 Dạng nhị phân (Binary)- chỉ có 2 giá trị ON và OFF

2 Dạng tương tự (Analog)- cho dải các giá trị không bị gián đoạn

Trong hệ thống điều khiển tự động quá trình, các tín hiệu phải được chuyển đổi cho phù hợp

 Khi Bộ Điều Khiển trong một vòng điều khiển là một máy tính thì dữ liệu vào máy tính phải là dạng số Tín hiệu ra điều khiển từ máy tính cũng là dạng số

 Kết quả đọc từ cảm biến thường là dạng tương tự

 Thiết bị điều khiển cuối đòi hỏi dạng tín hiệu vào là liên tục là khí nén

 Các Transducer chuyển đổi các tín hiệu từ dạng này sang một dạng khác để các PT trong vòng điều khiển có thể truyền thông tin với nhau được

Các loại tín hiệu trong HT điều khiển quá trình

P/I Transducer: Chuyển đổi tín hiệu khí nén (P) thành

dòng điện tương tự (I)

A/D Converter: Chuyển đổi dòng điện tương tự (I)

thành tín hiệu số (D)

D/A Converter: Chuyển đổi tín hiệu số (D) thành dòng

điện tương tự (I)

I/P Transducer: Chuyển đổi dòng điện tương tự (I)

thành tín hiệu khí nén (P)

Các loại tín hiệu trong HT điều khiển quá trình

Quy ước ký hiệu biểu thị dạng tín hiệu trong sơ đồ P&ID trong HT điều khiển quá trình

Các phần tử trong hệ thống điều khiển quá trình

PROCESS

COLLECT

COMPARE

CORRECT

Nhận dạng quá trình điều khiển