Đo mức bằng sóng siêu âm (Level Untrasonic

Mục đích: Chương 1: - Tìm hiểu phương pháp đo tín hiệu analog cụ thể phương pháp đo mức đo áp suất - Tìm hiểu khát quát PLC s7 300 hãng Simens - Tìm hiểu modun analog, đối tượng mở rộng - Tìm hiểu HMI(WinCC, OPC) Chương 2: - Lựa chọn thiết bị cảm biến áp suất, cảm biến mức, loại van - Xây dựng sơ đồ khối, sơ đồ đấu dây - Xây dựng thuật toán - Xây dựng phần mềm - Thiết kế giao diện HMI Chương 3: - Kết nghiên cứu lý thuyết - Kết thực nghiệm - Kết luận phụ lục - Giúp sinh viên nắm vững kiến thức đo lường cảm biến, sử dụng cảm biến analog xử lý tín hiệu analog điều khiển PLC Nắm kiến thức học PLC modun mở rộng Lập trình tốn, hiểu HMI (WinCC, OPC) , xây dựng phần mềm thiết kế giao diện HMI Chương I CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO 1.1 Phương pháp đo mức chất lưu 1.1.1 Mục đích: Xác định mức độ, thể tích khối lượng chất lưu chứa bình chứa Có dạng đo: đo liên tục đo theo ngưỡng Có phương pháp hay dùng kỹ thuật đo phát mức chất lưu: - Phương pháp thủy tĩnh dung biến đổi điện - Phương pháp điện dựa tính chất điện chất lưu - Phương pháp xạ dựa tương tác xạ chất lưu 1.1.5 Đo mức sóng siêu âm (Level Untrasonic) Siêu âm gì? Siêu âm sóng học có tần số lớn tần số âm nghe thấy (trên 20kHz) Thính giác người nhạy cảm với dải tần số từ âm trầm (vài chục Hz) đến âm cao (gần 20kHz) Một số loài vật dơi, ong cảm nhận siêu âm Giới thiệu cảm biến tiệm cận siêu âm Cảm biến siêu âm thiết bị dùng để xác định vị trí vật thơng qua phát sóng siêu âm Cảm biến tiệm cận siêu âm phát hầu hết đối tượng kim loại kim loại,chất lỏng chất rắn,vật mờ đục (những vật có hệ số phản xạ sóng âm đủ lớn) Một số hình ảnh cảm biến siêu âm 1.1.5.1 Ứng dụng cảm biến tiệm cận siêu âm Từ lâu, siêu âm ứng dụng thực tế như: - Rada siêu âm (Sona) dùng để phát mục tiêu nước thăm đò đáy biển, phát tàu ngầm, đàn cá.Ưu điểm siêu âm bị suy giảm mơi trường nước - Phát phóng điện cục máy biến áp (MBA) Khi có phóng điện cục MBA phát sinh sóng siêu âm lan truyền dầu Nhờ cảm biến siêu âm gắn thùng dầu phân tích sóng tới sóng phản xạ nguồn phóng điện định vị xác vị trí dây quấn MBA có phóng điện cục -Trong ngành y tế, rada siêu âm giúp bác sĩ nhìn rõ cấu trúc nội thể, chẩn đốn xác khối u, thai nhi- Siêu âm ứng dụng rộng rãi kỹ thuật gia cơng kim loại Sóng siêu âm sóng đàn hồi mang lượng, làm bề mặt chi tiết trước gia công mạ, hàn- Trong kĩ thuật đo kiểm tra cơng nghiệp, việc đo phân tích tiếng dội chùm siêu âm chiếu lên bề mặt kiểm tra giúp ta phát trạng thái bề mặt khuyết tật bên cấu trúc - Ngoài cảm biến siêu âm dùng để điều khiển mực chất lỏng,đo khoảng cách độ cao hay vị trí phiến gổ dây chuyền,dùng để phát người,phát dây bị đứt,phát xe,phát chiều cao….và nhiều ứng dụng quan trọng khác sống 1.1.5.2 Cấu tạo cảm biến tiệm cận siêu âm Cảm biến siêu âm gồm có phần 1/Bộ phận phát nhận sóng siêu âm 2/bộ phận so sánh 3/mạch phát 4/mạch ngõ Khi cảm biến nhận sóng phản hồi,bộ phận so sánh tính tốn khoảng cách,bằng cách so sánh thời gian phát,nhận vận tốc âm Tín hiệu ngõ digital analog Tín hiệu từ cảm biến digital báo có hay khơng xuất đối tượng vùng cảm nhận cảm biến.tín hiệu từ cảm biến analog chứa đựng thông tin khoảng cách đối tượng đến cảm biến 1.1.5.3 Nguyên lý hoạt động cảm biến tiệm cận siêu âm Kĩ thuật cảm thuật cảm biến siêu âm dựa đặc điểm vận tốc âm số.thời gian sóng âm từ cảm biến đến đối tượng quay trở lại liên hệ trực tiếp đến độ dài quảng đường.vì cảm biến siêu âm thường dùng ứng dụng đo khoảng cách Tần số hoạt động:nhìn chung cảm biến công nghiệp hoạt động với tần số từ 25khz đến 500khz.các cảm biến siêu âm y khoa hoạt động với tần số 5mhz trở lên.tần số cảm biến tỉ lệ nghịch với khoảng cách phát cảm biến,với tần số 50khz phạm vi hoạt động cảm biến lên tới 10m hơn,với tần số 200khz phạm vi hoạt động cảm biến giới hạn mức 1m - Nguyên lý hoạt động cảm biến tiệm cận siêu âm Vùng hoạt động:là khu vực giới hạn khoảng cách lớn khoảng cách nhỏ Cảm biến siêu âm có vùng nhỏ khơng thể sử dụng gần cảm biến gọi khu vực mù Kích thước vật liệu đối tượng cần phát định khoảng cách phát lớn (vật xốp Cảm biến siêu âm điều chỉnh khoảng cách phát Một số dạng cảm biến ngõ analog cho phép điều chỉnh khoảng cách phát hiện,sau khoảng xác định.khoảng cách phát điều chỉnh người sử dụng Ngồi để cảm biến siêu âm khơng phát đối tượng dù chúng di chuyển vào vùng hoạt động cảm biến,người ta tạo lớp vỏ chất liệu có khả khơng phản xạ lại sóng âm Xác định khoảng cách Sóng siêu âm truyền khơng khí với vận tốc khoảng 343m/s Nếu cảm biến phát sóng siêu âm thu sóng phản xạ đồng thời, đo khoảng thời gian từ lúc phát tới lúc thu về, máy tính xác định quãng đường mà sóng di chuyển khơng gian Qng đường di chuyển sóng lần khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngoại vật, theo hướng phát sóng siêu âm.Hay khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật tính theo nguyên lý TOF d=v.t/2 Nguyên lý TOF (time of flight) nguyên lý đo khoảng cách thời gian truyền sóng Phương pháp đặc biệt ứng dụng với thiết bị sử dụng sóng siêu âm vận tốc di chuyển sóng khơng khí vật liệu khác tương đối chậm, người ta đo khoảng cách với sai số nhỏ (khoảng 343m/s khơng khí) Phương pháp khơng dùng thiết bị thu nhận sóng điện từ, vận tốc sóng điện từ cao với vận tốc ánh sáng (300.000 km/s).Khoảng cách từ thiết bị phát đến chướng ngại vật tính vận tốc sóng mơi trường tương ứng nhân với nửa thời gian truyền sóng Trong đó: d khoảng cách cần đo,v vận tốc sóng siêu âm mơi trường truyền sóng, t thời gian từ lúc sóng phát đến lúc sóng ghi nhận lại Khi sóng siêu âm phát thu về, cảm biến siêu âm, cách gián tiếp cho ta biết vị trí chướng ngại vật theo hướng quét cảm biến Khi đó, dường quãng đường từ cảm biến đến chướng ngại vật, sóng siêu âm khơng gặp vật cản nào, xung quanh vị trí mà thơng số cảm biến ghi nhận được, có chướng ngại vật Và thế, cảm biến siêu âm mơ hình hóa thành hình quạt, điểm dường khơng có chướng ngại vật, cịn điểm biên dường có chướng ngại vật nằm 1.1.5.4 Ưu điểm nhược điểm cảm biến tiệm cận siêu âm ƯU ĐIỂM:khoảng cách mà cảm biến phát lên tới 45m Sóng phản hồi cảm biến khơng phụ thuộc vào màu sắc bề mặt đối tượng hay tính chất phản xạ ánh sáng đối tượng Ví dụ:bề mặt kính suốt ,bề mặt gốm màu nâu,bề mặt plastic màu trắng hay bề mặt chất liệu nhơm sáng trắng Tín hiệu đáp ứng cảm biến tiệm cận analog tỉ lệ tuyến tính với khoảng cách.Điều đặc biệt lí tưởng cho ứng dụng theo dỏi mức vật chất,mức độ chuyển động cuả đối tượng Ưu điểm nhược điểm cảm biến tiệm cận siêu âm Nhược điểm:cảm biến siêu âm yêu cầu đối tượng có diện tích bề mặt tối thiểu(giá trị tùy thuộc vào loại cảm biến) Sóng phản hồi cảm biến nhận chịu ảnh hưởng sóng âm tạp âm Cảm biến tiệm cận siêu âm yêu cầu khoảng thời gian sau lần sóng phát để sẵn sàng nhận sóng phản hồi.kết cảm biến tiệm cận siêu âm nhìn chung chậm cảm biến khác Với đối tượng có mật độ vật chất thấp nhưnhư bọt hay vải quần áo khó để phát với khoảng cách lớn Cảm biến tiệm cận siêu âm giới hạn khoảng cách phát nhỏ Ưu điểm nhược điểm cảm biến tiệm cận siêu âm Sự thay đổi môi trường nhiệt độ (vận tốc âm phụ thuộc vào nhiệt độ) áp suất,sự chuyển động không không khí,bụi bẩn bay khơng khí gây ảnh hưởng đến kết đo Nhiệt độ bề mặt đối tượng ảnh hưởng đến phạm vi hoạt động cảm biến,hơi nóng tỏa từ đối tượng có nhiệt độ cao làm méo dạng sóng,làm cho khoảng cách phát đối tượng ngắn lại giá trị khoảng cách không xác Bề mặt phẳng phản hồi lượng sóng âm tốt bề mặt gồ ghề,tuy nhiên bề mặt trơn phẳng lại có địi hỏi khắc khe vị trí góc tạo thành cảm biến mặt phẳng đối tượng 1.2 Phương pháp đo áp suất Áp suất đại lượng có giá trị tỉ số lực tác dụng vng góc lên mặt với diện tích nó: (20.1) Đối với chất lỏng, khí (gọi chung chất lưu), áp suất thông số quan trọng xác định trạng thái nhiệt động học chúng Trong công nghiệp, việc đo áp suất chất lưu có ý nghĩa lớn việc đảm bảo an toàn cho thiết bị giúp cho việc kiểm tra điều khiển hoạt động máy móc thiết bị có sử dụng chất lưu Trong hệ đơn vị quốc tế (SI) đơn vị áp suất pascal (Pa): Pa áp suất tạo lực có độ lớn 1N phân bố đồng diện tích 1m2 theo hướng pháp tuyến Đơn vị Pa tương đối nhỏ nên cơng nghiệp người ta cịn dùng đơn vị áp suất bar (1 bar = 105 Pa) số đơn vị khác Bảng 20.1 trình bày đơn vị đo áp suất hệ số chuyển đổi chúng Đơn vị pascal(Pa) áp suất 1Pascal 1 bar 10-5 kg/cm2 1,02.10-5 atm 0,987.10-5 1mmH2O 1,02.10-1 1mmHg 0,75.10-2 1mbar 10-2 Nguyên lý đo áp suất Đối với chất lưu không chuyển động, áp suất chất lưu áp suất tĩnh (pt): (20.2) Do đo áp suất chất lưu thực chất xác định lực tác dụng lên diện tích thành bình Đối với chất lưu khơng chuyển động chứa ống hở đặt thẳng đứng, áp suất tĩnh điểm M cách bề mặt tự khoảng (h) xác định theo công thức sau: (20.3) Trong đó: p0 - áp suất khí ρ - khối lượng riêng chất lưu g- gia tốc trọng trường S START=1 Đ STOP=1 Đ TG=1 TG=0 END Hình 2.11 Thuật tốn khởi động hệ thống - Lưu đồ thuật toán đo, điều khiển cảnh báo áp suất Đo cảnh báo điều khiển áp suất TG=1 Đ S S Nhận tín hiệu tự cảm biến xử lí tín hiệu Đ Ápsuất4.5 Khởi động động bơm nước Đ Bật đèn cảnh báo áp suất cao HAP RET Hình 2.11 Lưu đồ thuật toán điều khiển cảnh báo áp suất - Lưu đồ thuật toán đo cảnh báo mức nước Đo cảnh báo mức nước TG=1 S Đ Nhận tín hiệu tự cảm biến xử lí tín hiệu Đ Mức4000mm Bật đèn cảnh báo mức thấp LAL Đ Bật đèn cảnh báo mức cao HAL RET Hình 2.12 Lưu đồ thuật tốn đo cảnh báo mức nước Dải đo đầu module SM 334 Dải đo Module SM 334 hỗ trợ dải đo từ( – 10)V từ (0 – 20)mA Trái với module analog khác, SM 334 có độ phân giải thấp dải đo không âm Dải đầu Module SM 334 hỗ trợ dải đầu từ (0 – 10)V từ ( – 20)mA So với module khác, SM 334 có độ phân giải thấp đầu analog không vượt dải đo Sử dụng hàm thư viện (Libraries) FC105 FC106 Trong PLC S7-300 tích hợp sẵn hàm chuyển đổi giá trị analog thư viện (Libraries), lập trình khơng cần phải viết chương trình cho hàm S7-200 FC105 SCALE Miêu tả: Chức SCALE nhận giá trị kiểu Integer (IN) chuyển đổi thành giá trị kiểu số thực đơn vị điện SCALE giới hạn thấp giới hạn cao (LO_LIM HI_LIM) Kết ghi vào cổng OUT Chức SCALE sử dụng phương trình: OUT= [((FLOAT (IN) – K1)/(K2 – K1))*(HI_LIM – LO_LIM)] + LO_LIM Hằng số K1 K2 set dựa vào giá trị đầu vào BIPOLAR UNBIPOLAR - BIPOLAR: Giá trị Integer đầu vào nằm -27648.0 27648.0, vậy: - K1= -27648.0 K2= 27648.0 UNBIPOLAR: Giá trị Integer đầu vào nằm 27648.0, vậy: K1=0 K2=27648.0 Nếu giá trị integer đầu vào lớn K2 đâu (OUT) giữ mức HI_LIM báo lỗi Nếu giá trị integer đầu vào thấp K1 đầu giữ mức LO_LIM báo lỗi Các tham số FC 105 Tham số EN Tên Input Loại Data BOOL Vùng nhớ I,Q,M,D,L ENO Output BOOL I,Q,M,D,L IN Input INT I,Q,M,D,L,P,const HI_LIM Input REAL I,Q,M,D,L,P,const Miêu tả Cho phép đầu vào với trạng thái tín hiệu Cho phép đầu có trạng thái tín hiệu chức thực không bị lỗi Giá trị đầu vào SCALE thành giá trị thực đơn vị điện Giới hạn LO_LIM Input REAL I,Q,M,D,L,P,const BIPOLAR Input BOOL I,Q,M,D,L,P OUT RET_VAL Output Output REAL WORD I,Q,M,D,L,P,const I,Q,M,D,L,P,const đơn vị điện Giới hạn đơn vị điện Trạng thái tín hiệu thị giá trị Input BIPOLAR, trạng thái tín hiệu thị giá trị Input UNBIPOLAR Kết SCALE Giá trị trả W#16#0000 dẫn lệnh không bị lỗi Thông tin lỗi: Nếu giá trị integer đầu vào lớn K2 đâu (OUT) giữ mức HI_LIM báo lỗi Nếu giá trị integer đầu vào thấp K1 đầu giữ mức LO_LIM báo lỗi Trạng thái tín hiệu ENO RET_VAL với W#16#0008 Từ yêu cầu tốn ta có đồ thị mối liên hệ Đầu vào số (y) 27648 Đầu analog (x)mA 10 20 Sự biến đổi giá trị đầu vào số sang tương tự biến đổi – (tuyến tính) Vì vậy, mối quan đầu vào đầu hồn tồn tuyến tính có dạng đường thẳng: y= 138.4x Dễ dàng tính giá trị đầu analog biết giá trị đầu vào số Công thức: OUT=[((FLOAT(IN)-K1)/(K2-K1))*(HI_LIM-LO_LIM)]+ LO_LIM 2.6 Xây dựng phần mềm 2.7 Giao diện HMI 2.7.1 Hệ thống chưa khởi động đèn STOP sáng Hình 2.7.13 hệ thống chưa khởi động 2.7.2 Hệ thống khởi động, bơm hoạt động, mức nước tank thấp Hình 2.7.14 Hệ thống khởi động 2.7.3 Xảy áp đèn báo áp suất cao sáng, bơm dừng lại, van xả Hình 2.7.15 Hệ thống xảy áp 2.7.4 Mức nước tank cao, xảy áp, bơm dừng lại van xả Hình 2.7.16 Mức nước cao, xảy áp