b) Thiết bị điều khiển
3.1.3. Lựa chọn linh kiện
Để thực hiện các tính năng đó, ta lựa chọn các linh kiện như sau:
• Phần đầu đo
Cảm biến đo độ rọi là một bộ thu quang, là phần tử có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện dựa trên nguyên lý biến đổi quang -> điên, ta có thể sử dung loại quang trở hay điện trở quang. Điện trở quang là một linh kiện bán dẫn thụ động, không có lớp tiếp xúc P-N. Quang trở là điện trở mà hoạt động của nó dựa trên hiệu ứng quang dẫn.
Cấu tạo Điện trở quang:
Hình 3.5: Sơ đồ cấu tạo điện trở quang
Vật liệu dùng để chế tạo điện trở quang thường là Cadmium Sulfid (CdS), Cadmium Selenid (CdSe), Sulfid kẽm (ZnS) hoặc các tinh thể hỗn hợp khác. Tất cả các vật liệu này được gọi là vật liệu bán dẫn nhạy quang.
Điện trở quang gồm một lớp vật liệu bán dẫn nhạy quang rải lên một tấm vật liệu cách điện và 2 chân dẫn điện.
Để chống ẩm người ta bọc bên ngoài quang trở một lớp sơn chống ẩm trong suốt với vùng ánh sáng hoạt động của nó. Tất cả được bọc trong một vỏ bằng chất dẻo có cửa sổ cho ánh sáng đi qua.
Đặc tính của Điện trở quang:
– Hệ số nhiệt của điện trở quang: Hệ số nhiệt của điện trở quang tỉ lệ nghịch với cường độ chiếu sáng.
Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………. 46
– Điện trở tối Rd: Điện trở tối là điện trở trong bóng tối của điện trở quang. Điện trở tối là tham số quan trọng, nó cho ta biết "dòng điện rò" lớn nhất đối với một điện thế trên điện trở quang.
– Điện thế hoạt động: Tuỳ theo cấu trúc mặt nạ của điện trở quang mà có các điện thế làm việc khác nhau. Điện thế này có thể lên tới 0,5 Kv/mm. Điện thế hoạt động cao nhất đo được khi điện trở quang hoạt động trong bóng tối.
– Công suất tiêu tán cao nhất: Khi điện trở quang hoạt động cần phải giữ cho nhiệt độ của nó thấp hơn một nhiệt độ cho phép. Nhiệt độ cho phép của điện trở quang thường giới hạn từ - 400C đến +750C.
Nguyên lý làm việc của điện trở quang là khi có bức xạ chiếu vào, chất bán dẫn hấp thụ năng lượng làm phát sinh các điện tử tự do và lỗ trống, tức sự dẫn điện tăng lên và làm giảm điện trở của chất bán dẫn. Các đặc tính điện và độ nhạy của quang trở dĩ nhiên tùy thuộc vào vật liệu dùng trong chế tạo.
Bảng 3.2: Các thông số của quang điện trở LDR
Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………. 47
Hình 3.6: Sơ đồ ứng dụng quang điện trở đóng mở mạch theo ánh sáng Vậy phần đầu đo độ rọi ta sử dụng loại điện trở quang như đã phân tích ở trên
• Phần điều khiển
Hệ thống điều khiển trong hệ thống thiết bị sản phẩm của đề tài được lựa chọn sử dụng của hãng Siemens là dòng điều khiển logic khả trình PLC S7-200 rất phổ biến hiện nay cụ thể là dùng PLC S7-200 CPU224 (đã nêu ở chương 1) với một số đặc tính kỹ thuật sau:
PLC S7-200 của SIEMENS thuộc vào nhóm các PLC loại nhỏ vì chỉ có thể quản lý một số lượng đầu vào/ra ít, bộ nhớ chương trình và dữ liệu nhỏ, sử dụng các ngôn ngữ lập trình như STL (Statement List), LAD (Ladder Logic), FBD (Funtion Block Diagrams). Tuy nhiên, PLC S7-200 lại được tích hợp sẵn các tính năng phong phú, do vậy nó có khả năng đáp ứng được các yêu cầu khác nhau của máy móc, thiết bị.
Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………. 48
Các đầu vào của S7-200 sử dụng mức 24VDC rất thích hợp cho việc kết nối với các cảm biến tiệm cận hay cảm biến quang. PLC cũng có luôn đầu cấp nguồn 24VDC cho các đầu vào, có bảo vệ quá dòng.
Đầu ra có hai sự lựa chọn: đầu ra transistor cho ra điện áp DC phù hợp với các ứng dụng như hút van 24 VDC chiều công suất nhỏ, relay trung gian.., đặc biệt là đầu ra kiểu này có thể sử dụng để phát ra xung cho chức năng PTO hay PWM.
Hình 3.8: Hình dáng bên ngoài của PLC S7-200 CPU224
Chức năng chính của PLC là để điều khiển Logic, điều khiển tuần tự, liên động. Trong bộ lệnh của S7-200 có đầy đủ các lệnh bit Logic, so sánh, bộ đếm, dịch/quay các thanh ghi, timer cho phép lập trình cho các ứng dụng điều khiển Logic một cách dễ dàng. Đặc biệt nó có các lệnh phát hiện ra các sườn xung cho phép ta xử lý thời điểm chuyển trạng thái của tín hiệu. Nếu cần xử lý các thời điểm chuyển trạng thái nhanh hơn ta có thể sử dụng ngắt.
Bên trong S7-200 có tích hợp một đồng hồ thời gian thực. Ta có thể sử dụng nó cho các ứng dụng điều khiển thời gian dài hay các ứng dụng mà việc điều khiển phụ thuộc vào thời gian trong ngày (như điều khiển đèn ngủ, đèn hành lang, đèn cầu thang...) hay có thể theo mùa trong năm (đèn chiếu sáng khuân viên).
Về mặt xử lý toán học, S7-200 có cả các lệnh toán học cho số nguyên và số thực. Số thực có các lệnh cộng, trừ, nhân, chia, tăng, giảm cho số nguyên thường và số nguyên 4 byte. Số thực có các lệnh cộng, trừ, nhân, chia, sin, cos, tan, ln, exp và đặc biệt là lệnh PID cho điều khiển vòng kín. Các lệnh trên đủ để xử lý các số liệu
Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………. 49
trong các ứng dụng điều khiển đơn giản, tuy nhiên để thực hiện chúng tốn khá nhiều thời gian của PLC. Lệnh PID sử dụng để điều khiển vòng kín cho các đầu vào/ra tương tự, ra PWM và các dữ liệu khác.
Ngoài các bộ đếm bằng phần mềm thực hiên theo chu kỳ quét của chương trình, S7-200 có các bộ đếm bằng phần cứng (HSC-High speed counter). Có tối đa 6 bộ HSC trong S7-200, ta có thể lập trình nó theo 1 trong 13 chế độ khác nhau để đếm thuận/nghịch hay bộ đếm hai pha (dùng cho Encoder) với các đầu vào điều khiển. Tần số cao nhất mà các bộ đếm này có thể đếm được là 30 kHz với xung 1 pha và 20 kHz với xung hai pha. Các bộ đếm này cho phép S7-200 có thể kêt nối với các máy phát tốc xung để đo tốc độ động cơ, hay với Encoder để đo tốc độ và chiều quay.
S7-200 có hai đầu ra xung tại Q0.0 và Q0.1 mà nó có thể sử dụng để phát ra PulseTrain Output (PTO) hay Pulse Width Modulation (PWM). Với chức năng PWM ta có thể dùng nó để điều khiển điện áp ra với các ứng dụng có công suất lớn bằng cách thay đổi tỉ lệ giữa thời gian bật (Ton) và thời gian tắt (Toff). Độ phân giải của thời gian này là 1ms. Nó sử dụng cho điều khiển tốc độ động cơ một chiều hay điều khiển nhiệt độ. Với chức năng PTO ta có thể lập trình để đầu ra bắn ra một số xung vuông với tần số nào đó. Các xung này có thể chia ra thành nhiều đoạn với tần số có thể tăng dần hay giảm dần. Nó thích hợp cho các ứng dụng như là điều khiển động cơ bước chẳng hạn.
S7-200 có một hay hai cổng thông tin sử dụng chuẩn RS-485. Các cổng này có thể làm việc ở chế độ PPI (Point to Point Interface), MPI (Multipoint Interface) hay chế độ Free Port. Ở chế độ PPI hay MPI cho phép S7-200 có thể kết nối với máy lập trình để truyền/nạp chương trình hay sử dụng các tiện ích khác. Nó cũng cho phép các PLC kết nối với nhau để trao đổi dữ liệu hay kết nối với các màn hiển thị khác (TD200, OP3, OP7....). Một số S7-200 có tích hợp sẵn cổng Profibus hay sử dụng một module mở rộng để tham gia vào mạng Profibus như là một Slave thông minh. Ở chế độ Free port người dùng có thể tự do định nghĩa và lập trình cổng thông tin cho ứng dụng của mình để có thể kết nối S7-200 với vi điều khiển, máy tính hay các thiết bị khác (bar code, printer...). Ta cũng có thể dùng tiện ích có sẵn trong MicroWin để khai báo cho S7-200 thực hiện giao thức USS để kết nối với các
Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………. 50
biến tần của SIEMENS hay giao thức ModBus.
Hình 3.9: Giao thức MODBUS
PLC SIEMENS được chia thành nhiều modul, các modul được sử dụng nhiều hay ít tùy theo từng bài toán, song tối thiểu bao giờ cũng có một modul chính là moddul CPU. Các modul còn lại là các modul truyền nhận tín hiệu với đối tượng điều khiển, các modul chức năng chuyên dụng như PID, điều khiển động cơ … Chúng được gọi chung là các modul mở rộng tất cả các modul đều được gá trên một thanh ray (rack).
Cấu hình phần cứng:
Hình 3.10: Cấu tạo chung của PLC S7-200 Các thông số :
– CPU224 (214-1AD22-0XB0) – Các I/O trên CPU : 14 In/10 Out . – Kích thước : 120,5x80x62 . – Nguồn nuôi: 24VDC .
– Bộ nhớ chương trình: 8192 bytes . – Bộ nhớ dữ liệu: 5120 bytes . – Modul mở rộng: 7 modul .
Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………. 51
– Ngõ ra xung (DC): 20 kHz . – Bộ điều chỉnh tương tự: 2 . – Cổng truyền thông: RS-485 .
* Các công tắc chọn chế độ làm việc cho CPU :
– RUN: cho phép PLC thực hiện chương trình trong bộ nhớ. PLC sẽ tự động chuyển chế độ làm việc từ chế độ RUN sang STOP khi máy gặp sự cố hoặc trong chương trình gặp lệnh STOP ngay cả khi công tắc đang ở chế độ RUN .
– TERM: cho phép máy lập trình tự quyết định một chế độ làm việc cho PLC hoặc ở chế độ RUN hoặc STOP .
– STOP: cưỡng bức PLC dừng công việc đang thực hiện và chuyển từ chế độ RUN sang chế độ STOP. Ở chế độ này PLC cho phép hiệu chỉnh lại chương trình hoặc nạp một chương trình mới .
* Mô tả các đèn báo trên CPU :
– SF (đèn đỏ): đèn đỏ SF báo hiệu hệ thống bị hỏng, đèn sáng lên khi PLC có hỏng hóc.
– RUN (đèn xanh): Đèn báo hiệu PLC đang ở chế độ làm việc và thực hiện chương trình được nạp vào CPU .
– STOP (đèn vàng): Báo hiệu PLC đang ở chế độ dừng .
– Ix.x (Inputs): Đèn xanh ở cổng vào chỉ định trạng thái tức thời của cổng Ix.x (x.x = 0.0 ÷ 1.5).
– Qx.x (Outputs: Đèn xanh ở cổng ra chỉ định trạng thái tức thời của cổng Qx.x (x.x = 0.0 ÷ 1.1).
• Đèn, rèm và cảm biến vị trí
Do đặc tính của môi trường làm việc là lớp học và điều kiện điều khiển sử dụng PLC không có nhiều đầu ra nên ở đề tài này em chọn đèn chiếu sáng và rèm như sau:
* Đèn:
– Vỏ máng đèn Inox âm trần Paragon INA4021(2 bóng x 1.2m). – Điện áp nguồn 220VAC-50Hz, sử dung 2 bóng neon T10 (40W). – Bộ đèn bao gồm cả bóng, chấn lưu và chuột mồi.
Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………. 52
Hình 3.11: Bộ đèn huỳnh quang âm trần 2 bóng x 1.2m
* Rèm:
Hình 3.12: Rèm cuốn bằng motor điện
Ở đề tài này em chọn loại rèm như hình ảnh trên vì loại rèm có động cơ cuốn rèm đồng trục, có kích thước phù hợp với yêu cầu đề tài (4m x 2,5m), có điểm khống chế hành trình để có thể tác động được với cảm biến cảm ứng từ, có độ che sáng rất phù hợp với yêu cầu đặt ra vì qua thực nghiệm khi rèm được đóng hết ngoài trời nắng, đèn trong phòng tắt hết độ rọi trong phòng nhỏ hơn 500lux và có các thông số khác phù hợp được nêu ở bảng dưới đây. Có thể lắp hệ điều khiển từ xa hay công tắc, hệ lập trình cho môtơ
Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………. 53
Hình 3.13: Cấu tạo rèm cuốn bằng motor điện Thông số kỹ thuật:
Bảng 3.3: Bảng mô tả các thông số kỹ thuật của động cơ rèm
Mô-đen Điện vào (V) Momen (Nm) Tốc độ (r/min) Thời gian hoạt động ( phút ) Đường kính ống ( mm ) Giá tiền 1 bộ x 1000 đ YG35-3 230 3 26 4 35 1.050 YG35-6 230 6 12 / 26 4 35 1.150 YG45-10 230 10 12 4 45 1.250 YG45-30 230 30 12 /17 4 45 1.450 YG45-50 230 50 12 4 45 1.650 YG60-80 230 80 12 4 60 1.950 YG92-150 230 150 12 4 92 2.250
Ở đây em chọn loại rèm theo thông số kỹ thuật dưới đây vì phù hợp với phòng học có 4 rèm cần 2 động cơ kéo 2 rèm liên hoàn
Thông số kỹ thuật: Moden Điện vào (V) Momen (Nm) Tốc độ (r/min) Thời gian hoạt động ( phút ) Đường kính ống ( mm ) Giá tiền 1 bộ x 1000 đ YG35-6 230 6 12 / 26 4 35 1.150
Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………. 55
* Thiết bị điều khiển đèn và rèm
Như đã đề cập ở phần 2.1.1, tải ở đây là tải đèn xoay chiều (đèn huỳnh quang) và động cơ rèm nên ta có thể dùng rơle, triac, diac, thiristor ... để điều khiển, đèn và động cơ rèm có thể điều khiển on/off nên ta có thể dùng rơle để điều khiển đèn và rèm.
Đèn huỳnh quang có các thông số 2x40w-220VAC nên dòng điện qua đèn là 2x40/220 = 0,36A. Như thế ta chọn rơle chịu được dòng cỡ 1A là được. Trong đề tài này ta chọn rơle điện từ với đặc điểm chung sau:
– Điện áp định mức làm việc lâu dài của rơle có thể từ 9, 12, 24, 110, 220VDC. 110, 220VAC.
– Công suất điều khiển Pđk từ vài W đến hàng nghìn W. – Công suất tác động Ptđ từ vài phần W đến hàng trăm W. – Hệ số điều khiển Kđk = (5 – 20)
– Thời gian tác động ttđ = (2 – 20)ms
Đèn huỳnh quang có các thông số 40W-220VAC nên dòng điện qua 1 đèn là:
( )40 40 0,36 cos 220 0,5 Pđ Iđ A U φ = = = ×
Động cơ kéo rèm có các thông số 35W-220VAC nên dòng điện qua động cơ kéo rèm sẽ là: ( ) Pr 75 0,43 cos 220 0,8 Ir A U φ = = = ×
Như thế ta chọn rơle chịu được dòng cỡ 3A là được.
Trong đề tài này ta chọn rơle điện từ với các thông số kỹ thuật sau: – Điện áp định mức làm việc lâu dài của rơle là: 220VAC.
– Dòng điện định mức: 3A
– Hệ số điều khiển Kđk = (5 – 20) – Thời gian tác động ttđ = (2 – 20)ms
Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………. 56
Hình 3.14: Rơle điện từ loại RXM2LB1P7 của Schneider
* Cảm biến vị trí
Như đã mô tả rèm ở trên, ở đề tài này em sử dụng loại rèm cuốn, nên trong quá trình hành trình của động cơ rèm được kéo lên/xuống thì thiết bị khống chế hành trình của rèm là rất cần thiết để động cơ kéo rèm phải tự động dừng lại tại vị trí hành trình tối đa như: Rèm được kéo lên tối đa tới vị trí nào, hay rèm được kéo xuống tối đa tới vị trí nào thì vị trí tối đa đó phải được khống chế hành trình để động cơ phải được tự động dừng lại.
Như vậy, tại vị trí đó ta có thể sử dụng một số loại thiết bị để phát hiện như: công tắc hành trình, các loại cảm biến, sử dụng động cơ bước, .v.v. . Tuy nhiên, qua phân tích và thử nghiệm kỹ thuật thì không phải thiết bị nào cũng ưu việt hay hiệu quả kinh tế như mong đợi như: sử dụng động cơ bước độ chính xác rất cao nhưng không hiệu quả về kinh tế, dùng loại công tắc hành trình do tác động bằng cơ nên