Từ mô hình bình trộn có thể thấy mô hình thí nghiệm được xem như là một hệ MIMO (Multi-Input Multi-Output) với 2 đầu vào, 2 đầu ra và có ảnh hưởng của tác động
Hình 2.10: Mô hình hệ đa biến MIMO 2 đầu vào, 2 đầu ra.
Trong mô hình trên:
- là hàm truyền thể hiện quan hệ giữa và . - là hàm truyền thể hiện quan hệ giữa và . - là hàm truyền thể hiện quan hệ giữa và . - là hàm truyền thể hiện quan hệ giữa và . Từ hình 3.3, ta có hàm ma trận biến vào ra như sau:
(2.14)
Như vậy hàm truyền thể hiện sự xen kênh giữa nhánh 2 với nhánh 1 và thể hiện sự xen kênh giữa nhánh 1 với nhánh 2. Nhiệm vụ của ta là phải loại bỏ sự xen kênh này. Chính vì vậy ta thêm vào cấu trúc của hệ ma trận D của bộ tách kênh như sau:
Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý bộ tách kênh.
(Đây là sơ đồ nguyên lý bộ tách kênh dựa theo lý thuyết được đưa ra bởi Luyben vào năm 1970).
(2.15) Thay phương trình (3.13) vào phương trình (3.12):
(2.16)
Theo lý thuyết tách kênh của Luyben (1970), sau khi thực hiện tách kênh thì Y1 chỉ phụ thuộc W1 theo hàm truyền G11 và Y2 chỉ phụ thuộc W2 theo hàm truyền G22. Suy ra:
= (2.17)
Từ phương trình (3.15) viết dưới dạng đại:
Giải hệ phương trình ta được:
(2.18)
Nhận xét:
Khi sử dụng phương pháp thiết lập bộ tách kênh này thì hàm truyền đạt ban đầu của hệ thống vẫn được giữ nguyên trong khi ảnh hưởng của các tác động xen kênh bị loại bỏ. Đây là một ưu điểm rất lớn của phương pháp vì sau khi thêm bộ tách kênh ta không cần phải tính toán lại hàm truyền đạt cho đối tượng mới như những phương pháp tách kênh khác. Do đó, bộ điều khiển tính toán cho đối tượng ban đầu vẫn có thể áp dụng một cách hiệu quả cho đối tượng sau khi đã thêm bộ tách kênh.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Chƣơng 3
GIỚI THIỆU BÀN THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 3.1. Cấu trúc phần cứng
3.1.1. Cấu trúc mô hình
Trước khi đi xây dựng, ta phải xác định được cấu trúc tổng quan của mô hình từ đó xác định được số lượng thiết bị cần sử dụng và lựa chọn các thiết bị:
Hình 3.1. Cấu trúc tổng quan mô hình
Từ cấu trúc tổng quan của hệ thống ta thấy sơ đồ sử dụng 1 bình nước nóng, 1thùng chứa nước lạnh, 1 bình trộn, 1 cảm biến đo mức, 4 van tay, 3 van từ, 3 van điều khiển, 3 cảm biến đo mức và 3 cảm biến đo nhiệt độ. Các thiết bị được bố trí như sau:
- OUT PUMP : bơm nước bình trộn ra.
- MV1 : Van tay đóng mở bằng tay dòng nước nóng. - SV1 : Van từ đóng mở tự động dòng nước nóng. - FT1 : Thiết bị đo lưu lượng dòng nước nóng. - CV1 : Van điều khiển điều chỉnh dòng nước nóng. - TT1 : Thiết bị đo nhiệt độ dòng nước nóng.
- MV2 : Van tay đóng mở bằng tay dòng nước lạnh. - SV2 : Van từ đóng mở tự động dòng nước lạnh. - FT2 : Thiết bị đo lưu lượng dòng nước lạnh. - CV2 : Van điều khiển điều chỉnh dòng nước lạnh. - TT2 : Thiết bị đo nhiệt độ dòng nước lạnh.
- MV3 : Van tay đóng mở bằng tay dòng nước ra. - SV3 : Van từ đóng mở tự động dòng nước ra. - FT3 : Thiết bị đo lưu lượng dòng nước ra. - CV3 : Van điều khiển điều chỉnh dòng nước ra. - TT3 : Thiết bị đo nhiệt độ trong bình trộn.
- MV4 : Van tay đóng mở bằng tay dòng nước trước khi vào bình nước nóng. Từ mô hình tổng quan ta có thể xác định được số lượng thiết bị cần sử dụng và lựa chọn các thiết bị như sau:
3.1.2. Thiết bị chấp hành
a) Van điều khiển (Control Valve)
Trong mô hình thí nghiệm ta sử dụng 3 van điều khiển. Van điều khiển dùng trong mô hình thí nghiệm là van điện có chốt xoay hình trụ ECV–250B–4X của hãng OMEGA.
Hình 3.2. Hình dáng và cấu trúc bên trong của van điều khiển ECV–250B–4X.
Thông số kỹ thuật của van:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
- Kích thước ống : ½ NPT. - Áp suất lớn nhất : 120 psi.
- Lưu lượng qua van lớn nhất (ở áp suất 50 psi): 4 gal/min. - Nhiệt độ làm việc cho phép: -22oC đến 120o
C.
- Tín hiệu điều khiển : 4-20mA hoặc 1-5VDC (cho phép người dùng có thể lựa chọn).
- Nguồn cấp yêu cầu : 12-24 VDC; 1,5A. - Công suất tiêu thụ lớn nhất: 23W.
- Cơ cấu chấp hành: Động cơ bước 200 bước/vòng, tốc độ 45 vòng/phút.
Bảng 3.1 Chức năng của các dây trong van điều khiển.
Màu dây Thứ tự dây Chức năng của dây
Trắng 1 4-20mA hoặc 1-5V (+)
Đen 2 4-20mA hoặc 1-5V (-)
Đỏ 3 +12 hoặc 24VDC
Đỏ trắng 4 COM
Xanh cây 5 OPEN FULL
Xanh trắng 6 CLOSE FULL
Xanh lam 7 SWITCH COMMON
b) Van từ SV (Solenoid Valve)
Mô hình này ta dùng 3 van từ. Chọn van từ SV6003 của hãng OMEGA.
Hình 3.3. Hình ảnh thực tế của van từ.
- Kích thước ống : inc (12,7 mm). - Kích thước van Cv : 1,7.
- Thời gian nhả : 200 ms.
- Thời gian hút : 500 ms. - Tần số hút-nhả : 50 lần/phút.
- Nguồn cấp cho cuộn hút: 110–120 VAC/50Hz. - Công suất cuộn hút : 8W.
Để điều khiển hoạt động đóng mở của van từ và các bơm ta sử dụng 5 rơle điều khiển MY4N của hãng OMRON.
Thông số kỹ thuật của rơle:
- Có 4 cặp tiếp điểm thường đóng, 4 cặp thường mở.
- Dòng đóng cắt : 5A.
- Nguồn cấp : 24VDC hoặc 110/220VAC.
Hình 3.4. Hình ảnh thực tế về Rơle MY4N của hãng OMRON.
3.1.3. Thiết bị đo
a) Thiết bị đo mức (LT – Level Transmister)
Mô hình sử dụng cảm biến đo mức theo phương pháp siêu âm LVU-90 của hãng OMEGA.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 3.5. Hình ảnh và kích thước của cảm biến mức.
Thông số kỹ thuật:
- Phạm vi đo : 3,6 inches – 72 inches (tương đương từ 9cm đến 183cm). - Dải đo : 68,4 inches (174cm).
- Độ phân giải : 0,125 inches (3mm). - Độ chính xác : ± 0,25% dải đo.
- Tín hiệu ra : 4-20 mA, 12-36 VDC. - Nhiệt độ làm việc: từ -40oC đến 60o
C.
Sơ đồ đấu nối cảm biến với thiết bị điều khiển trên hình 2.5.
Hình 3.6. Sơ đồ đấu nối các dây của cảm biến với bộ điều khiển.
Nối chân (+) của LVU-90 với đầu (+) nguồn 1 chiều, chân (-) của LVU-90 với đầu vào analog input của bộ điều khiển.
b) Thiết bị đo nhiệt (TT – Temperature Transmister)
Mô hình sử dụng thiết bị đo nhiệt là loại nhiệt kế điện trở CF-000-RTD-4-60-2 của hãng OMEGA.
Hình 3.7. Hình ảnh thiết bị đo nhiệt.
Thông số kỹ thuật: - Phạm vi đo : 2oC– 482oC. - Dải đo : 480oC. - Độ phân giải : 0,25o C. - Độ chính xác : ± 0,25% dải đo. - Tín hiệu ra : 4-20 mA, 12-36 VDC.
- Que đo dạng thẳng, có kèm bộ Quick Disconnect.
- Kích thước que đo 4 inches (10cm), chiều dài cáp 60 inches (1,5m).
Đầu dây (+) của cảm biến đấu với đầu ra nguồn 24VDC từ bộ điều khiển, đầu (-) của cảm biến đấu với đầu vào 20mA Analog input của bộ điều khiển. Đầu GND là dây nối đất bảo vệ.
c) Thiết bị đo lưu lượng (FT – Flow Transmister)
Mô hình sử dụng lưu lượng kế kiểu phao FLR6302D của hãng OMEGA.
Hình 3.8. Hình ảnh lưu lượng kế FLR6302D của hãng OMEGA.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Thông số kỹ thuật:
- Phạm vi đo : 0,2 đến 2 gallon/phút. - Dải đo : 1,8 gallon/phút. - Độ phân giải : 0,02 gallon/phút. - Độ chính xác: ± 2% dải đo.
- Nguồn cấp yêu cầu: 10-30 VDC - 0,75W.
- Tín hiệu ra có thể chọn một trong các chuẩn sau:
4-20 mA, 10-30 VDC (khoảng cách truyền giới hạn bởi điện trở cáp). 0-5VDC hoặc O-10VDC (truyền xa tối đa 300m).
- Nhiệt độ làm việc: -29oC đến 116o
C.
Hình 3.9. Sơ đồ chức năng các chân của thiết bị đo mức.
Đầu (+) 4-20 mA được nối với chân cấp nguồn 24VDC cho cảm biến của bộ điều khiển, còn đầu (-) 4-20 mA được nối với đầu vào tương tự của bộ điều khiển.
3.1.4. Bộ điều khiển AC800M
Bộ điều khiển AC800M gồm các đơn vị phần cứng sau:
- Khối xử lý CPU unit (với một số loại như PM856, PM860, PM861 …), ngoài ra có thể gắn thêm các khối CPU unit dự phòng để đảm bảo độ tin cậy cho quá trình khi gặp sự cố hay sửa chữa đối với khối CPU chính. Trong luận văn này sử dụng khối xử lý PM856.
- Khối giao diện truyền thông cho các giao thức khác nhau (CI851, CI852 …). Do phạm vi hoạt động của mô hình là nhỏ, không sử dụng tới các giao tiếp truyền thông, do đó trong luận văn này ta không sử dụng khối truyền thông này.
- Khối nguồn cấp các mức điện áp khác nhau (với các loại như SD821, SD823 …), trong mô hình này ta sử dụng nguồn SD823 cấp nguồn 24V chuẩn cho bộ điều khiển.
Bảng 3.2. Các thông số kỹ thuật của bộ nguồn SD823.
Dòng điện ra 10A
Điện áp ra 24VDC
Công suất đầu ra 240W
Công suất đầu vào 265W
Điện áp đầu vào 115/230VAC
Hiệu suất 90%
Dòng ra cao nhất 20A
Cầu chì bảo vệ Idm = 20A
- Khối pin giúp lưu trữ chương trình trong bộ nhớ (SB821). - Khối module I/O kết nối bộ điều khiển với các tín hiệu vào ra.
Một số đặc điểm khác của bộ điều khiển AC800M:
- Có pin (pin trong và pin ngoài) cấp điện cho bộ nhớ lưu trữ chương trình và CPU dự phòng (khi pin hay CPU chính gặp sự cố).
- Khối I/O System có thể kết nối tối đa với 12 module.
- Ngoài tín hiệu kết nối vào/ra dạng điện, bộ điều khiển còn có thể sử dụng tín hiệu kết nối vào/ra dạng quang (Optical). Trong luận văn chỉ sử dụng phương pháp kết nối bằng tín hiệu điện.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Bảng 3.3. Các thông số kỹ thuật của bộ điều khiển.
Thông số kỹ thuật chung
CPU MPC 856, 48MHz
Bộ nhớ 2MB flash PROM, 8MB SDRAM
Điện năng tiêu thụ 5W
Dòng tiêu thụ 180 mA (tối đa 300mA)
Đầu nối nguồn vào 4 đầu nối có vít, bao gồm L+, L-, SA, SB
Yêu cầu nguồn cấp 24VDC (dao động 19-30VDC) nối vào chân L+và L-
Kích thước W 119 x H 186 x D 135mm
Trọng lượng 1100g
Cổng truyền thông CN1 và CN2 Ethernet
Tốc độ truyền 10Mb/s (half duplex)
Đầu nối RJ45
Electrical Module Bus
Số lượng module I/O 12 module S800I/O
Nguồn cấp 24VDC, 1A
Pin
Loại pin Low rate lithium 3,6VDC – 950 mAh
Thời lượng pin 48 giờ
Các khối ghép nối vào ra
Từ đặc tính các thiết bị đã ở trên, ta thống kê được số lượng các đầu vào ra của các thiết bị cần nối với bộ điều khiển qua bảng số liệu sau:
Bảng 3.4. Bảng thống kê số lượng đầu vào/ra của bộ điều khiển.
Tên thiết bị Tín hiệu Đầu vào/ra Số lƣợng
Cảm biến mức LT 4-20mA Analog input 1
Cảm biến nhiệt độ TT 4-20mA Analog input 3
Cảm biến lưu lượng FT 4-20mA Analog input 3
Van điều khiển CV 4-20mA Analog output 3
Van điều khiển CV On/Off Digital output 3*2
Van từ SV On/Off Digital output 3
Như vậy từ bảng trên ta thấy I/O vào ra của bộ điểu khiển cần có là 7 tín hiệu AI (Analog input), 3 tín hiệu AO (Analog output), và 11 tín hiệu DO (Digital output).
Trong luận văn này sẽ sử dụng 3 module vào/ra S800: 1 khối ra số DO810 với 16 channel, 1 khối ra tương tự AO801với 8 channel và 1 khối vào AI810 cũng có 8 channel.
a) Khối đầu ra số DO801
Bảng 3.5. Thông số kỹ thuật của modul DO810.
Số kênh đầu ra 16
Loại đầu ra Nguồn dòng
Dải điện áp ra 12-32 VDC
Dòng tải cho phép 0,5 A
Dòng ngắn mạch cho phép 2,4 A
Trở kháng ra 0,4 Ω
Chiều dài cáp cho phép 600 m
Dòng điện tiêu thụ (5V) 80 mA
Nhiệt độ làm việc 50oC
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ b) Khối đầu ra tương tự AO801
Bảng 3.6. Thông số kỹ thuật của AO801
Số kênh tín hiệu 8
Dải tín hiệu ra 0-20 mA hoặc 4-20 mA
Vượt dải 15%
Tải đầu ra cho phép 850 Ω
Độ phân giải 12 bit
Tải tiêu thụ 3,8 W
Dòng tiêu thụ cực đại 24V 200 mA
Chiều dài cáp cho phép 600 m
Nhiệt độ làm việc 50oC
.
c) Khối đầu vào tương tự AI810
Bảng 3.7. Thông số kỹ thuật khối đầu vào tương tự AI810.
Số kênh đầu vào 8
Dải tín hiệu vào 0-20 mA; 4-20mA; 0-10 hoặc 2-20 VDC
Độ phân giải 12 bit
Dòng điện tiêu thụ ở 24V 40 mA
Công suất tiêu thụ 1,5 W
Trở kháng đầu vào (tín hiệu dòng) 230Ω đến 275Ω
Thời gian trích mẫu 5ms
Hình 3.13. Hình ảnh của khối đầu vào tương tự AO810.
Sau khi ghép nối bộ điều khiển với các khối vào ra ta được hình ảnh trong thực tế của bộ điều khiển hoàn chỉnh:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3.1.5. Các thiết bị khác a) Bình nóng lạnh - Hãng ARISTON. - Công suất : 2500W. - Dung tích : 30 lít. - Nguồn cấp : 220V, 50Hz. b) Bơm (PUMP)
Mô hình sử dụng bơm của hãng SELTON và hãng KUTA với thông số: - Công suất : 125W.
- Điện áp : 220VAC.
- Lưu lượng : 30 l/phút.
- Sức đẩy : 33 m.
- Sức hút : 9 m.
- Có Rơle bảo vệ quá tải. c) Nguồn cấp
Để cấp điện cho toàn bộ hệ thống cần sử dụng tới 3 loại nguồn cấp:
- Nguồn xoay chiều 220V, 50Hz lấy từ lưới điện xoay chiều cấp trực tiếp cho bơm, bình nóng lạnh.
- Nguồn một chiều SD823 với đầu ra 24VDC, 10A chuẩn cấp cho bộ điều khiển, các thiết bị đo và van điều khiển.
- Nguồn xoay chiều 110V cấp cho van từ. Nguồn này được cấp từ máy biến áp sau khi chuyển hiệu điện thế từ lưới điện 220V xuống 110V.
d) Thùng chứa
Thùng chứa nước lạnh có thể tích khoảng 500 lít. Nước được làm mát tự nhiên nhờ sự tản nhiệt bằng đối lưu qua không khí. Do đó, việc làm mát nước là rất chậm, đây là một trong những điều khiến cho mô hình thí nghiệm không thực sự hoàn chỉnh. Lý do là vì sau một thời gian, nước trong thùng chứa sẽ nóng dần lên khiến cho nguồn nước lạnh không đảm bảo cho mô hình, sự biến thiên của nhiệt độ nước lạnh là rất lớn khiến cho dải điều khiển ngày càng bị thu hẹp lại.
3.1.6. Phân cổng vào/ra. Bảng đấu dây và sơ đồ đấu dây
Từ đặc tính các tín hiệu vào ra và việc lựa chọn các khối vào ra cho bộ điều khiển ta có thể tiến hành phân cổng vào ra cho các tín hiệu. Dưới đây là bảng phân cổng vào ra cho các tín hiệu trong mô hình:
Bảng 3.8. Bảng phân cổng vào ra cho các tín hiệu.
Đầu vào Analog Khối đầu vào tƣơng tự AI810
Cảm biến lưu lượng FT1 Channel 1
Cảm biến lưu lượng FT2 Channel 2
Cảm biến lưu lượng FT3 Channel 3
Cảm biến mức LT Channel 4
Cảm biến nhiệt độ TT1 Channel 5
Cảm biến nhiệt độ TT2 Channel 6
Cảm biến nhiệt độ TT3 Channel 7
Đầu ra Analog Khối đầu ra tƣơng tự AO801