1/ Biến trở:
Biến trở là các thiết bị có ựiện trở thuần có thể biến ựổi ựược theo ý muốn. Chúng có thể ựược sử dụng trong các mạch ựiện ựể ựiều chỉnh hoạt ựộng của mạch ựiện.
điện trở của thiết bị có thể ựược thay ựổi bằng cách thay ựổi chiều dài của dây dẫn ựiện trong thiết bị, hoặc bằng các tác ựộng khác như nhiệt ựộ thay ựổi, ánh sáng hoặc bức xạ ựiện từ, ...
Ký hiệu của biến trở trong sơ ựồ mạch ựiện có thể ở các dạng như sau:
Hình 3.1: biến trở a/ kắ hiệu b/ ảnh chụp biến trở
để ứng dụng biến trở làm cảm biến cho việc xác ựịnh ựộ dài cuôn hoặc xả cáp trong hành trình của tầu cuốc là không khả thi bởi:
- Khi tầu hoạt ựộng trên sông thông thường ựộ dài cáp cuôn và hoặc xả ra khi dịch chuyển khoảng từ 20 ựến 40 mét, mà biến trở ựộ ựiều chỉnh có hạn, hoặc nếu ta chuyển ựổi góc ựọ ựể ựiều chỉnh thì bài toán sẽ phức tạp và sẽ cố sai số lớn.
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 26. 2/ Bộ ựo góc, dịch chuyển (Encorder):
Hiện nay có nhiều phương pháp khác nhau ựể xãc ựịnh góc dịch chuyển. Một trong những cách phổ biến hiện nay cho ựộ chắnh xác cao sử dụng ựơn giản là dùng bộ mã hoá góc quay còn gọi là bộ encode. Trên thế giới hiện nay có nhiều loại khác nhau do rất nhiều hãng sản xuất nhưng ựều dựa trên nguyên tắc chung thu chuyển ựổi quang ựiện. Gồm hai phần chắnh là ựĩa chia vạch và bộ cảm biến.
đĩa chia vạch:
đĩa chia vạch là một ựĩa tròn trên ựó có các vạch chia ựều. Vật liệu làm ựĩa ựa dạng chủ yếu là ựĩa nhôm, chất dẻo, thuỷ tinh dưới dạng thấu kắnhẦđĩa kắnh chắnh là chuẩn ựo của bộ mã hoá, ựược chế tạo từ loại thuỷ tinh ựặc biệt, có hệ số giãn nở nhiệt thấp, chỉ khoảng 8..10ppm/K( 8.106/ựộ ). Trên một ựĩa có một lưới chia ựộ gồm các vạch ựen xen kẽ các khoảng trắng một cách ựều ựặn theo phương hương kắnh. Kắch thước các khoang trắng ựúng bằng kắch thước các vạch ựen. Các vạch ựen có thành phần là hơi crom ựược ngưng tụ trên mặt ựĩa ( theo quá trình xử lý của hãng HEIDENHAIN ). Các vạch ựen có tác dụng chắn sáng, còn khoảng trắng trong suốt giữa các vạch ựen ựể ánh sáng truyền qua.
Hình 3.2: Hình ảnh ựĩa chia vạch và ựĩa gia công encorder
đĩa kắnh có bán kắnh càng lớn thì khả năng chia ựộ càng cao. Khi ựĩa kắnh quay ánh sáng từ nguồn phát truyền qua những khoảng trắng ựến các diot thu ựặt ựối diện tạo ra những tắn hiệu ựiện. Các tắn hiệu này qua quá trình
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 27.
sử lý ựể thu ựược kết quả là góc quay của cánh tay ựòn. Ngoài ra còn có các vạch hướng tâm ựánh dấu chuẩn 0 ở phần dưới của lưới chia ựộ. để tạo ra ựược sự thay ựổi quang thông khi cho luồng ánh sáng truyền qua ựĩa kắnh quay người ta thay ựổi diện tắch cản quang bắng cách sử dụng một lưới (mặt nạ) ựứng yên. Tấm lưới này có cấu tạo như sau :Trên lưới có 4 ô cửa sổ, mỗi ô có các vạch khắc mà chiều rộng vạch khắc, khoảng trắng và chu kỳ vạch khắc giống hệt nhau trên ựĩa kắnh, nhưng khoảng cách giữa các ô không ựều nhau mà bố trắ sao cho khi áp lưới lên trên ựĩa các vạch trắng trên 4 ô lưới lệch pha nhau cả chu kỳ vạch khắc.
Bộ cảm biến:
Nguyên tắc bộ cảm biến dựa trên bộ chuyển ựổi quang ựiện. Nguyên tắc chuyển ựổi quang ựiện ựược xây dựng dựa trên cơ sở ựiều khiển luồng ánh sáng ựi qua hai mành chuyển ựộng tương ựối với nhau làm cho quang thông ựi tới các tế bào quang ựiện thay ựổi. Các tế bào quang ựiện này có nhiệm vụ biến ựổi các tắn hiệu quang sang tắn hiệu ựiện. Tắn hiệu nhận ựược là tắn hiệu thay ựổi có quy luật, ựược cho qua bộ biến ựổi ựể ựưa về tắn hiệu dạng hình sin hoặc dạng tắn hiệu xung cơ bản. Bộ phận dò của ựĩa quang gồm nguồn ánh sáng (LED), một thấu kắn hội tụ ựể tập chung ánh sáng chiếu qua ựĩa khắc vạch và mặt nạ. Các tế bào quang ựiện ựược ựặt ựối diện với các nguồn sáng sau khi ựã ựi qua ựĩa kắnh và mặt nạ. Sau khi ựĩa quay, có sự di chuyển tương ựối giữa ựĩa kắnh và mặt nạ. Diện tắch cho ánh sáng truyền qua bị thay ựổi gây ra sự thay ựổi quang thông nhận ựược trên các tế bào quang ựiện thu. Sự thay ựổi quang thông này ựược chuyển sang tắn hiệu ựiện có chu kỳ rồi chuyển ựến bộ phận thu và sau ựó cho qua bộ phận sử lý tắn hiệu thành các tắn hiệu số tương ứng.
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 28. Encorder lắp trên Mô hình Tầu cuốc HB16:
+ Trên puly hướng cáp khoan các lỗ khe sáng, một bên phát và một bên thu. Khi cáp neo chạy qua puly hướng cáp làm puly hướng cáp quay ựồng thời ta thu ựược tắn hiệu. từ ựó ta qui ựổi từ tắn hiệu tương ứng với số mét cáp cuộn vào hoặc xả ra ựể ra quyết ựịnh ựiều khiển ựộng cơ truyền ựông cho tời.
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 29.
Hình3.4: hình ảnh encorder tời nâng hạ dàn phay
Hình 3.5: Sơựồ mạch encorder
Bán kắnh của puly hướng cáp R = 20mm
Chu vi của puly hướng cáp: C = 2πR = 2.3,14.20 = 125.6mm Vậy 1 vòng quay của puly hướng cáp là 125.6mm
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 30.
Trên puly hướng cáp có khoan 4 lỗ khe sáng, mỗi khe sang tương ứng 1 xung ựiều khiển, vậy phải qui ựổi 1 xung tương ứng với ựơn vị ựộ dài như sau:
1 xung = C/4 = 125.6mm = 31, 4 mm
Khi yêu cầu công nghệ là phải dịch chuyển ựộ dài bao nhiêu thi tương ứng bấy nhiêu xung, tuy nhiên có sai số gần bằng 31, 4 mm.
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 31.
đo ựộ sâu h từ mặt nước ựến ựáy sông, ựộng cơ M1 truyền chuyển ựộng ựể ựầu thước ựi xuống ựáy sông, khi thước tiếp ựến ựáy sông sẽ tác ựộng vào công tắc hành trình và M1 dừng.
Trên thước ựo ựộ sâu gia công nhiều khe sáng, khoảng cách giữa các khe sáng là 20mm và tương ứng với 1 xung.
3/ Cảm biến áp suất :
a/ b/ c/
Hình 3.7: a-đồng hồựo áp suất hút của bơm bùn; b- cảm biến áp suất Pressure Sensor (CP 8001); c- A-105A
Trên mặt hiển thị của ựồng hồ áp suất giải ựo từ 0 Ờ 760mmHg. Trong khi thi công người công nhân vận hành căn cứ vào áp suất trên ựồng hồ ựo biết ựược mức ựọ làm việc của bơm bùn, từ ựó ựiều khiển các tời ựịch chuyển hợp lý nhằm tạo ra năng suất cao.
Áp suất bơm bùn: từ 200 - 300 mHg nước lên nhưng dung dịch bùn ở trạng thái rất loãng tức là không năng suất, Áp suất bơm bùn: từ 300- 400mHg dung dịch bùn ựạt ựịnh mức, Áp suất bơm bùn: từ >400mHg thì bơm bùn bị tắc. để lấy tắn hiệu ựiều khiển, cần chọn cảm biến áp suất. Khi áp
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 32.
suất thay ựổi thì ựưa tắn hiệu về ựể ựiều khiển dưới dạng dòng ựiện có dải thay ựổi từ 4 Ờ 20mA dạng analog.
Pressure Sensor (CP 8001)
Nhiệt ựộ rộng, -40 ~ 125C, phạm vi áp lực cao ựể 70MPa, kắch thước nhỏ gọn, ắt hơn 12mm, phạm vi áp suất: 0-1 ~ 100MPa, 1-10VDC, hoặc tắn hiệu ựầu ra 4-20mA
The A-105A : là ựầu ựo áp lực mang lại một mức ựộ cao, nội bộ- khuếch ựại 1-5VDC, 1-10VDC, hoặc tắn hiệu ựầu ra 4-20mA. The A-105A có thể hoàn toàn làm việc trong môi trương có ựộ kiềm từ 17 - 4PH vì nó ựược chế tạo bằng thép không gỉ và kắn, nó có khả năng làm việc trong các môi trường khắc nghiệt hoặc ăn mòn[7].
Bởi vì chúng ta biết rằng ổn ựịnh lâu dài là chìa khóa ựể duy trì hiệu suất cao chắnh xác của cảm biến của chúng tôi trong dài hạn. Bộ cảm biến áp suất ựã ựược thử trong hơn 8 năm và chưa bao giờ di chuyển hơn 0,05% FS.
Qua khảo sát trên, lựa chọn cảm biến áp suất có dải ựo 0-100MP, ựầu tắn hiệu analog ựưa vào PLC có ựiện áp 10DCV, dải dòng 4-20mA là hợp lý.
Nhưng do giá thành của các cảm biến áp suất cao, lên khi làm thực nghiệm trên mô hình ựể khảo sát sự thay ựổi tốc ựộ ựộng cơ tời biên khi áp
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 33.
suất thay ựổi, tức là chỉ cần ựiều chỉnh dòng ựiện, như vậy chỉ cần sử dụng biến trở.
3.1.2. Lựa chọn ựiều khiển ựộng cơ
điều hành trình của cuốc dịch chuyển trong thi công chắnh là ựiều khiển các dộng cơ không ựồng bộ 3 pha. Việc ựiều khiển ựộng cơ không ựồng bộ 3 pha có nhiều phương pháp.
3.1.1.1. Các phương pháp ựiều khiển ựộng cơ
- điều khiển ựộng cơ không ựồng bộ 3 pha có các phương pháp khởi ựộng và ựiều chỉnh tốc ựộ như sau[8]:
- Phương pháp khởi ựộng trực tiếp: ựây là phương pháp ựơn giản ựóng cắt trực tiếp nguồn ựiện xoay chiều 3 pha cung cấp cho ựộng cơ bằng các khắ cụ như: cầu dao, áp tô mát, công tắc tơ, rơle,ẦPhương pháp này thường áp dụng với ựộng cơ có công suất nhỏ, ắt tốn kém ựến kinh phắ trang bị ựiện. - Phương pháp mở máy qua cuộn kháng:
Khi khởi ựộng ựóng cầu dao CD1, dòng ựiện chạy qua cuôn kháng tới ựộng cơ, khi ựộng cơ ựạt tốc ựộ gần bằng tốc ựộ ựịnh mức thắ ựóng cầu dao CD2 ựể loại cuôn kháng.
- Phương pháp mở máy qua biến áp tự ngẫu:
đóng cầu dao CD1và CD3, ựộng cơ khởi ựộng qua biến áp tự ngẫu TN. Cắt CD3,ựóng CD2 ựộng cơ làm việc trực tiếp với lưới ựiện.
Phương pháp này có thể ựiều chỉnh ựược dòng khởi ựộng ựộng cơ. - Phương pháp khởi ựộng Y-∆(ựối với ựộng cơ làm việc ở chế ựộ ∆) - Khởi ựộng và ựiều chỉnh tốc ựộ ựộng cơ bằng phương pháp thay ựổi ựiện áp:
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 34.
- Khởi ựộng và ựiều chỉnh tốc ựộ ựộng cơ bằng phương pháp thay ựổi tần số[9]:
- Khởi ựộng và ựiều chỉnh tốc ựộ ựộng cơ bằng phương pháp thay ựổi số ựôi cực: chế ựộ ∆ sang YY(sao kép); Y sang YY. Có nghĩa là ựộng cơ lúc làm việc ở chế ựộ 4 cực chuyển sang chế ựộ 2 cực, nên tốc ựộ thay ựổi: n = 60 f/ p (p: số ựôi cực)
3.1.1.2. Kết luận lựa chọn phương pháp ựiều khiển ựộng cơ ựiện trên Tầu
cuốc HB16
Có nhiều phương pháp khởi ựộng và ựiều chỉnh tốc ựộ cho ựộng cơ không ựồng bộ 3 pha, nhưng ựộng cơ ựiện 3 pha trang bị cho hệ thống tời dịch chuyển trên tầu cuốc HB16 là ựộng cơ có công suất nhỏ nên khởi ựộng bằng phương pháp ựóng ựiện trực tiếp.
Do qui trình công nghệ ựiều khiển tầu cuốc, nên các ựộng cơ trên tầu không ựòi hỏi ựiều chỉnh tốc ựộ phức tạp, các ựộng cơ ựược ựiều khiển on-off và ựảo chiều quay. Chỉ có ựộng cơ tời biên là có thay ựổi tốc ựộ bằng phương pháp chuyển ựổi số ựôi cực từ ựấu tam giác chuyển sang sao kép.
3.1.3. Lựa chọn bộựiều khiển trung tâm
Trong phần 3.1.1. ở trên ựã trình bày về các ựiểm cần ựiều khiển và giám sát trên tầu cuốc HB16, nhưng khi sử dụng các cảm biến ựó là hệ thu thập tại từng vị trắ, nó mang tắnh chất riêng lẻ, không có kả năng kết nối ựiều khiển. Vì vậy cần bộ ựiều khiển ựể kết nối và ựiều khiển các ựộng cơ hoạt ựộng logic.
3.1.1.3. Lịch sử hình thành và sử dụng các bộ ựiều khiển trung tâm
Trong thập kỷ 60 và thập kỷ 70, ựó là giai ựoạn ựầu của thời kỳ phát triển công nghiệp, các hệ thống ựiều khiển ựược thực hiện bằng các rơle ựiện từ nối với nhau bằng các dây dẫn ựiện trong bảng ựiều khiển, trong nhiều
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 35.
tường hợp bảng ựiều khiển kắch thước quá lớn ựến lỗi không thể gắn lên trên máy hoặc trên tường và các dây nối cũng không hoàn toàn tốt vì thế rất thường xảy ra trục trặc trong hệ thống. Hơn nữa thời gian làm việc của các rơle có giới hạn nên khi cần thay thế cần phải dừng toàn bộ hệ thống và thời gian thay thế, ựấu nối lại các ựầu dây dẫn mất rất nhiều thời gian, việc thay ựổi chương trình hay sửa lỗi chương trình không linh hoạt và phức tạp, ựòi hỏi người thợ bảo trì và sửa chữa có tay nghề cao.
Do những nhược ựiểm của bộ ựiều khiển bằng rơle, vào cuối thập kỷ 70, ựầu thập kỷ 80 của thế kỷ 20, người ta ựã phát minh ra bộ ựiều khiển khả lập trình PLC.
Sự phát triển mạnh của khoa học kỹ thuật, ngành tự ựộng hóa phát triển mạnh mẽ với nhiều hệ thống ựiều khiển, với nhiều nhà sản xuất.
Khái quát một số hệ thống ựiều khiển: a/ Khái quát Hệ thống nhúng(vi ựiều khiển)
Hệ thống nhúng (Embedded system) là một thuật ngữ ựể chỉ một hệ thống có khả năng tự trị ựược nhúng vào trong một môi trường hay một hệ thống mẹ. đó là các hệ thống tắch hợp cả phần cứng và phần phềm phục vụ các bài toán chuyên dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, tự ựộng hoá ựiều khiển, quan trắc và truyền tin. đặc ựiểm của các hệ thống nhúng là hoạt ựộng ổn ựịnh và có tắnh năng tự ựộng hoá cao.
Hệ thống nhúng thường ựược thiết kế ựể thực hiện một chức năng chuyên biệt nào ựó. Khác với các máy tắnh ựa chức năng, chẳng hạn như máy tắnh cá nhân, một hệ thống nhúng chỉ thực hiện một hoặc một vài chức năng nhất ựịnh, thường ựi kèm với những yêu cầu cụ thể và bao gồm một số thiết bị máy móc và phần cứng chuyên dụng mà ta không tìm thấy trong một máy tắnh ựa năng nói chung. Vì hệ thống chỉ ựược xây dựng cho một số nhiệm vụ
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ... 36.
nhất ựịnh nên các nhà thiết kế có thể tối ưu hóa nó nhằm giảm thiểu kắch thước và chi phắ sản xuất. Các hệ thống nhúng thường ựược sản xuất hàng loạt với số lượng lớn. Hệ thống nhúng rất ựa dạng, phong phú về chủng loại. đó có thể là những thiết bị cầm tay nhỏ gọn như ựồng hồ kĩ thuật số và máy chơi nhạc MP3, hoặc những sản phẩm lớn như ựèn giao thông, bộ kiểm soát trong nhà máy hoặc hệ thống kiểm soát các máy năng lượng hạt nhân. Xét về ựộ phức tạp, hệ thống nhúng có thể rất ựơn giản với một vi ựiều khiển hoặc rất phức tạp với nhiều ựơn vị, các thiết bị ngoại vi và mạng lưới ựược nằm gọn trong một lớp vỏ máy lớn.
Các thiết bị PDA hoặc máy tắnh cầm tay cũng có một số ựặc ựiểm tương tự với hệ thống nhúng như các hệ ựiều hành hoặc vi xử lý ựiều khiển chúng nhưng các thiết bị này không phải là hệ thống nhúng thật sự bởi chúng là các thiết bị ựa năng, cho phép sử dụng nhiều ứng dụng và kết nối ựến nhiều thiết bị ngoại vi.
Hệ thống nhúng thường có một số ựặc ựiểm chung như sau:
Các hệ thống nhúng ựược thiết kế ựể thực hiện một số nhiệm vụ chuyên dụng chứ không phải ựóng vai trò là các hệ thống máy tắnh ựa chức