Về mạch điện đo nhiệt độ rất đa dạng phong phú, từ mạch đo chỉ thị bằng đồng hồ microampe đến mạch đo chỉ thị số, cũng như bộ chuyển đổi mạch cũng rất đa dạng.
Tuỳ theo yêu cầu sử dụng và yêu cầu kỹ thuật mà ta chọn các loại cảm biến ,các mạch chuyển đổi, chỉ thị cho phù hợp.
1-Mạch đo nhiệt độ dùng nhiệt trở: Sơ đồ nguyên lý như sau:
Mạch điện sử dụng một nhiệt điện trở đưa vào trong nhánh của cầu Wheatston kéo trực tiếp Ampe kế và không thông qua transistor để chỉ thị nhiệt độ. Sự thay đổi nhiệt độ sẽ làm cho điện trở của nhiệt trở thay đổi, làm thay đổi mức điện áp ngõ ra do đó làm thay đổi dòng dẫn của transistor.
Trong mạch này thì :
R1,R2,R3,R6 : tạo thành cầu Wheatston. R4 : phân cực ổn định dòng.
R5 : biến trở thay đổi tải ,điều chỉnh dòng qua mA kế. R3 : biến trở chỉnh 0 (lúc cầu cân bằng)
Cũng có thể dùng mạch này để điều khiển nhiệt độ nếu thay thế microampe bằng mạch khuếch đại và bộ phận Relay.
2-Đo nhiệt độ bằng sự bù tiếp giáp cho cặp nhiệt kiểu K:
Mạch này nêu ra AD590 được kết nối để bù nhiệt cho cặp nhiệt kiểu K. Các tiếp giáp quy chiếu phải có tiếp xúc nhiệt sát với vỏ thiết bị AD590.
V+ phải ít nhất 4V và dòng điện ICL8069 phải được xác lập ở 1 đến 2mA, sự chuẩn hóa không yêu cầu nối ngắn mạch hoặc tháo cặp nhiệt.
Điều chỉnh R1 sao cho V2 = 10,98mV. Nếu cần các đo đạc chính xác cao, điều chỉnh R2 đến hệ số Seebeck chính xác cho cặp nhiệt được sử dụng, sau đó ghi lại V1 và xác lập R1 để tăng điện áp này (tức là xác lập V2 =V1). Đối với các kiểu cặp nhiệt khác thì điều chỉnh các giá trị tương ứng hệ số Seebeck.
3-Nhiệt kế dựa trên transistor:
Các transistor cảm biến có thể là bất kỳ loại NPN nào : 2N2222, 3904. Mạch này cung cấp điện áp ra 0 → 10V tương ứng 00C → 1000C ở transistor cảm biến Q2 .Độ chính xác là +/-10C. Không cần phải chuẩn hóa, loại NPN tín hiệu nhỏ thông dụng bất kỳ đều có thể được dùng làm bộ cảm biến.Yêu cầu chuẩn hoá bị loại bỏ do Q1 vận hành như một nguồn dòng điện giá trị-được chuyển mạch, thay đổi giữa khoảng 10 và 100µA khi LTC1043 chuyển đổi giữa các chân 12 và 14. Hai giá trị dòng đện này không quan trọng khi tỷ suất đó giữ không đổi.
IV.GIỚI THIỆU MỘT SỐ MẠCH KHỐNG CHẾ NHIỆT ĐỘ:
Mục đích của mạch khống chế nhiệt độ là giữ nhiệt độ ở môi trường cần nung nóngở một nhiệt độ nhất định.Vì vậy ta cần sử dụng một số mạch để khống chế, thực hiện yêu cầu của người sử dụng.
Nguyên lý của mạch khống chế là dùng phương pháp so sánh điện áp, ta sử dụng mạch khuếch đại thuật toán. Mạch làm việc theo nguyên lý sau:
Cho vào đầu không đảo (+) của OPAMP một điện áp chuẩn, điện áp chuẩn này được tính toán trước để tương ứng với một tỷ lệ nhiệt độ nhất định; điện áp từ bộ cảm biến được đưa đến đầu vào đảo (-) của OPAMP:
Khi điện áp từ bộ khuếch đại cảm biến lớn hơn điện áp chuẩn, mạch sẽ tác động cắt nguồn nhiệt.
Qua sơ đồ mạch nguyên lý trên cho phép ta khống chế nhiệt giữa hai ngưỡng dưới và trên trong mạch sử dụng cảm biến Thermistor TH1.
Phần mạch bên trái Thermistor là mạch khống chế nhiệt dưới, phần bên phải là mạch khống chế nhiệt trên.
Điện áp phân cực tĩnh cho hai OPAMP lấy từ mạch phân áp giữa biến trở R1 và Thermistor TH1 để đưa đến đầu vào đảo và không đảo của hai OPAMP.
+Nguyên lý làm việc của mạch:
-Khi nhiệt độ tăng cao làm cho nội trở của TH1 giảm mạnh, với sự thay đổi điện áp so sánh giữa hai đầu vào của OPAMP và so sánh với một điện áp chuẩn tương ứng với một nhiệt độ đã định trước, điều khiển ngõ ra của OPAMP để đóng mở Relay. Từ đó điều khiển đóng hay mở nguồn nhiệt.
Giả sử nhiệt độ tăng quá mức ngưỡng trên, nội trở TH1 giảm làm cho ngõ ra của OPAMP2 ở mức thấp làm Q2 dẫn, Relay 2 hút làm ngắn mạch tải.Trong lúc đó OPAMP1 chuyển qua bão hòa dương làm Q1 ngắt, Relay1 nhả, thông mạch tải.
-Khi nhiệt độ giảm quá mức ngưỡng dưới, nội trở TH1 tăng làm cho ngõ ra của OPAMP2 ở mức cao làm Q2 ngắt, Relay2 nhả, thông mạch tải; còn ngõ ra của OPAMP1 ở mức thấp làm Q1 dẫn, Relay1 hút làm ngắn mạch tải . Điểm cần chú ý trong mạch này là các OPAMP chuyển trạng thái với độ nhạy rất cao của áp vi sai ở đầu vào khoảng vài trăm µV. Với áp phân cực tĩnh ở đầu vào là 6V nên áp vi sai thay đổi khoảng 200V tương ứng với mức 0,1%. Như vậy đòi hỏi sai số trong nhánh cầu cũng ở mức 0,01%. Với các sai số nhỏ của TH1 như vậy nên độ nhạy của nó rất cao. Trong thực tế độ nhạy chính xác đóng ngắt mạch cỡ 0,5% với nhiệt độ trong phòng.
2-Mạch khống chế quá nhiệt dùng diode Silic:
Trong một số trường hợp cần khống chế mức nhiệt độ quá thấp mà các nhiệt trở thông thường không đáp ứng được. Hơn nữa ở nhiệt độ thấp, do công suất tiêu tán trên nhiệt trở lại biến thành nhiệt nên giảm đi độ chính xác của mạch.
Vì vậy để giải quyết, người ta dùng diode Si làm phần tử cảm biến:
Khi có dòng bằng hay lớn hơn 1mA chạy qua diode D1 thì điện áp thuận của nó khoảng 600mV. Giá trị điện áp thuận lại phụ thuộc vào nhiệt độ, có trị số nhiệt âm khoảng –2mV/0C. Với dòng thuận 1mA, công suất tiêu tán chỉ bằng 600mW nên hiệu ứng tỏa nhiệt do nung nóng không đáng kể.
Điện áp phân cực cho hai đầu OPAMP được ổn định bằng diode Zener 5,6V. Diode D1 dùng làm phần tử cảm biến nhiệt, biến trở R3 dùng để chỉnh cầu cân bằng cho áp vi sai bằng 0.
Nếu nhiệt độ môi trường tăng quá ngưỡng, nội trở của D1 giảm, OPAMP chuyển sang trạng thái bão hòa âm, làm Q1 dẫn, Relay có điện. Nếu nhiệt độ giảm dưới mức ngưỡng, nội trở D1 tăng, OPAMP chuyển sang trạng thái bão hòa dương, làm Q1 ngưng dẫn, ngắt Relay.
Như vậy mạch chỉ làm việc để Relay ngắt nguồn khi nhiệt độ môi trường quá ngưỡng trên.
Khi điện áp ở ngõ vào (2) có giá trị lớn hơn điện áp ở ngõ vào (3) thì ngõ ra (6) ở mức thấp làm Q1 dẫn và Relay hút, đóng mạch. Như vậy Relay có điện chỉ khi nào nhiệt độ chưa vượt quá nhiệt độ xác định.
TH1 là nhiệt điện trở âm, có giá trị điện trở giảm khi nhiệt độ tăng và ngược lại.
Chỉnh biến trở R1, cho cầu cân bằng ở nhiệt độ gần 2700C, cũng tại nhiệt độ này thì giá trị điện áp ở đầu vào (2) và (3) bằng nhau nên OPAMP có áp vi sai bằng 0.Khi nhiệt độ thay đổi thì RTH1 thay đổi làm cho cầu R1, R2, R3, RTH1 mất cân bằng. Lúc này điện áp ngõ ra (6) của OPAMP sẽ âm hơn làm Q1 dẫn và Relay có điện.
-Điện áp ngõ vào (3) là điện áp chuẩn (vì R2, R3 cố định)
-Điện áp ngõ vào (2) là điện áp dùng để so sánh và thay đổi được, phụ thuộc vào R1 và RTH1.
-Khi nhiệt độ lớn hơn 2700C, điện trở RTH1 giảm làm áp ra chân (6) của OPAMP sẽ dương hơn làm Q1 ngắt, Relay không có điện.
4-Bộ điều khiển nhiệt độ một điểm xác lập:
AD590 tạo ra điện áp phụ thuộc nhiệt độ, qua R (tụ C để lọc nhiễu), sự xác lập R2 tạo ra điện áp tỷ lệ –zero. Đối với thang độ C thì cần có R = 1KΩ
và Vzero = 0,273V.
CHƯƠNG III : GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VỀ PLC I-Sơ lược về lịch sử phát triển:
Thiết bị điều khiển lập trình đầu tiên (Programmable Controller) đã được những nhà thiết kế cho ra đời năm 1968 (công ty General Motor Mỹ). Tuy nhiên, hệ thống này còn khá đơn giản và cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó khăn trong việc vận hành hệ thống. Vì vậy các nhà thiết kế từng bước cải tiến hệ thống làm cho hệ thống đơn giản, gọn nhẹ, dễ vận hành, nhưng việc lập trình cho hệ thống còn khó khăn, do lúc này không có các thiết bị lập trình ngoại vi hổ trợ cho công việc lập trình.
Để đơn giản hóa việc lập trình, hệ thống điều khiển lập trình cầm tay (Programmable Controller Handle) đầu tiên được ra đời vào năm 1969. Điều này đã tạo ra được một sự phát triển thực sự cho kỹ thuật điều khiển lập trình. Trong giai đoạn này các hệ thống điều khiển lập trình (PLC) chỉ đơn giản nhằm thay thế hệ thống Relay và dây nối trong hệ thống điều khiển cổ điển. Qua quá trình vận hành, các nhà thiết kế đã từng bước tạo ra được một tiêu chuẩn mới cho hệ thống, tiêu chuẩn đó là: Dạng lập trình dùng giản đồ hình thang (The Diagram Format). Trong những năm đầu thập niên 1970, những hệ thống PLC còn có thêm khả năng vận hành với những thuật toán hỗ trợ (arithmetic), “vận hành với các dữ liệu cập nhật” (data manipulation). Do sự phát triển của loại màn hình dùng cho máy tính (Cathode Ray Tube: CRT), nên việc giao tiếp giữa người điều khiển để lập trình cho hệ thống càng trở nên thuận tiện hơn.
Sự phát triển của hệ thống phần cứng và phần mềm từ năm 1975 cho đến nay đã làm cho hệ thống PLC phát triển mạnh hơn với các chức năng mở rộng: Hệ thống ngõ vào/ra có thể tăng lên đến 8000 cổng vào/ra, dung lượng bộ nhớ chương trình tăng lên hơn 128000 từ bộ nhớ (word of memory). Ngoài ra các nhà thiết kế còn tạo ra kỹ thật kết nối với các hệ thống PLC riêng lẽ thành một hệ thống PLC chung, tăng khả năng của từng hệ thống riêng lẽ. Tốc độ xử lý của hệ thống được cải thiện, chu kỳ quét (scan) nhanh hơn làm cho hệ thống PLC xử lý tốt với những chức năng phức tạp, số lượng cổng ra/vào lớn.
Trong tương lai hệ thống PLC không chỉ giao tiếp với các hệ thống khác thông qua CIM (Computer Integrated Manufacturing) để điều khiển các hệ thống: Robot, Cad/Cam, … Ngoài ra các nhà thiết kế còn đang xây dựng các loại PLC với các chức năng điều khiển “thông minh” (intelligence) còn gọi là các siêu PLC (super PLC) cho tương lai.
1-Cấu trúc:
Một hệ thống lập trình cơ bản phải gồm có hai phần: khối xử lý trung
tâm (CPU: Central Processing Unit) và hệ thống giao tiếp vào/ra (I/O) Hình : sơ đồ khối của hệ thống điều khiển lập trình
- Khối điều khiển trung tâm (CPU) gồm ba phần: bộ xử lý, hệ thống bộ nhớ và hệ thống nguồn cung cấp.
Hình : Sơ đồ khối tổng quát của CPU 2-Hoạt động của một PLC:
Về cơ bản hoạt động của một PLC cũng khá đơn giản. Đầu tiên, hệ thống các cổng vào/ra (Input/Output) (còn gọi là các Module xuất/nhập) dùng để đưa các tín hiệu từ các thiết bị ngoại vi vào CPU (như các sensor, contact, tín hiệu từ động cơ …). Sau khi nhận được tín hiệu ở ngõ vào thì CPU sẽ xử lý và đưa các tín hiệu điều khiển qua Module xuất ra các thiết bị được điều khiển.
Trong suốt quá trình hoạt động, CPU đọc hoặc quét (scan) dữ liệu hoặc trạng thái của các thiết bị ngoại vi thông qua ngõ vào, sau đó thực hiện các chương trình trong bộ nhớ như sau: một bộ đếm chương trình sẽ nhặt lệnh từ bộ nhớ chương trình đưa ra thanh ghi lệnh để thi hành. Chương trình ở dạng STL (Statement List – Dạng lệnh liệt kê) hay ở dạng LADDER (dạng hình thang) sẽ được dịch ra ngôn ngữ máy cất trong bộ nhớ chương trình. Sau khi
Processor Memory Power Supply I N P U T S CENTRAL PROCESSING UNIT O U T P U T S M M
thực hiện xong chương trình, CPU sẽ gởi hoặc cập nhật (update) tín hiệu tới các thiết bị, được điều khiển thông qua Module xuất. Một chu kỳ gồm đọc tín hiệu ở ngõ vào, thực hiện chương trình và gởi cập nhật tín hiệu ở ngõ ra được gọi là một chu kỳ quét (Scanning).
Trên đây chỉ là mô tả hoạt động đơn giản của một PLC, với hoạt động này sẽ giúp cho người thiết kế nắm được nguyên tắc của một PLC. Nhằm cụ thể hóa hoạt động của một PLC, sơ đồ hoạt động của một PLC là một vòng quét (scan) như sau:
Hình :một vòng quét của PLC
Thực tế khi PLC thực hiện chương trình (Program Execution), PLC khi cập nhật tín hệ ngõ vào (ON/OFF), các tín hiệu này không được truy xuất tức thời để đưa ra (Update) ở ngõ ra mà quá trình cập nhật tín hiệu ở ngõ ra (ON/OFF) phải theo hai bước: khi xử lý thực hiện chương trình, vi xử lý sẽ chuyển đổi các mức logic tương ứng ở ngõ ra trong “chương trình nội” (đã được lập trình), các mức logic này sẽ chuyển đổi ON/OFF.Tuy nhiên lúc này các tín hiệu ở ngõ ra “thật” (tức tín hiệu được đưa ra tại Module out) vẫn chưa được đưa ra. Khi xử lý kết thúc chương trình xử lý, việc chuyển đổi các mức logic (của các tiếp điểm) đã hoàn thành thì việc cập nhật các tín hiệu ở ngõ ra mới thực sự tác động lên ngõ ra để điều khiển các thiết bị ở ngõ ra.
Thường việc thực thi một vòng quét xảy ra với thời gian rất ngắn, một vòng quét đơn (single scan) có thời gian thực hiện một vòng quét từ 1ms tới 100ms. Việc thực hiện một chu kỳ quét dài hay ngắn còn phụ thuộc vào độ dài của chương trình và cả mức độ giao tiếp giữa PLC với các thiết bị ngoại vi (màn hình hiển thị…). Vi xử lý chỉ có đọc được tín hiệu ở ngõ vào chỉ khi nào tín hiệu này tác động với khoảng thời gian lớn hơn một chu kỳ quét. Nếu thời gian tác động ở ngõ vào nhỏ hơn một chu kỳ quét thì vi xử lý xem như
Đọc ngõ vào Gửi đến ngõ ra Tự chẩn đoán Xử lý các yêu cầu giao tiếp Thực hiện chương trình
không có tín hiệu này. Tuy nhiên trong thực tế sản xuất, thường các hệ thống chấp hành là các hệ thống cơ khí nên tốc độ quét như trên có thể đáp ứng được các chức năng của dây chuyền sản xuất. Để khắc phục khoảng thời gian quét dài, ảnh hưởng đến chu trình sản xuất, các nhà thiết kế còn thiết kế hệ thống PLC cập nhật tức thời, các hệ thống này thường được áp dụng cho các PLC lớn có số lượng I/O nhiều, truy cập và xử lý lượng thông tin lớn.
III-So sánh PLC với các hệ thống điều khiển khác _ Lợi ích của việc
sử dụng PLC:
1-So sánh PLC với các hệ thống điều khiển khác: a-PLC với hệ thống điều khiển bằng Relay:
Việc phát triển hệ thống điều khiển bằng lập trình đã dần dần thay thế từng bước hệ thống điều khiển bằng Relay trong các quá trình sản xuất. Khi thiết kế một hệ thống điều khiển hiện đại, người kỹ sư phải cân nhắc, lựa chọn các hệ thống, hệ thống điều khiển lập trình thường được sử dụng thay cho hệ thống điều khiển bằng Relay do các nguyên nhân sau:
- Thay đổi trình tự điều khiển một cách linh động. - Có độ tin cậy cao.
- Khoảng không lắp đặt thiết bị nhỏ, không chiếm diện tích. - Có khả năng đưa tín hiệu điều khiển ở ngõ ra cao.
- Sự chọn lựa dữ liệu một cách thuận lợi, dễ dàng.
- Dễ dàng thay đổi cấu hình (hệ thống máy móc sản xuất) trong tương lai khi có nhu cầu mở rộng sản xuất.
Đặc trưng cho hệ thống điều khiển chương trình là phù hợp với những nhu cầu đã nêu trên, đồng thời về mặt kinh tế và thời gian thì hệ thống điều khiển lập trình cũng vượt trội hơn hệ thống điều khiển cổ điển (Relay, Contactor,…). Hệ thống điều khiển này cũng phù hợp với sự mở rộng hệ thống trong tương lai do không phải đổi, bỏ hệ thống dây nối giữa hệ thống điều khiển và các thiết bị, mà chỉ đơn giản là thay đổi chương trình cho phù hợp với điều kiện sản xuất mới.
b-PLC với máy tính:
Cấu trúc giữa máy tính với PLC đều dựa trên bộ vi xử lý (CPU) để xử lý dữ liệu. Tuy nhiên có một vài cấu trúc quan trọng cần phân biệt để thấy rõ sự