d) Nguyên lý làm việc
3.2.2. Thiết kế thiết bị điều khiển
a) Chức năng của thiết bị
– Cho phép đặt thời gian bật tắt đèn và đòng mở rèm – Cho phép bật tắt đèn và đóng mở rèm tức thời
Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………. 63
– Điều khiển bật tắt đèn và đóng mở rèm theo ý muốn, tự động hoặc theo thời gian
– Điều khiển đèn sáng tắt và đóng mở rèm sao cho đảm bảo độ rọi nằm trong khoảng 300-500 lux (tiêu chuẩn Việt Nam 7114:2002).
– Truyền thông được với máy tính
b) Thiết kế phần cứng
Sơ đồ khối chính của thiết bị
Hình 3.22: Sơ đồ khối các thiết bị điều khiển
• Khối nguồn nuôi
Các khối thiết bị trong sơ đồ khối cần các mức điện áp nuôi như sau: – Khối đo độ rọi 24VDC lấy từ PLC
– Khối điều khiển đèn và rèm cần điện áp 220VAC ở điện lưới cấp – Khối PLC S7-200 cần cấp điện áp 220VAC ở điện lưới cấp
• Khối đo độ rọi
Đã nêu ở phần thiết kế đầu đo độ rọi, ở sơ đồ này khi ánh sáng được chiếu vào quang trở làm thay đổi nội trở tức là thay đổi điện áp vào chân điều khiển transistor C828 và làm cho chân điều khiển có tín hiệu điện áp ra điều khiển vào ngõ vào của PLC S7-200.
Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………. 64
phù hợp với yêu cầu đặt ra cho chiếu sáng trong phòng học. Để xác định độ rọi chuẩn, luận văn sử dụng PCE-172 là thiết bị đo độ rọi ánh sáng chuyên nghiệp thích hợp cho các phép đo chính xác ánh sáng trong công nghiệp, thương mại, nông nghiệp và các lĩnh vực nghiên cứu khoa học. Kết quả được hiển thị với đơn vị Lux và giá trị tương đương của 100 Lux là 1 W/m2 hoặc fc 9,29.. Một số đặc trưng khác của thiết bị:
Hình 3.23: Thiết bị đo độ rọi ánh sáng chuyên nghiệp PCE-172
– Thang đo:
Từ 0 đến 40.00 lux- Độ phân giải 0.01 (Lux) Từ 0 đến 400.0 lux - độ phân giải 0.1 (Lux) Từ 0 đến 4000 lux - độ phân giải 1 (Lux) Từ 0 đến 40.000 lux - độ phân giải 10 (Lux) Từ 0 đến 400.000 lux - độ phân giải 100 (Lux)
– Độ chính xác: ± 5 % với giá trị đọc ±10 con số (<10.000 lux), ± 10 % với giá trị đọc±10 con số (>10.000 lux)
Độ lặp lại: ±3 %
Tốc độ làm tươi xấp xỉ: 1.5 lần /giây
Cảm biến ánh sáng (light sensor) bằng photodiot Silicon. Kết nối với máy vi tính: không.
• Khối cảm biến vị trí:
Như đã phân tích ở phần 3.1.3 trong đề tài này em sử dụng loại cảm biến cảm ứng từ CR18-8DN vì nó ưu việt nhất cả về giá và độ chính xác, độ bền và độ linh hoạt trong quá trình sử dụng để thiết kế cho mạch, khống chế hành trình của rèm để
Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………. 65
dừng động cơ khi đã mở/đóng hết hành trình.
Hình 3.24: Sơ đồ khối thuật toán cảm biến khống chế hành trình điều khiển rèm trong đó: X – giá trị độ rọi thực tế
Xmax – ngưỡng trên của độ rọi (Xmax = 500lux) Xmin – ngưỡng dưới của độ rọi (Xmin = 400lux) CBd – cảm biến dưới
CBt – cảm biến trên ĐCt – động cơ quay thuận ĐCn – động cơ quay ngược
• Khối điều khiển đèn và rèm :
Như đã đề cập ở phần 3.1.3, tải ở đây là tải đèn xoay chiều (đèn huỳnh quang) và rèm có sử dụng động cơ xoay chiều một pha nên ta dùng rơle để điều khiển gián tiếp cho đèn và rèm. Ở đây ta thiết kế cho một rơ le điều khiển cùng lúc 4 động cơ
Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………. 66
rèm và 1 rơ le điều khiển cùng lúc 2 đèn nên ta có
Đèn huỳnh quang có các thông số 40W-220VAC nên dòng điện qua 1 bộ đèn là: 40 2 0,72( ) cos 220 0,5 Pđ Iđ A U φ = = ⋅ = ×
Động cơ kéo rèm có các thông số 35W-220VAC nên dòng điện qua bộ động cơ kéo rèm sẽ là: Pr 75 4 1,72( ) cos 220 0,8 r I A U φ = = ⋅ = ×
Như vậy vẫn thỏa mãn dòng điện qua tiếp điểm của rơ le là 3A
• Khối xử lý trung tâm PLC S7-200
Theo yêu cầu điều khiển của bài toán: – Đầu vào:
+ Điều khiển đèn: cần 8 cổng vào để điều khiển cho 8 bộ đèn ( 4 cổng nhận tín hiệu từ DK1 giá trị lux thấp, 4 cổng nhận tín hiệu từ DK2 giá trị lux cao).
+ Điều khiển rèm: cần 2 cổng dùng để lấy tín hiệu cảm biến trên và dưới của rèm điều khiển rèm lên, xuống
+ Ngoài ra cần có 2 cổng để bắt đầu và dừng chương trình điều khiển – Đầu ra:
+ Điều khiển rèm: cần 2 cổng ra để điều khiển 1 động cơ quay thuận ngược kéo rèm lên hoặc xuống.
+ Điều khiển đèn: cần 8 cổng ra để điều khiển 18 bộ đèn sáng hoặc tắt
Vậy ta lựa chọn thiết bị điều khiển là PLC-S7200 CPU 224 vì loại này có số lượng đầu vào/ra phù hợp với yêu cầu bài toán. Đây là dòng CPU được sử dụng rất nhiều hiện nay vì tốc độ xử lý cao, kết cấu linh hoạt, hỗ trợ truyền thông mạnh, có cấp bảo vệ chịu được môi trường công nghiệp như rung động, bụi bẩn, các nhiễu từ trường. CPU224 sử dụng nguồn nuôi 24VDC hoặc 100 - 230VAC (dòng tiêu thụ lớn nhất khoảng 110-700mA) nên rất thuận tiện.
Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………. 67
Hình 3.25: Sơ đồ module 224AC/DC/RLY
• Bảng điều khiển
Vậy, với phần thiết kế chi tiết như trên ta có các thiết bị sau để thiết kế một bảng điều khiển cho phòng học như sau:
– 1 CB tổng
– 1 PLC S7-200 CPU224 – 2 nút ấn điều khiển ON/OFF
– 4 bộ điều chỉnh đầu đo độ rọi (cần đặt điện trở quang ở đều 4 vị trí trong phòng).
– 2 Rơ le điều khiển gián tiếp động cơ đóng/mở rèm. – 8 Rơ le điều khiển gián tiếp đèn bật/tắt
– 1 cầu đấu dây 12 chân
Vậy, từ những khối chính của các thiết bị điều khiển ở trên, em đã thiết kế và xây dựng ra được một bảng thiết bị điều khiển đèn và rèm như hình dưới đây:
Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………. 68
Hình 3.26: Sơ đồ bố trí thiết bị trên bảng điều khiển
Mô hình chế tạo phải đảm bảo hoạt động dựa trên đúng chương trình đã được viết cho hệ thống đã thiết kế, nhằm kiểm tra kỹ hơn về sự hoạt động của mạch cũng như chương trình điều khiển, giúp có một cái nhìn tổng thể hơn về hệ thống. Ngoài ra, qua đây chúng tôi có thể đánh giá sơ bộ được những ưu nhược điểm của mạch để tìm ra giải pháp khắc phục.
• Sơ đồ kết nối
Sau khi chuẩn bị đầy đủ các thiết bị kể trên, chúng ta tiến hành việc ghép nối riêng từng nhóm thiết bị vào/ra theo sơ đồ đã thiết kế. Tiếp đó lắp ráp thành mạch tự động điều chỉnh độ sáng trong phòng hoàn chỉnh để có thể chạy thử.
Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………. 69
Sơ đồ kết nối trong mô hình thực tế:
Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………. 70
Bảng 3.6: Mô tả địa chỉ ngõ vào/ra của PLC với các thiết bị
Ngõ vào Ghi chú
Nút ấn ON I0.0 Ấn nút ON hệ thống làm việc Nút ấn OFF I0.1 Ấn nút OFF hệ thống dừng làm việc
CBt I0.2 Tác động khi rèm mở hết
CBd I0.3 Tác động khi rèm đóng hết
DK1 I0.4 Tác động khi độ rọi > 500lux DK2 I0.5 Tác động khi độ rọi < 400lux DK3 I0.6 Tác động khi độ rọi > 500lux DK4 I0.7 Tác động khi độ rọi < 400lux DK5 I1.0 Tác động khi độ rọi > 500lux DK6 I1.1 Tác động khi độ rọi < 400lux DK7 I1.2 Tác động khi độ rọi > 500lux DK8 I1.3 Tác động khi độ rọi < 400lux
Ngõ ra
Rơle1 Q0.0 Đ/cơ quay thuận (Kéo rèm xuống) Rơle 2 Q0.1 Đ/cơ quay ngược (Kéo rèm lên)
Rơle 3 Q0.2 Đèn 1, Đèn 3 Rơle 4 Q0.3 Đèn 2, Đèn 4 Rơle 5 Q0.4 Đèn 5, Đèn 7 Rơle 6 Q0.5 Đèn 6, Đèn 8 Rơle 7 Q0.6 Đèn 9, Đèn 11 Rơle 8 Q0.7 Đèn 10, Đèn 12 Rơle 9 Q1.0 Đèn 13, Đèn 15 Rơle 10 Q1.1 Đèn 14, Đèn 16