Áp suất được xác định bởi lực do chất lỏng hoặc chất khí tạo nên trên một đơn vị bề mặt.
5.8.1. Cảm biến áp suất điện trở:
Hoạt động dựa trên đặc tính của tấm điện trở - giá trị điện trở của nĩ thay đổi dưới tác dụng của sức căng. Tấm điện trở trong loại cảm biến này là loại khơng kết dính.
(Hình 5.27: Cảm biến áp suất điện trở)
5.8.2. Cảm biến áp suất đàn hồi:
Phần tử đàn hồi (sơ cấp) bị biến dạng dưới tác động của áp suất. Sau đĩ, phần tử thứ cấp biến đổi lượng biến dạng thành đại lượng điện.
NGƠ HUỲNH ANH – PHẠM MẠNH HUY – PHẠM THẾ HÙNG – HỒNG ĐỨC LINH Trang 64 5.9. ĐO MỨC
Đo mực nước hoặc trọng lượng vật liệu trong bồn chứa là những vấn đề thường gặp trong quá trình cơng nghiệp.
Phương pháp đo trực tiếp: theo dõi bề mặt chất lỏng – dùng cơ cấu phao nối liền với các bộ phận hiển thị. Phương pháp này đơn giản và tin cậy, nhưng nĩ khơng tạo nên tín hiệu điều khiển dễ dàng.
Phương pháp đo gián tiếp: đo một biến khác mà cĩ liên quan đến mực nước – đo áp suất tĩnh ở điểm nào đĩ trong vùng thể tích. Phương pháp này dựa trên cơ sở áp suất tĩnh tỉ lệ thuận với khối lượng riêng và chiều cao của khối chất lỏng phía trên điểm đo.
p gh
f Mg ghA =
= −
Các loại cảm biến đo mức được chia thành hai loại:
- Rời rạc: chỉ cảm nhận mực nước ở một giá trị nhất định nào đĩ. - Liên tục: cho ra một tín hiệu tương tự tỉ lệ với mực chất lỏng.
(Hình 5.29: Cảm biến mức rời rạc)
NGƠ HUỲNH ANH – PHẠM MẠNH HUY – PHẠM THẾ HÙNG – HỒNG ĐỨC LINH Trang 65
Chương 6
CƠ CẤU TÁC ĐỘNG Nội dung:
6.1. Cơ cấu đĩng mở điện cơ 6.2. Phần tử tác động bán dẫn 6.2. Phần tử tác động bán dẫn
6.3. Phần tử tác động thủy lực - khí nén 6.4. Động cơ điện 6.4. Động cơ điện
Bộ điều khiển (Actuator) nhận tín hiệu vào từ những cơ cấu cảm biến (sau khi qua phần xử lý tín hiệu).
NGƠ HUỲNH ANH – PHẠM MẠNH HUY – PHẠM THẾ HÙNG – HỒNG ĐỨC LINH Trang 66
Bộ điều khiển xuất tín hiệu ra, tác động lên những phần tử đĩng/mở, phần tử tác động khí nén/thủy lực, van điều khiển quá trình, động cơ điện …Những phần tử này được phân vào nhĩm cơ cấu tác động.
6.1. CƠ CẤU ĐĨNG MỞ ĐIỆN CƠ 6.1.1. Cơng tắc cơ: (Mechanical switch)
Là thiết bị cĩ thể đĩng/mở theo đĩ mà dịng điện cĩ thể chạy qua hay khơng. Gồm nhiều dạng: cơng tắc cơ, nút nhấn, bộ cơng tắc DIP,...
- Cơng tắc cơ: đĩng/ngắt các tiếp điểm với hai hoặc ba trạng thái hoạt động.
(Hình 6.1: Các loại cơng tắc cơ)
- Nút nhấn: gồm hai loại là nút nhấn giữ trạng thái (nút nhấn NC/NO) và nút nhấn khơng giữ trạng thái (nút nhấn NO và nút nhấn NC).
(Hình 6.2: Các loại nút nhấn)
NGƠ HUỲNH ANH – PHẠM MẠNH HUY – PHẠM THẾ HÙNG – HỒNG ĐỨC LINH Trang 67
(Hình 6.3: Bộ cơng tắc DIP)
6.1.2. Rơ-le: (Relay)
Là thiết bị sử dụng lực điện từ để đĩng/ngắt các tiếp điểm – cơng tắc tác động bằng điện.
(Hình 6.4: Cấu tạo rơ-le và kí hiệu)
Tùy theo mục đích sử dụng, rơ-le cũng cĩ thể phân thành hai loại: rơ-le bảo vệ và rơ-le điều khiển. Rơ-le bảo vệ (rơ-le nhiệt, rơ-le điện áp, rơ-le dịng điện, rơ-le áp suất …) dùng để bảo vệ các mạch điện khỏi bị ảnh hưởng bởi các tác động khơng bình thường như quá tải, sụt áp …
NGƠ HUỲNH ANH – PHẠM MẠNH HUY – PHẠM THẾ HÙNG – HỒNG ĐỨC LINH Trang 68 6.1.3. Rơ-le thời gian: (Time-delay relay)
Rơ-le thời gian được thiết kế để trì hỗn thời gian đĩng/ngắt tiếp điểm khi được kích hoạt.
(Hình 6.6: Kí hiệu của Rơ-le thời gian ở những trường hợp khác nhau)
6.1.4. Cơng tắc tơ và khởi động từ: (Contactor and Motor starter)
Rơ-le cũng cĩ thể được cấu tạo dùng để đĩng/ngắt các mạch động lực, ví dụ như đĩng ngắt, hãm, đảo chiều, khĩa lẫn các thiết bị điện. Khi đối tượng là động cơ điện thì rơ-le được gọi là khởi động từ, những trường hợp khác thì được gọi là cơng tắc tơ.
NGƠ HUỲNH ANH – PHẠM MẠNH HUY – PHẠM THẾ HÙNG – HỒNG ĐỨC LINH Trang 69 6.2. PHẦN TỬ TÁC ĐỘNG BÁN DẪN
Các phần tử bán dẫn thường gặp trong hệ thống điều khiển làm nhiệm vụ đĩng/ngắt và khuếch đại.
6.2.1. Transistor lưỡng cực: (BJT – Bipolar junction transistor)
Transistor là một hệ thống gồm 3 lớp bán dẫn đặt tiếp giáp nhau, trong đĩ lớp ở giữa là loại bán dẫn cĩ tính dẫn điện khác với hai lớp bên cạnh. Transistor cĩ 3 điểm cực: cực gốc (B), cực thu (C), và cực phát (E).
Tùy theo trình tự sắp xếp các lớp bán dẫn P và N mà transistor cĩ hai loại là NPN và PNP.
(Hình 6.8: Hai loại điển hình của transistor)
Hoạt động cơ bản của transistor dựa trên những biểu thức sau:
C B E C B C D C CE I I I I I I P I V = = + = : hệ số khuếch đại dịng C I : dịng cực thu (A) B I : dịng cực gốc (A) E I : dịng cực phát (A) D
P : cơng suất tiêu hao (W)
CE
NGƠ HUỲNH ANH – PHẠM MẠNH HUY – PHẠM THẾ HÙNG – HỒNG ĐỨC LINH Trang 70
(Hình 6.9: Dịng điện ở hai loại transistor)
6.2.2. SCR: (Silicon-controlled rectifier)
SCR được cấu tạo bởi 4 lớp bán dẫn PNPN. Các tiếp xúc tạo ra 3 cực: cực A, cực K, và cực G.
(Hình 6.10: Cấu tạo và kí hiệu của SCR)
Mạch SCR đối với tải DC:
NGƠ HUỲNH ANH – PHẠM MẠNH HUY – PHẠM THẾ HÙNG – HỒNG ĐỨC LINH Trang 71
Mạch SCR đối với tải AC:
(Hình 6.12: SCR trong tải AC chỉ dùng điện trở R)
(Hình 6.13: SCR trong tải AC dùng điện trở R và tụ điện C) SCR cĩ ứng dụng trong đĩng/ngắt mạch động lực, chỉnh lưu và biến tần.
6.3. PHẦN TỬ TÁC ĐỘNG THỦY LỰC – KHÍ NÉN 6.3.1. Cáu tạo và nguyên lý làm việc:
Hệ thống điều khiển bằng thủy lực gồm các cụm và phần tử chính, cĩ chức năng sau:
- Cơ cấu tạo năng lượng: bơm thủy lực (bơm dầu), bộ lọc khí… - Phần tử điều khiển: van đảo chiều thủy lực…
- Cơ cấu chấp hành: xi lanh thủy lực, động cơ dầu...
Cơ cấu tạo năng lượng cĩ chức năng tạo ra nguồn thủy lực đủ tiêu chuẩn trong quá trình điều khiển, nguồn được tạo ra bởi các bơm dầu.
Phần tử điều khiển bao gồm các thiết bị điều khiển kết hợp với nhau theo một thuật tốn nhất định nhằm để bảo đảm yêu cầu cơng nghệ đặt ra. Các thiết bị điều
NGƠ HUỲNH ANH – PHẠM MẠNH HUY – PHẠM THẾ HÙNG – HỒNG ĐỨC LINH Trang 72
khiển bao gồm các van phân phối 2/2, 3/2, 4/2, 5/2, 4/3, van một chiều…Các van điều khiển thủy lực: van tiết lưu, van ổn áp, bộ điều chỉnh tốc độ, bộ tạo thời gian trễ.
Cơ cấu chấp hành là các phần tử chấp hành truyền động theo đúng yêu cầu cơng nghệ: xi lanh, pit-tơng thủy lực, động cơ dầu.
(Hình 6.14: Hệ thống thủy lực)
(Hình 6.15: Hệ thống khí nén)
6.3.2. Cơ cấu chấp hành:
NGƠ HUỲNH ANH – PHẠM MẠNH HUY – PHẠM THẾ HÙNG – HỒNG ĐỨC LINH Trang 73
(Hình 6.17: Xi lanh thủy lực)
6.3.3. Phần tử điều khiển:
(Hình 6.18: Van điều khiển 3/2)
(Hình 6.19: Van điều khiển 4/3)
6.4. ĐỘNG CƠ ĐIỆN 6.4.1. Động cơ DC: 6.4.1. Động cơ DC:
NGƠ HUỲNH ANH – PHẠM MẠNH HUY – PHẠM THẾ HÙNG – HỒNG ĐỨC LINH Trang 74 6.4.1.1. Nguyên lý làm việc:
Hoạt động dựa theo nguyên tắc cảm ứng điện từ, khi cho dịng điện đi qua phần cảm (cuộn dây hoặc nam châm) thì xung quanh nĩ sẽ tồn tại một từ trường với chiều xác định theo nguyên tắc bàn tay phải.
Từ trường này sẽ sinh ra lực từ Lorentz làm quay rotor (chiều xác định theo nguyên tắc tam diện thuận):
F IBLsin= F: lực tác dụng lên cuộn dây (N)
I: dịng điện chạy qua cuộn dây (A) B: cường độ từ trường (G)
L: chiều dài cuộn dây (m) : gĩc tạo bởi vector B và I
(Hình 6.20: Hoạt động của động cơ DC)
Moment tạo ra:
T A
T K I= T: moment động cơ (Nm)
T
K : hằng số dựa vào cấu tạo động cơ
A
I : dịng điện phần ứng (A) : từ thơng (Wb)
NGƠ HUỲNH ANH – PHẠM MẠNH HUY – PHẠM THẾ HÙNG – HỒNG ĐỨC LINH Trang 75
Khi phần ứng quay trong mơi trường từ trường, một sức điện động sẽ xuất hiện trên các cuộn dây của phần ứng (ngược chiều với điện áp nguồn cấp vào phần ứng). b E E =K S b E : điện áp tạo ra (V) E
K : hằng số dựa vào cấu tạo động cơ
S: tốc độ động cơ (rpm) Điện áp thực trên phần ứng: C C in b A in b A A V E V V E I R − = − → = A V : điện áp thực trên phần ứng (V) in
V : điện áp nguồn cấp vào phần ứng (V)
C b
E : điện áp tạo ra bởi động cơ (V)
A
R : trở kháng phần ứng ()
Khi động cơ làm việc, dịng điện trên phần ứng giảm đi.
6.4.1.2. Đường đặc tính moment – tốc độ của động cơ nam châm vĩnh cửu:
NGƠ HUỲNH ANH – PHẠM MẠNH HUY – PHẠM THẾ HÙNG – HỒNG ĐỨC LINH Trang 76 6.4.1.3. Điều khiển động cơ:
Bộ khuếch đại cơng suất: dùng các mạch khuếch đại tín hiệu tương tự.
(Hình 6.22: Mạch khuếch đại tín hiệu tương tự)
Bộ điều chỉnh độ rộng xung: tạo ra các xung DC ở mức điện áp cố định.
(Hình 6.23: Mạch điều chỉnh độ rộng xung)
Bộ điều chỉnh độ rộng xung cĩ các ưu điểm sau:
- Cĩ dạng tín hiệu số - đĩng/mở mạch, do đĩ cĩ thể điều khiển trực tiếp từ máy tính (dùng 1 bit) mà khơng cần qua bộ DAC.
- Hiệu quả về mặt năng lượng (ít tiêu hao cơng suất ở những mạch đĩng/ngắt).
6.4.2. Động cơ DC khơng chổi than:
Hoạt động dựa trên nguyên lý tương tác từ trường giữa cuộn dây và nam châm. Khi ta đặt điện áp (+) vào cuộn dây A, điện áp (-) vào cuộn dây B và cuộn dây cịn lại C khơng cấp điện; lúc này xuất hiện dịng điện chạy từ A đến B và từ trường sinh ra theo quy tắc bàn tay phải. Lúc này, do cĩ tương tác từ trường nên rotor sẽ quay theo chiều kim đồng hồ như trong hình 6.24.
NGƠ HUỲNH ANH – PHẠM MẠNH HUY – PHẠM THẾ HÙNG – HỒNG ĐỨC LINH Trang 77
Khi đến rotor đến vị trí xác định, thực hiện đảo pha bằng cách cấp điện áp (-) cho cuộn A và điện áp (+) cho cuộn C (ngưng cấp điện cho cuộn B). Tương tự rotor sẽ tiếp tục quay và lại thực hiện đảo pha tương ứng với cuộn C và B mà rotor sẽ quay được một chu kỳ.
Động cơ DC khơng chổi than cĩ độ ổn định cao, sử dụng hiệu quả và dễ điều khiển.
(Hình 6.24: Nguyên lý hoạt động của động cơ DC khơng chổi than)
(Hình 6.25: Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển pha)
6.4.3. Động cơ bước:
6.4.3.1. Nguyên lý hoạt động:
Hoạt động theo nguyên tắc đĩng ngắt các tiếp điểm của nguồn cung cấp cho các dây pha. Việc đĩng ngắt các tiếp điểm và thay đổi dịng điện cấp cho các dây pha sẽ cho ta những vị trí khác nhau của rotor.
NGƠ HUỲNH ANH – PHẠM MẠNH HUY – PHẠM THẾ HÙNG – HỒNG ĐỨC LINH Trang 78
Hoạt động trong một hệ thống điều khiển vịng hở: khi đưa một xung điện từ từ bộ điều khiển đến các dây pha sẽ cho phép trục động cơ di chuyển từ vị trí thẳng hàng cực này đến vị trí thẳng hàng với cực khác (dạng Align) hoặc đến vị trí giữa hai cực.
Xét động cơ bước hai cực như hình 6.26:
- Ban đầu, khi ta cung cấp xung điện cho nguồn SA (tiếp điểm đĩng) thì cuộn dây A sẽ sinh ra từ trường kéo rotor về phía nĩ (nằm ở vị trí thẳng hàng). - Sau đĩ, tiếp tục cung cấp xung điện cĩ cường độ như nguồn SA đến nguồn SB thì trên cả hai cuộn dây A và B sinh ra từ trường với lực từ như nhau định vị rotor ở vị trí gĩc 45 .
- Tương tự, thực hiện đĩng/ngắt các tiếp điểm luân phiên B, BC, C, CD, D, DA sẽ khiến rotor quay được một vịng của nĩ. Đây cũng là nguyên lý điều khiển của động cơ bước.
- Lưu ý rằng, việc đảo thứ tự cung cấp cho các nguồn cũng sẽ đảo chiều quay của rotor.
(Hình 6.26: Động cơ bước 4 pha, 5 dây, 2 cực, 1 lớp)
6.4.3.2. Bước của động cơ:
Là thơng số đặc trưng cho động cơ bước. Phản ánh tính linh hoạt và độ chính xác của động cơ bước (bước càng nhỏ thì càng chính xác).
S 360 N N = Trong đĩ: N: số cực của động cơ N: số pha
NGƠ HUỲNH ANH – PHẠM MẠNH HUY – PHẠM THẾ HÙNG – HỒNG ĐỨC LINH Trang 79 6.4.4. Động cơ AC:
6.4.4.1. Nguyên lý làm việc:
Động cơ AC hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Khi ta cấp dịng điện xoay chiều vào mỗi cuộn dây thì sẽ sinh ra từ trường biến thiên liên tục. Và do thứ tự cấp pha trên mỗi dây là lệch nhau nên những từ trường biến thiên này cũng sẽ lệch pha nhau dẫn đến hình thành một hệ từ trường chung gọi là từ trường xoay.
Khi mạch kín là lồng sĩc được đặt trong từ trường xoay này, tồn tại suất điện động cảm ứng (back EMF) theo định luật Faraday. Suất điện động sinh ra lực từ Lorentz làm quay lồng sĩc với tốc độ “bám” theo tốc độ từ trường xoay (nĩi cách khác tốc độ rotor khi này sẽ nhỏ hơn tốc độ từ trường xoay).
(Hình 6.27: Nguyên lý làm việc động cơ AC)
6.4.4.2. Các thơng số lưu ý: Tốc độ từ trường xoay: s 120f N P = Trong đĩ: s N : tốc độ lý thuyết (rpm)
f: tần số của dịng điện xoay chiều 3 pha P: số cực động cơ
NGƠ HUỲNH ANH – PHẠM MẠNH HUY – PHẠM THẾ HÙNG – HỒNG ĐỨC LINH Trang 80
Thơng số trượt: s r s N N S N − = Trong đĩ: S: thơng số trượt s N : tốc độ từ trường xoay (rpm) r N : tốc độ xoay rotor (rpm) 6.4.4.3. Vận hành động cơ:
Trong các nhà máy phát điện trong cơng nghiệp, người ta thường kết hợp cả hai kiểu đấu dây sao và đấu dây tam giác để thực hiện khởi động cho động cơ.
Do ta cĩ Iline,Y 1Iline, 3
= . Như vậy, dịng điện khi đưa vào động cơ theo cách mắc Y sẽ chỉ bằng 1/3 lần so với cách mắc . Do đĩ, ta sử dụng cách mắc Y khi khởi động động cơ để phân chia dịng điện khi khởi động và đổi thành cách mắc khi động cơ đã hoạt động ổn định thơng qua các thiết bị đĩng cắt.
NGƠ HUỲNH ANH – PHẠM MẠNH HUY – PHẠM THẾ HÙNG – HỒNG ĐỨC LINH Trang 81
Chương 7
ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Nội dung:
7.1. Khái niệm các quá trình điều khiển 7.2. Rơ-le trong mạch điều khiển logic 7.2. Rơ-le trong mạch điều khiển logic 7.3. PLC
NGƠ HUỲNH ANH – PHẠM MẠNH HUY – PHẠM THẾ HÙNG – HỒNG ĐỨC LINH Trang 82 7.1. KHÁI NIỆM CÁC QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
Quá trình rời rạc: là một nhĩm các cơng đoạn rời rạc cĩ điều kiện bắt đầu (từng cơng đoạn) rõ ràng. Khi các nhĩm cơng đoạn cĩ điểm bắt đầu, điểm kết thúc và hình thức điều khiển xác định, thì quá trình này được gọi là quá trình cĩ tuần tự.
Quá trình liên tục: là quá trình cĩ tín hiệu vào/ra liên tục ( khơng ngắt quãng). Cĩ ít nhất một tín hiệu vào (bộ điều khiển) được thay đổi sao cho để duy tri một tín hiệu ra mong muốn. tín hiệu ra được xác định bởi một/nhiều chế độ điều khiển.
Để mơ tả hoạt động của một quá trình rời rạc, ta cĩ thể dùng: - Danh sách mệnh lệnh (statement list)
- Biểu đồ thời gian (timing diagram)
- Lưu đồ tuần tự chức năng (sequential function chart) - Lưu đồ trạng thái (state chart)
- Mạch điện sơ đồ bậc thang (ladder diagram circuit)
7.2. RƠ-LE TRONG MẠCH ĐIỀU KHIỂN LOGIC
Dùng một rơ le điều khiển cho mỗi bước của quá trình. Khi quá trình đang làm việc ở bước nào đĩ, thì rơ le điều khiển gắn liền với bước đĩ sẽ được kích hoạt và những rơle khác khơng được kích hoạt.
Số bước của quá trình sẽ tương ứng 1-1 với số trạng thái của bộ điều khiển. Mỗi trạng thái của bộ điều khiển được biểu diễn là một nhánh trong mạch điều khiển bậc thang.
Quá trình thiết kế thơng thường bao gồm các bước sau:
Bước 1: định nghĩa quá trình (dùng sơ đồ động/ sơ đồ thiết bị)
Bước 2 định nghĩa các bước (dùng biểu đồ tuần tự chức năng/ lưu đồ trạng thái) Bước 4; xác định trạng thái của tín hiệu vào/ tín hiệu ra (dùng biểu đồ thời gian) Bước 4: xác định các điều kiện chuyển tiếp (dùng biểu đồ thời gian)
Bước 5: xác định hàm của tín hiệu ra (dùng cơng cụ đại số Boolean) Bước 6: xây dựng mạch điều khiển bậc thang
Bước 7: xây dựng sơ đồ bậc thang tín hiệu ra Bước 8: lập hồ sơ thiết kế