4.4.1. Mục đích thí nghiệm
Xác định các thông số của HTĐK áp suất nguồn;
Xác định một số quan hệ thực nghiệm trong mạch tích lũy năng lƣợng và tái sử dụng để hỗ trợ chuyển động của LHM;
Đánh giá một số tính chất động lực học và điều khiển của HTTL neo giữ.
4.4.2. Yêu cầu của mô hình thí nghiệm
Tái hiện đƣợc các trạng thái làm việc tƣơng tự ngoài hiện trƣờng;
Điều khiển đƣợc các trạng thái làm việc tƣơng tự ngoài hiện trƣờng;
Tự động điều khiển áp suất hệ thống, không đổi không phụ thuộc biến động áp suất, lƣu lƣợng do tải trọng hoặc nguồn thủy lực;
Đánh giá đƣợc khả năng thu hồi động năng khi xuống dốc và hỗ trợ chuyển động lên dốc của bộ phận tích lũy năng lƣợng;
Chi phí thí nghiệm phù hợp với điều kiện nghiên cứu ở Việt Nam.
4.4.3. Sơ đồ mạch thủy lực của mô hình thí nghiệm
Trên cơ sở sơ đồ mạch thủy lực neo giữ LHM vận xuất gỗ cỡ nhỏ (hình 4.31), nghiên cứu sinh đã xây dựng một sơ đồ mạch thủy lực thí nghiệm thỏa mãn các yêu cầu đã đặt ra nhƣ hình 4.31.
Bơm dầu số 1 đƣợc dẫn động từ động cơ Diesel 18 mã lực, qua bộ truyền có số vòng quay là 1500v/ph. Động cơ thủy lực đƣợc lựa chọn là động cơ dẫn động tời RE 540 có thể quay 2 chiều với thể tích làm việc VM=450,6cm3/vòng. Các số liệu trên đây phù hợp với HTTL điều khiển neo giữ LHM vận xuất gỗ cỡ nhỏ trên cơ sở máy kéo Kubota L3408 dẫn động bơm từ trục trích công suất (KUBOTA Corporation, 2009a; KUBOTA Corporation, 2009b). Mô tơ thủy lực kéo tời có thể tạo chuyển động phù hợp với vận tốc LHM nhỏ hơn 1,7m/s. Các
77
van phân phối 16, 17, 18 có thể điều khiển chuyển mạch các trạng thái chuyển động của LHM. Để tái hiện chuyển động xuống dốc và tạo tải tái hiện trạng thái lên dốc, mô hình đƣợc bố trí thêm một mô tơ thủy lực cùng cỡ để dẫn động nhả tời và điều khiển mô men phanh tạo tải. Ngoài bộ tích áp giảm xung 7, trên mô hình còn bố trí một bộ tích áp 9 có dung tích 25 lít để tích lũy áp suất tạo bởi động năng của LHM khi xuống dốc. Để điều khiển phanh trục tời trong những trƣờng hợp cần thiết, còn đƣợc bổ sung một mạch điều khiển phụ với bơm số 19 và van phân phối 15.
1 và 19. Bơm thủy lực; 2 và 20. Van giới hạn áp suất, 3. Van đóng ngắt; 4. Bộ điều khiển xung PWM; 5. Bộ điều khiển điện áp; 6. Cảm biến áp suất; 7. Tích áp giảm xung; 8. Van đóng ngắt điều khiển chế độ tích lũy năng lƣợng; 9. Bộ tích lũy năng lƣợng; 10. Van giới hạn áp suất tích áp; 11 và 15. Van chuyển mạch điều khiển phanh trục tời; 12. Phanh thủy
lực; 13 và 14. Mô tơ thủy lực; 16, 17 và 18. Van chuyển mạch các trạng thái chuyển động.
Hình 4.31. Sơ đồ mạch thủy lực của mô hình thí nghiệm
Dựa vào sơ đồ mạch thủy lực, nghiên cứu sinh đã triển khai mua sắm linh kiện, thiết bị và tiến hành lắp đặt hoàn chỉnh toàn bộ mô hình hệ thống thiết bị để có thể tổ chức thí nghiệm với các trạng thái điển hình tƣơng ứng khi LHM làm việc thực tế trên hiện trƣờng. HTĐK thiết bị đƣợc kết nối với máy tính và dữ liệu
78
đƣợc xử lý bằng phần mềm LabVIEW. Thiết bị thí nghiệm đƣợc thể hiện ở hình 4.32
1. Động cơ Diesel; 2. Bơm dầu; 3. Van giới hạn áp suất; 4. Các van phân phối; 5. Cảm biến lƣu lƣợng;
6. Van điều khiển áp suất; 7. Tích áp lƣu lƣợng; 8. Tích áp giảng xung; 9. Đồng hồ áp suất; 10. Cảm biến áp suất; 11. Cụm điều khiển điện; 12. Máy tính; 13. Mô tơ thủy lực; 14. Thùng dầu.
Hình 4.32. Thiết bị thí nghiệm 4.4.4. Hệ thống đo và xử lý số liệu 4.4.4. Hệ thống đo và xử lý số liệu
4.4.4.1. Bộ gom dữ liệu và chuyển đổi tín hiệu
Trong quá trình thí nghiệm các tín hiệu cảm biến phải đƣợc thu thập và xử lý tức thời để điều khiển hệ thống tời thủy lực. Tín hiệu ra của các cảm biến bao gồm tín hiệu số, tín hiệu tƣơng tự (cảm biến áp suất) và tín hiệu điều khiển van thủy lực có dạng xung. Việc lựa chọn Modun kết nối các phần tử của thí nghiệm với máy tính điều khiển là rất quan trọng, ảnh hƣởng trực tiếp tới chất lƣợng (độ trễ, độ ổn định) của quá trình điều khiển. Modun kết nối cần đáp ứng các yêu cầu:
+ Dải tín hiệu vào phải đủ rộng, phù hợp với tín hiệu ra của cảm biến; + Độ nhạy cao, tần số lấy mẫu lớn;
+ Có ít nhất bốn cổng xuất tín hiệu điều khiển; + Khả năng tƣơng thích mạch điều khiển công suất; + Khả năng chống nhiễu tốt;
+ Tƣơng thích với các phần mềm thí nghiệm kỹ thuật (LabVIEW); + Kết nối với máy tính đơn giản.
79
Trên cơ sở yêu cầu kỹ thuật của thí nghiệm và sự phân tích, đánh giá các thiết bị trên thị trƣờng, lựa chọn modun Arduino Uno R3. Arduino một nền tảng mã nguồn mở phần cứng và phần mềm (Enrique & cs., 2012).
Hình 4.33. Board mạch Arduino Uno
Nguồn: Enrique & cs. (2012)
Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở đƣợc thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit. Những Model hiện tại đƣợc trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tƣơng thích với nhiều board mở rộng khác nhau.
Bảng 4.7. Các thông số của Arduino Uno R3
TT Thông số Giá trị
1 Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit
2 Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ đƣợc cấp qua cổng USB)
3 Tần số hoạt động 16 MHz
4 Dòng tiêu thụ khoảng 30mA
5 Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC 6 Điện áp vào giới hạn 6-20V DC
7 Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM) 8 Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit) 9 Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA
10 Dòng ra tối đa (5V) 500 mA 11 Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA
12 Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader
80
Môi trƣờng phát triển tích hợp (IDE) của Arduino là một ứng dụng cross- platform (đa nền tảng) đƣợc viết bằng Java, và từ IDE này sẽ đƣợc sử dụng cho ngôn ngữ lập trình xử lý.
Hình 4.34. Sơ đồ kết nối Arduino với máy tính
Nguồn: Nguyễn Công Thuật (2014)
Board mạch Arduino Uno R3 đƣợc dùng để tiếp nhận dữ liệu từ các cảm biến truyền về, sau đó vi xử lý tiến hành xử lý theo chƣơng trình nạp sẵn rồi cung cấp tín hiệu điều khiển đến cơ cấu chấp hành. Căn cứ vào các thông số kỹ thuật của từng loại cảm biến (áp suất, tốc độ, nhiệt độ, lƣu lƣợng) một chƣơng trình đƣợc lập và nạp lên vi xử lý của board mạch Arduino.
Khi vận hành thiết bị, các tín hiệu tƣơng tự từ các cảm biến đƣợc arduino tiếp nhận và xử lý đồng thời arduino cũng phát ra các tín hiệu số để điều khiển các cơ cấu chấp hành nhƣ các van thủy lực, các van điều khiển áp suất.
Bộ điều khiển p/u đƣợc tích hợp trên board mạch của Arduino Uno R3 là nơi tổng hợp tín hiệu điều khiển và tín hiệu phản hồi để truyền tín hiệu thích hợp đến van điều khiển điện.
Hình 4.35. Bộ điều khiển p/u
81
Tín hiệu điều khiển và tín hiệu phản hồi đến các cực đƣợc thực hiện thuật toán "+" hoặc "-" với chức năng của điểm tụ: Uv = Ur - Up. Tuy nhiên giới hạn của điện áp vào và phản hồi phải tƣơng thích, nếu không tƣơng thích thì phải hiệu chỉnh bộ đo điện áp để thực hiện bù trừ sự không tƣơng ứng đó.
Để điều khiển tự động vị trí đóng, ngắt của van điều khiển, việc sử dụng bộ điều khiển p/u có nhiều ƣu điểm và phù hợp (Will & Gebhardt, 2008) và quan hệ giữa thông số vào và ra của bộ điều khiển có dạng:
Trong đó: Ustell: Điện áp điều khiển (V) Usoll: Điện áp so sánh (V) Uist: Điện áp chuyển đổi (V)
Theo Nollau (2009) hệ số phù hợp cho điều khiển thủy lực là KPR=20V/V và TR = 12ms.
4.4.4.2. Phần mềm điều khiển và xử lý dữ liệu
Chƣơng trình điều khiển HTTL có thể đƣợc thiết kế trên cơ sở các phần mềm lập trình khác nhau, các phần mền máy tính hiện đại đƣợc xây dựng cho mục đích thu thập dữ liệu và điều khiển, điển hình C++, Matlab/Simulink, và LabVIEW…
LabVIEW là một môi trƣờng phát triển dựa trên ngôn ngữ lập trình đồ họa, thƣờng sử dụng cho mục đích đo lƣờng, kiểm tra, đánh giá, xử lý và điều khiển các tham số của thiết bị. Việc xây dựng giao diện ngƣời dùn bằng cách thiết lập các công cụ và các đối tƣợng. Giao diện ngƣời dùng đƣợc hiểu nhƣ là một khung trƣớc sau đó mã hóa, lập trình vào trong sơ đồ khối để điều khiển các đối tƣợng ở trên front panel. LabVIEW đƣợc tích hợp đầy đủ các chức năng giao tiếp với các phần cứng GPIB, VXI, PXI, RS-232, RS-485, các thiết bị thu nhận dữ liệu…
Với nhƣng ƣu điểm vƣợt trội về tính năng và mức độ đơn giản trong lập trình nên trong thí nghiệm này lựa chọn LabVIEW 8.5 làm phần mềm điều khiển.
4.4.4.3. Kết nối máy tính với Card điều khiển
Để LabVIEW giao tiếp đƣợc với phần cứng, cần xây dựng chƣơng trình nhằm tìm kiếm thiết bị trên cơ sở các thông số của nhà sản xuất, thiết kế các modul ghi và đọc dữ liệu trên các cổng giao tiếp của phần cứng. Sơ đồ và chƣơng trình kết nối với card điều khiển đƣợc thể hiện trên hình 4.37.
82 Tìm kiếm thiết bị Khởi chạy thiết bị Ghi các thông số đầu ra Đọc thông số vào Bắt đầu
Hình 4.37. Sơ đồ chƣơng trình kết nối với card điều khiển
Tìm kiếm thiết bị: Thực hiện vòng lặp tìm kiếm thu thập dữ liệu (DAQ) thiết bị bắt đầu chƣơng trình kết nối với máy tính, lựa chọn và ấn Read để chuyển sang tác vụ tiếp theo. Khởi chạy thiết bị: Thực hiện hàm khởi tạo tác vụ đọc DAQ. Ghi các thông số đầu ra: Sử dụng hàm DAQ Write. Đầu vào của hàm gồm: Mảng lƣu trạng thái, của cổng 8 đầu ra, tần số xuất PWM- tính theo Hz, Chu kỳ PWM từ 0% đến 100%, Đầu vào thiết bị và tín hiệu Debug. Đọc các thông số đầu vào: Sử dụng hàm DAQ Read, đầu ra của hàm gồm: chuỗi ký tự lƣu toàn bộ thông tin DAQ xuất ra, mảng các giá trị Analog, mảng các giá trị Digital.
Chƣơng trình điều khiển thực hiện các chức năng: Thu nhận các tín hiệu điều khiển và cảm biến, xử lý và điều khiển HTTL để xác định giá trị áp suất của chất lỏng trong quá trình thí nghiệm. Chƣơng trình đƣợc thiết lập và kết nối trên cơ sở các khối, phần tử trong thƣ viện của phần mền LabVIEW, gồm các chức năng cơ bản bao gồm:
+ Khởi chạy, kiểm tra kết nối của thiết bị; + Thực hiện chức năng an toàn;
+ Đọc các giá trị cảm biến;
+ Xử lý, chuyển đổi về đại lƣợng chuẩn; + Thực hiện điều khiển chế độ bằng tay; + Thực hiện điều khiển chế độ tự động;
+ Tính toán, so sánh với các giá trị mẫu ứng với các điều kiện cụ thể; + Xuất xung điều khiển trên cơ sở thuật toán điều khiển hai điểm; + Hiện thị các kết quả dƣới dạng đồ thị trên màn hình máy tính.
Trong LabVIEW ta xây dựng giao diện ngƣời sử dụng bằng việc thiết lập các công cụ và các đối tƣợng. Giao diện ngƣời sử dụng đƣợc hiểu nhƣ là một front panel rồi sau đó ta đƣa code vào trong sơ đồ khối để điều khiển các đối tƣợng ở trên front panel. Sơ đồ khối cũng có thể hiểu giống nhƣ một lƣu đồ thuật toán.
83
- LabVIEW đƣợc tích hợp đầy đủ các chức năng giao tiếp với các phần cứng GPIB, VXI, PXI, RS-232, RS-485, các thiết bị thu nhận dữ liệu. LabVIEW cũng xây dựng các đặc trƣng cho việc kết nối các ứng dụng của ta với Web sử dụng LabVIEW Web Server và chuẩn mạng TCP/IP và Active X.
- LabVIEW đƣợc dùng nhiều trong các phòng thí nghiệm, lĩnh vực khoa học kỹ thuật nhƣ tự động hóa, điều khiển, điện tử, cơ điện tử, hàng không, hóa sinh, điện tử y sinh,... Hiện tại ngoài phiên bản LabVIEW cho các hệ điều hành Windows, Linux, Hãng NI đã phát triển các mô-đun LabVIEW cho máy hỗ trợ cá nhân.
Hình 4.38. Đồ thị biến đổi bề rộng xung
Các chức năng chính của LabVIEW có thể tóm tắt nhƣ sau:
- Thu thập tín hiệu từ các thiết bị bên ngoài nhƣ cảm biến nhiệt độ, hình ảnh từ webcam, vận tốc của động cơ, ...
- Giao tiếp với các thiết bị ngoại vi thông qua nhiều chuẩn giao tiếp thông qua các cổng giao tiếp: RS232, RS485, USB, PCI, Ethernet Mô phỏng và
84
xử lý các tín hiệu thu nhận đƣợc để phục vụ các mục đích nghiên cứu hay mục đích của hệ thống mà ngƣời lập trình mong muốn.
- Xây dựng các giao diện ngƣời dùng một cách nhanh chóng và thẩm mỹ hơn nhiều so với các ngôn ngữ khác nhƣ Visual Basic, Matlab,..
- Cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển nhƣ PID, Logic mờ (Fuzzy Logic), một cách nhanh chóng thông qua các chức năng tích hợp sẵn trong LabVIEW. Cho phép kết hợp với nhiều ngôn ngữ lập trình nhƣ C, C++
,... Với Arduino Uno R3 cho phép biến đổi điều chế bề rộng xung với độ phân giải 8 bit. Việc tạo xung trong arduino đƣợc thực hiện dễ dàng nhờ lệnh analogWrite() để truyền tham số thay đổi chu kỳ. Điện áp nguồn cung cấp cho Arduino có thể lấy trực tiếp từ cổng USB lắp vào máy tính hoặc nguồn 1 chiều có điện áp từ 9VDC đến 24VDC.
4.4.4.4. Cảm biến áp suất
Trong mô hình thí nghiệm có sử dụng 2 cảm biến áp suất hiệu Firstrate FST800-2100 chịu đƣợc áp suất đến 35MPa (350bar). Các cảm biến này đƣợc lắp trực tiếp vào mạch thủy lực để xác định áp suất dầu thủy lực tại vị trí lắp và tín hiệu truyền về bộ gom là tín hiệu điện áp từ 0 đến 10V và dòng điện tƣơng ứng từ 4 đến 20mA đƣợc lắp trực tiếp lên board mạch arduino uno R3. Nguồn điện cung cấp để cảm biến hoạt động từ 12VDC đến 30VDC. Loại cảm biến này dễ dàng lắp vào HTTL cũng nhƣ dễ tìm mua trên thị trƣờng với chi phí thấp.
Hình 4.39. Cảm biến áp suất
85
Bảng 4.8. Thông số kỹ thuật của cảm biến áp suất
TT Thông số Giá trị
1 Thƣơng hiệu Firstrate
2 Ký hiệu sản phẩm FST800-2100
3 Áp suất 100kPA-35MPa
4 Dòng điện 4-20mA
5 Điện áp 12-36VDC
6 Nhiệt độ làm việc 40-850C
7 Xuất xứ Trung Quốc
Để có dữ liệu sát với từng vị trí khi thí nghiệm các phƣơng án, mô hình đƣợc lắp 2 cảm biến áp suất có chủng loại giống nhau. Một cảm biến cung cấp tín hiệu áp suất cung cấp cho mô tơ kéo tời và một cảm biến lắp tại cơ cấu phanh (mô tơ tạo tải). Cả hai đều cung cấp tín hiệu về arduino và chƣơng trình đọc dữ liệu này đƣợc lập khá đơn giản bằng ngôn ngữ lập trình C++. Điểm mạnh khi dùng Arduino là việc thay đổi các cảm biến có thông số kỹ thuật khác nhau (do các điều kiện tải trọng hoặc do khả năng trang bị các cảm biến) là rất linh hoạt. Chỉ cần thay đổi chƣơng trình cho tƣơng thích rồi nạp lại cho board mạch của Arduino là có thể hoạt động tốt.
4.4.4.5. Cảm biến số vòng quay
Để xác định tốc độ của bơm dầu cung cấp cho hệ thống, cảm biến tốc độ đƣợc dùng là loại cảm biến quang rất dễ tìm trên thị trƣờng và chi phí không đáng kể. Với cảm biến này, cần thiết kế và lắp thêm đĩa kim loại quay đồng trục với trục bơm. Tín hiệu từ cảm biến quang cũng đƣợc đƣa về board mạch Arduino tƣơng tự tín hiệu áp suất.
Hình 4.40. Cảm biến quang chữ U
86
Để có dữ liệu làm căn cứ tính toán các giá trị cần thiết, trên mô hình dùng 2