Nghiên cứu chế tạo thiết bị an toàn quang điện và ứng dụng thử nghiệm trên các máy cơ khí hệ đốt cắt

Nội dung bài viết nghiên cứu chế tạo thiết bị an toàn quang điện và ứng dụng thử nghiệm trên các máy cơ khí hệ đốt cắt. Để hiểu rõ hơn, mời các bạn tham khảo chi tiết nội dung bài viết.

Nghiên cứu chế tạo thiết bị an toàn quang điện ứng dụng thử nghiệm máy khí hệ đột cắt ThS Lưu Tiến Mạnh I Mở đầu Tồn lớn ngành gia công chế tạo khí thiếu nhà máy sản xuất đại, quy trình công nghệ tiên tiến, chủ lực để làm trung tâm cho việc chuyên môn hoá, hợp tác hoá Công nghệ chế tạo khí nội địa tổng thể công nghệ giản đơn, lạc hậu so với khu vực nước giới Bên cạnh loại hình sản xuất nhỏ lẻ, mô hình làng nghề, công ty, xí nghiệp khí tư nhân quy mô vừa nhỏ hoạt động sản xuất diễn phổ biến nước chiếm tỷ lệ đáng kể Đặc điểm loại hình thiếu vốn đầu tư, trang thiết bị máy móc thô sơ, lạc hậu, vấn đề an toàn cho người vận hành máy quan tâm Chính vậy, máy móc, thiết bị sử dụng gia công khí không trang bị hay lắp ráp kèm theo cấu, dụng cụ an toàn thích hợp nên nguy gây cố tai nạn lao động xảy nghiêm trọng Đối với máy hệ đột cắt máy thuộc nhóm đặc biệt nguy hiểm gây 82 tai nạn lao động nghiêm trọng dập cắt ngón tay, bàn tay v.v… Do vậy, mục tiêu đặt nghiên cứu chế tạo thiết bị an toàn quang điện lắp ráp phù hợp máy khí hệ đột cắt nhằm nâng cao tính an toàn, kiểm soát khu vực nguy hiểm đảm bảo an toàn cho người vận hành, sử dụng máy II Nội dung 2.1 Đặt vấn đề Như ta biết hệ máy đột cắt khí máy thuộc nhóm máy đặc biệt nguy hiểm, vấn đề an toàn cần quan tâm, đặc biệt thiết bị giám sát an toàn quang điện (Cảm biến an toàn - Safety Sensors) cần nghiên cứu lắp ráp kèm theo máy Thiết bị cảm biến an toàn vốn nghiên cứu, chế tạo từ lâu sản phẩm đa dạng Hiện nay, ứng dụng phổ biến nhiều ngành, nhiều lónh vực khác Tuy nhiên thiết bị an toàn quang điện nghiên cứu chế tạo sở kỹ thuật điện tử với nguyên tắc thu phát hồng ngoại hoạt động dựa theo nguyên lý giám sát an toàn suốt trình 2.2 Nguyên lý giám sát an toàn suốt trình Trước để kiểm soát mối rủi ro, nguy hiểm đối tượng máy móc, thiết bị người ta thường nghó đến mô hình “Giám sát an toàn theo nguy xuất yếu tố nguy hiểm (YTNH)” Tuy nhiên hạn chế nguyên lý không kiểm soát hết trường hợp rủi ro xảy Chính vậy, mô hình “Giám sát an toàn suốt trình” sử dụng cách rộng rãi công tác quản lý, kiểm soát an toàn đại Sơ đồ nguyên lý chung mô hình giám sát an toàn mô tả hình Hình Mô hình giám sát an toàn TB- Đối tượng, máy móc; (1)- Khối phát (2)- Khối xử lý (3)- Khối thị Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1&2-2012 Ví dụ minh họa so sánh hệ thống Sensor báo khói, báo cháy truyền tín hiệu đến trung tâm kiểm soát (TTKS) dựa mô hình “giám sát an toàn theo nguy xuất yếu tố nguy hiểm” mô hình “giám sát an toàn suốt trình” Thông qua so sánh phân tích thấy, sử dụng mô hình “Giám sát an toàn suốt trình” có nhiều ưu điểm hơn, kiểm soát hết trường hợp rủi ro xảy Ngoài mô hình giúp người điều hành giám sát yếu tố nguy hiểm cho khu vực làm việc rộng thông qua thị tín hiệu “đèn báo sáng” 2.3 Cấu tạo nguyên lý hoạt động thiết bị an toàn quang điện a) Sơ đồ khối thiết bị an toàn quang điện Hình Sơ đồ khối thiết bị an toàn quang điện Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1&2-2012 83 b) Nguyên lý hoạt động khối chức thiết bị an toàn quang điện: Thiết bị an toàn quang điện thiết kế, chế tạo dựa nguyên lý thu phát hồng ngoại (1)- Khối phát tín hiệu: Hình Sơ đồ khối tín hiệu phát + Khối liệu nối tiếp: có chức mã hóa liệu thành mã nhị phân chuyển đổi liệu song song nối tiếp + Điều chế phát FM: mã lệnh dạng nối tiếp đưa qua mạch điều chế phát FM để ghép mã lệnh vào sóng mang có tần số (38kHz ÷100kHz), nhờ sóng mang cao tần tín hiệu truyền xa hơn, nghóa tăng cự ly phát, ổn định tránh nhiễu + Khối thiết bị phát: Đầu phát sử dụng LED phát hồng ngoại Khi mã lệnh có giá trị bít = ‘1’ LED hồng ngoại phát khoảng thời gian T bít Khi mã lệnh có giá trị bít = ‘0’ LED không phát tương ứng với bên thu không nhận tín hiệu xem bít = ‘0’ (2)- Khối thu tín hiệu: Hình Sơ đồ khối thu - Khối thiết bị thu: Tia hồng ngoại từ phần phát tiếp nhận mắt thu hồng ngoại (hay cảm biến thu hồng ngoại) - Khối khuếch đại Tách sóng: trước tiên khuếch đại tín hiệu nhận đưa qua mạch tách sóng nhằm triệt tiêu sóng mang tách lấy liệu cần thiết bít tương ứng qua trình phát lệnh - Khối giải mã: Mã lệnh đưa vào mạch chuyển đổi nối tiếp sang song song đưa tiếp qua khối giải mã thành số thập phân tương ứng dạng xung kích ngõ tương ứng để kích đóng - mở mạch điều khiển Tần số sóng mang 84 dùng để so pha với tần số dao động bên phần thu giúp cho mạch thu - phát hoạt động cách đồng bộ, đảm bảo cho mạch tác sóng mạch chuyển đổi nối tiếp sang song song hoạt động xác (3)- Khối điều khiển trung tâm: IC trung tâm sử dụng Atmega8 lập trình chương trình thuật toán để điều khiển chọn kênh phát thu nhận tín hiệu giải mã, tổng hợp liệu kiểm tra, trao đổi thông tin với phím chức để điều khiển đóng mở máy (4)- Khối chọn kênh: Khống chế thời điểm có LED hồng ngoại phát mắt thu hồng ngoại tương ứng hoạt động thu liệu phản hồi trung tâm điều khiển (5)- Khối điều khiển đóngmở hiển thị báo hiệu: - Điều khiển đóng mở máy: Khối điều khiển đóng mở máy nhận tín hiệu từ phím chức qua trung tâm điều khiển tới điều khiển rơle trung gian để đóng mở máy - Hiển thị báo hiệu: Thiết bị thị tín hiệu báo hiệu còi đèn (đèn sáng) hoạt động tuân theo nguyên lý giám sát an toàn suốt trình (6)- Khối nguồn: Biến đổi điện áp xoay chiều (220VAC) thành điện áp chiều 12VDC 5VDC chuẩn cung cấp cho khối chức thiết bị hoạt động Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1&2-2012 Hình Sơ đồ nguyên lý mạch phát 2.4 Thiết kế mạch điện tử, chế tạo mẫu ứng dụng thử nghiệm thiết bị a) Thiết kế mạch điện tử - Thiết kế sơ đồ mạch phát (Hình 5) Giải thích sơ đồ nguyên lý mạch phát: Việc phát mã: Để tránh ảnh hưởng trình truyền phát – thu nhận tín hiệu kênh với loại bỏ ảnh hưởng nguồn ánh sáng bên hay từ thiết bị thu phát hồng ngoại khác môi trường làm việc… nhằm tăng cường cự ly, phát ổn định tránh nhiễu tốt tín hiệu phát mã hóa điều chế phát song song (phát FM – nghóa ghép kênh mã lệnh vào sóng mang cao tần tần số định để truyền tín hiệu tới đầu thu) Chân RS232 mã hoá điều chế liệu phát IC74154 mạch lựa chọn kênh phát; thời điểm tín hiệu Y0÷Y11 (tương ứng với 12 kênh, từ kênh ÷ kênh 12 ) có tín hiệu mức thấp; lại mức cao; Tín hiệu chọn kênh thông qua giá trị ABCD Bảng tín hiệu chọn kênh qua coång ABCD: PORTC = ABCD = → Y1 = 0; Yn = {n ≠ 1; n ≤ 11}; PORTC = ABCD = → Y2 = 0; Yn = {n ≠ 2; n ≤ 11}; ↓ … PORTC = ABCD = 11 → Y12 = 0; Yn = {n ≠ 11; n ≤ 11}; Chíp phát nhận tín hiệu điều khiển phát từ chíp thu thông qua bảng mã lệnh: x = getchar(); x = 10 ÷ 21; PORTC = x -10 = ABCD x = 10 → PORTC = ABCD = → Y1 = → Kênh phát x = 11 → PORTC = ABCD = → Y2 = → Keânh phát Hình Sơ đồ mạch thu xử lý tín hiệu trung tâm điều khiển ↓ … x = 21 → PORTC = ABCD = Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1&2-2012 85 11 → Y11 = → Kênh 12 phát Tín hiệu mức thấp qua mạch NOT 7404 nâng thành mức cao ngược lại Tín hiệu AND với tín hiệu điều tần đưa cảm biến phát (LED phát) Do vậy, có LED thực phát thời điểm - Thiết kế sơ đồ mạch thu trung tâm điều khiển:(Hình 6) Giải thích sơ đồ mạch thu trung tâm điều khiển: Kênh thu dựa IC 74151 (U1) tất 12 kênh thu đưa vào đầu vào D0÷D7 IC 74151 Tại thời điểm có đầu vào đưa chân Y thông qua giá trị chọn kênh qua cổng ABC Muốn tăng số lượng kênh đầu vào dùng tăng số lượng IC chốt 74HC573, mạch sử dụng IC 74HC573 nên mở rộng lên đến 16 kênh đầu vào Tuy nhiên, dùng có 12 kênh Việc lựa chọn tín hiệu thu thông qua IC chốt 74HC573 để đưa vào IC 74151 định cổng PORT D.4; PORT D.5; PORT D.6 ; PORT D.7 Neáu: {PORT D.5 = 0; PORT D.7 = 1} → chọn tín hiệu kênh (từ kênh ÷ kênh 8) qua IC 74HC573 thứ (U2); IC 74HC573 thứ hai (U3) trạng thái cấm Nếu: {PORT D.5 = 1; PORT D.7 = 0} → chọn tín hiệu chọn (từ kênh ÷ kênh 12) qua IC 86 Hình Sơ đồ mạch điều khiển thiết bị ngoại vi 74HC573 thứ hai (U3); IC 74HC573 thứ (U2) trạng thái cấm Tín hiệu chọn kênh IC 74151 (U1) thông qua cổng ABC nhö sau: PORTC = ABC; PORTC = ABC = → Y = Do PORTC = ABC = → Y = D1 PORTC = ABC = → Y = D2 ↓ … PORTC = ABC = → Y = D7 Tín hiệu Y đưa vào chân RXD điều khiển trung tâm để xử lí - Thiết kế mạch điều khiển thiết bị ngoại vi (Hình 7) Giải thích sơ đồ mạch điều khiển thiết bị ngoại vi: + Nếu thdk=0 máy hoạt động chế độ bình thường + Nếu thdk=1 Q1,Q2,Q3 trạng thái mở (thông mạch) cấp nguồn cho Rơle LS2, LS3 sẵn sàng hoạt động Các tiếp điểm LS2, LS3 đưa để điều khiển tín hiệu đèn, còi báo động điều khiển đóng mở máy + Nếu nút bấm SW1(EMC) nhấn tác động giống thdk=1: nút dừng khẩn cấp Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1&2-2012 Mạch điều khiển thiết bị ngoại vi hoạt động hai chế độ làm việc: chế độ vận hành tay chế độ tự động phụ thuộc vào trạng thái SW2 Chế độ vận hành tay: (SW2 trạng thái đóng) + Khi yếu tố nguy hiểm xuất (tương đương với thdk=0): thiết bị hoạt động bình thường + Khi có yếu tố nguy hiểm xuất (có cố, tương đương với thdk=1): mạch điều khiển thiết bị điều khiển tự động dừng máy Đồng thời báo hiệu tín hiệu ánh sáng (đèn) âm thành (còi) + Khi yếu tố nguy hiểm loại bỏ, khắc phục thiết bị điều khiển dừng máy, SW2 đóng nên thdk=1 Rơle LS1 hoạt động tự giữ tín hiệu điều khiển mức (thdk=1) Muốn máy móc trở lại hoạt động bình thường phải nhấn nút Reset (nhấn nút SW3) Hình Mô hình thiết bị an toàn quang điện Hình Thiết bị an toàn quang điện ứng dụng thử nghiệm máy chấn tôn thủy lực ACL mã số WA67Y-125/3200D Chế độ tự động: (SW2 trạng thái mở) + Khi yếu tố nguy hiểm xuất (tương đương với thdk=0): thiết bị hoạt động bình thường + Khi có yếu tố nguy hiểm xuất (có cố, tương đương với thdk=1): mạch điều khiển thiết bị điều khiển tự động dừng máy Đồng thời báo hiệu tín hiệu ánh sáng (đèn) âm (còi) + Khi yếu tố nguy hiểm loại bỏ, khắc phục máy tự động trở lại trạng thái hoạt động bình thường (do SW2 mở nên hệ thống tác động thdk=1) b) Mô hình thiết bị an toàn quang điện (Hình 8) c) Bước đầu ứng dụng thử thiết bị giám sát an toàn máy hệ đột cắt khí (hình 9) III Kết luận Trên sở kỹ thuật điện tử ứng dụng nguyên lý thu phát hồng ngoại, thiết bị an toàn quang điện nghiên cứu chế tạo Qua lắp đặt thử nghiệm máy chấn tôn thủy lực ACL bước đầu cho thấy thiết bị hoạt động ổn định, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật đặt hoàn toàn ứng dụng thực tế sản xuất TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Schneider Electric S.A: Hướng dẫn thiết kế lắp đặt điện theo tiêu chuẩn Quốc tế IEC NXB KHKT Hà Nội-2006 [2] DAVID E JONHSON, Electric Circuit Analysis – Irintice – Hall International, 1986 [3] T.S Rathore, Digital measurement techniques, Alpha Science International Ltd., Pangbourne England, (2003) [4] Safety and Health at Work, ILO-CIS Bulletin No5, vol.2, (1998) Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Soá 1&2-2012 87 ... sáng” 2.3 Cấu tạo nguyên lý hoạt động thiết bị an toàn quang điện a) Sơ đồ khối thiết bị an toàn quang điện Hình Sơ đồ khối thiết bị an toàn quang điện Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe... an toàn máy hệ đột cắt khí (hình 9) III Kết luận Trên sở kỹ thuật điện tử ứng dụng nguyên lý thu phát hồng ngoại, thiết bị an toàn quang điện nghiên cứu chế tạo Qua lắp đặt thử nghiệm máy chấn... Reset (nhấn nút SW3) Hình Mô hình thiết bị an toàn quang điện Hình Thiết bị an toàn quang điện ứng dụng thử nghiệm máy chấn tôn thủy lực ACL mã số WA67Y-125/3200D Chế độ tự động: (SW2 trạng thái