Thiết kế cơ khí và gia công mô hình hệ thống hồi lưu nước nóng dân dụng

Hiện nay có rất nhiều ứng dụng đã được ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày cũng như trong công nghiệp sản xuất và quân sự… Đặc biệt trong công nghiệp, khoa học kỹ thuật ngày càng được phá

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới các thầy cô giáo trong trường Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông – Đại học Thái Nguyên nói chung và các thầy cô giáo trong Khoa Công nghệ Tự động hóa nói riêng đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho em những kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian qua

Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn tới cô giáo ThS PHẠM THỊ HỒNG ANH, cô đã tận tình giúp đỡ, trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn trong suốt quá trình làm

đồ án tốt nghiệp Trong quá trình làm việc với cô, em không ngừng tiếp thu thêm nhiều kiến thức bổ ích mà còn học tập được tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệu quả, đây là những điều rất cần thiết cho em trong quá trình học tập và làm việc sau này

Sau cùng em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè đã động viên, góp ý, và giúp đỡ trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành đồ án tốt nghiệp

Do thời gian hoàn thành đồ án có giới hạn, chắc chắn rằng đồ án không tránh khỏi những thiếu sót nên em rất mong được sự đóng góp ý kiến của quý thầy

cô và các bạn để đồ án tốt nghiệp của em được hoàn thiện hơn

Thái Nguyên, ngày… tháng 06 năm 2016

Sinh viên thực hiện

Đặng Văn Tuấn

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam kết ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP là công trình nghiên cứu của bản

thân em dưới sự hướng dẫn của ThS PHẠM THỊ HỒNG ANH.

Các kết quả nêu trong ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP là trung thực, không phải là sao chép toàn văn của bất kỳ công trình nào khác, nếu sai em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật của nhà trường

Thái Nguyên, tháng 06 năm 2016

Người cam đoan

Đặng Văn Tuấn

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT 2

1.1 Tổng quan về hệ thống điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu SCADA

2

1.1.1 Khái quát chung về SCADA 2

1.1.2 Sự phân cấp quản lý của hệ thống SCADA 5

1.1.3 Phần cứng hệ thống SCADA 6

1.1.4 Phần mềm hệ thống SCADA 7

1.1.5 Truyền tin trong hệ SCADA 8

1.2 Thiết bị điều khiển cấp trường 9

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ VÀ GIA CÔNG MÔ HÌNH 27

HỆ THỐNG HỒI LƯU NƯỚC NÓNG DÂN DỤNG 27

2.1 Hệ thống hồi lưu nước nóng dân dụng 27

2.1.1 Tổng quan 27

2.1.2 Sơ đồ hệ thống 29

KẾT LUẬN 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Các thành phần cơ bản của hệ thống SCADA.2

Hình 1.2 Mô hình phân cấp chức năng của hệ thống điều khiển và giám sát 6Hình 1.3 Cấu trúc phần mềm hệ thống điều khiển và giám sát SCADA 8Hình 1.4 Sơ đồ đo mức theo phương pháp thủy tĩnh 14

Hình 1.5 Cảm biến độ dẫn 15

Hình 1.6 Cảm biến đo mức bằng tia bức xạ 17

Hình 1.7 Dấu hiệu hoạt động và ký hiệu cảu bơm 19

Hình 1.8 Cấu trúc bộ điều khiển PLC 21

Hình 1.9 Ghép nối vào/ra với PLC 22

Hình 1.10 Hệ thống điều khiển sử dụng PLC 22

Hình 1.11 Mối quan hệ giữa các ngôn ngữ lập trình PLC 24

Hình 2.1 Sơ đồ điều khiển hệ thống hồi nước nóng nhiều trục 28

Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống 29

Hình 2.3 Máy tính Dell Vostro 3360 31

Hình 2.4 Giao diện HMI 32

Hình 2.5 PLC SIEMENS S7 1200 CPU1214C 36

Hình 2.6 Cấu tạo của Relay trung gian 37

Hình 2.7 Relay trung gian 39

Hình 2.8 Sơ đồ khối relay 24V 39

Hình 2.9 Bộ nguồn 12VDC 40

Hình 2.10 Bộ chuyển đổi điện áp 220V sang 24V 40

Hình 2.11 Bơm tại ví trí đường ống cấp nước lạnh vào vào bình nước nóng.41

Hình 2.12 Bơm hôi lưu và bơm tại ví trí cấp nước nóng đến khu vực sử dụng

42

Hình 2.13 Cấu tạo của van điện 1 chiều 43

Hình 2.14 Van điện 44

Hình 2.15 Phao điện RADAR 45

Hình 2.16 Dây đo nhiệt độ NTC MF58 46

Hình 2.17 Sơ đồ nguyên lý của dây cảm biến đo nhiệt độ NTC-MF58 47Hình 2.18 Mạch hiển thị nhiệt độ 48

Hình 2.19 Bình chứa nước lạnh 48

Hình 2.20 Bình đựng nước nóng 49

Hình 2.21 Ống nhựa 49

Hình 2.22 Ruột ấm inox 50

Hình 2.23 Mô hình hồi lưu nước nóng dân dụng 51

Hình 2.24 Đi dây bảng Relay 24V 52

Hinh 2.25 Đường ống từ bình nước lạnh tới bơm 1 52

Hình 2.26 Đường ống từ bơm 1 đến van 1 53

Hình 2.29 Đường ống từ van 1 đến bình nước nóng 53

Hình 2.27 Đường ống từ bình nước nóng đưa nước xuống phía dưới để sử dụng

54

Hình 2.28 Đường ống đưa nước còn thừa trong đường ống hồi lưu lại bình nước nóng 55

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Các đặc điêm của các loại CPU trong PLC S7- 1200 35

Bảng 2.2 Giá của các loại PLC S7- 1200 36

Bảng 2.3 Thông số kĩ thuật của Relay trung gian 39

Bảng 2.4 Thông số kĩ thuật của bơm, bơm tại ví trí đường ống cấp nước lạnh vào vào bình nước nóng.41

Bảng 2.5 Thông số kĩ thuât của bơm hôi lưu và bơm tại ví trí cấp nước nóng đến khu vực sử dụng 42

Bảng 2.6 So sánh giữu các thiết bị cảm biến 46

Bảng 2.7 Thông số kĩ thuật của dây cảm biến đo nhiệt độ NTC-MF5 47

Bảng 2.8 Thông số kĩ thuật của ruột ấm inox 50

Bảng 2.9 Bảng kí hiệu.tên các thiết bị 50

Bảng 2.10 Các thiết bị đầu cuối trong hệ thống 51

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay khoa học kĩ thuật phát triển rất mạnh mẽ và được ứng dụng trong tất cả các lĩnh vực của cuộc sống Việc ứng dụng khoa học kỹ thuật để tăng năng suất lao động, tiết kiệm chi phí, năng lượng và đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao của con người là rất cần thiết Hiện nay có rất nhiều ứng dụng đã được ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày cũng như trong công nghiệp sản xuất và quân sự… Đặc biệt trong công nghiệp, khoa học kỹ thuật ngày càng được phát triển mạnh mẽ như:

Hệ thống cảm biến, hệ thống chuyển động linh hoạt, hệ thống điều khiển thông minh…

Xuất phát từ tình hình thực tế việc sử dụng nước nóng trong các tòa nhà cao

tầng, các khách sạn vừa và nhỏ, em đã nghiên cứu và thực hiện đề tài « Thiết kế

cơ khí và gia công mô hình hệ thống hồi lưu nước nóng dân dụng » Đây chỉ là

một phần trong việc xây dựng hệ thống nước nóng dân dụng, tuy vậy em mong

rằng với đề tài này em sẽ củng cố được kiến thức đã học được trong trường và ứng dụng trong sản xuất.

Trong thời gian làm đồ án, với sự nỗ lực của bản thân, cùng với sự hướng dẫn tận tình của cô giáo hướng dẫn, sự giúp đỡ nhiệt tình của bạn bè, em đã hoàn thành được cơ bản các yêu cầu đặt ra của đồ án

Do thời gian làm đồ án và kiến thức của bản thân còn có hạn nên trong đồ

án không tránh khỏi những thiếu sót, vì vậy em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy, cô giáo để có thể hoàn thành đồ án này với kết quả tốt hơn nữa

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn cô giáo hướng dẫn: Th.S PHẠM THỊ HỒNG ANH, cùng các thầy cô giáo trong bộ môn đã giúp đỡ em hoàn thành

đồ án này

Thái nguyên tháng6 Năm 2016

Sinh viên

Đặng Văn Tuấn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT

1.1 Tổng quan về hệ thống điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu SCADA

1.1.1 Khái quát chung về SCADA

1.1.1.1 Khái niệm chung về SCADA

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition): là một hệ thống điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu, nói cách khác là một hệ thống hỗ trợ con người trong việc giám sát và điều khiển từ xa, ở cấp cao hơn hệ điều khiển tự động thông thường Để có thể điều khiển và giám sát từ xa thì hệ thống SCADA phải có hệ thống truy cập, truyền tải dữ liệu cũng như hệ giao diện người – máy (HMI –Human Machine Interface)

Hình 1.1 Các thành phần cơ bản của hệ thống SCADA.

Trong hệ thống điều khiển giám sát thì HMI là một thành phần quan trọng không chỉ ở cấp điều khiển, giám sát mà ở các cấp thấp hơn người ta cũng cần giao diện người – máy để phục vụ cho việc quan sát và thao tác vận hành ở cấp điều khiển cục bộ Vì lý do giá thành, đặc điểm kỹ thuật nên các màn hình vận hành (OP – Operator Panel), màn hình sờ (TP – Touch Panel), Multi Panel … chuyên

dụng được sử dụng nhiều và chiếm vai trò quan trọng hơn.

Nếu nhìn nhận SCADA theo quan điểm truyền thống thì nó là một hệ thống mạng và thiết bị có nhiệm vụ thuần túy là thu thập dữ liệu từ các trạm ở xa và truyền tải về khu trung tâm để xử lý Trong các hệ thống như vậy thì hệ truyền thông và phần cứng được đặt lên hằng đầu và cần sự quan tâm nhiều hơn Trong những năm gần đây sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ truyền thông công nghiệp

và công nghệ phần mềm trong công nghiệp đã đem lại nhiều khả năng và giải pháp mới nên trọng tâm của công việc thiết kế xây dựng hệ thống SCADA là lựa chọn công cụ phần mềm thiết kế giao diện và các giải pháp tích hợp hệ thống

1.1.1.2 Chức năng và vai trò của SCADA.

Mỗi hệ thống sản xuất công nghiệp thường được tổ chức theo nhiều cấp quản lý Mỗi cấp có nhiệm vụ đo lường, thu thập và điều khiển giám sát riêng lên từng đối tượng cụ thể của hệ thống Chính vì thế SCADA cho một hệ thống sản xuất công nghiệp cũng được phân ra từng cấp SCADA cụ thể, tùy vào quy mô của từng cấp mà có những yêu cầu cụ thể khác nhau song nói chung mỗi cấp SCADA

là phải thực hiện những dịch vụ sau:

 Thu thập số liệu từ xa (qua đường truyền số liệu) các số liệu về sản xuất

và tổ chức việc lưu trữ trong nhiều loại cơ sở số liệu (số liệu về lịch sử sản xuất, về

sự kiện thao tác, về báo động …)

 Điều khiển và giám sát hệ sản xuất trên cơ sở các dữ liệu đã thu thập được

 Thực hiện công tác truyền thông số liệu trong và ra ngoài hệ (đọc/ viết

số liệu PLC/ RTU (thiết bị đầu cuối điều khiển từ xa), trả lời các bản tin yêu cầu từ cấp trên về số liệu, về thao tác hệ)

 Nhìn chung SCADA là một sự kết hợp giữa phần cứng và phần mềm theo một phương thức truyền thông nào đó để tự động hóa việc quản lý giám sát, điều khiển cho một đối tượng công nghiệp Và ta nhận thấy rằng xu thế tự động hóa là một xu thế không thể tránh khỏi do vậy việc áp dụng bài toán SCADA là

một việc làm tất yếu nếu chúng ta không muốn tụt hậu trong sản xuất Vai trò của

nó là rất rõ ràng, SCADA giúp ta thu thập rất chính xác về hệ thống từ đó có thể đưa ra các quyết định đúng đắn về hệ, đồng thời ta cũng dễ dàng trong công tác điều khiển và ra quyết định Việc làm này sẽ giảm đáng kể việc chi phí về vấn đề nhân lực, về vận hành, góp phần đáng kể trong việc giảm giá thành sản phẩm, tăng sức cạnh tranh

1.1.1.3 Nguyên lý hoạt động của SCADA.

 Cơ chế thu thập dữ liệu.

Trong hệ SCADA, quá trình thu thập dữ liệu được thực hiện trước tiên ở quá trình các RTU quét thông tin có được từ các thiết bị chấp hành nối với chúng Thời gian để thực thi nhiệm vụ này được gọi là thời gian quét bên trong Các máy chủ quét các RTU (với tốc độ chậm hơn) để thu thập dữ liệu từ các RTU này

Để điều khiển, các máy chủ sẽ gửi tín hiệu yêu cầu xuống các RTU, từ đó cho phép các RTU gửi tín hiệu điều khiển trực tiếp xuống các thiết bị chấp hành thực thi nhiệm vụ

Trong trường hợp dữ liệu của hệ thống biến đổi liên tục theo thời gian, hệ SCADA thường hiển thị quá trình thay đổi dữ liệu này trên màn hình giao diện đồ họa (GUI) dưới dạng đồ thị

Một ưu điểm lớn của hệ SCADA là khả năng xử lý lỗi rất thành công khi hệ thống xảy ra sựu cố Nhìn chung, khi có sự cố hệ SCADA có thể lựa chọn một

trong các cách xử lý sau:

Sử dụng dữ liệu cất giữ trong các RTU: trong các hệ SCADA có các RTU

có dung lượng bộ nhớ lớn, khi hệ thống hoạt động ổn định dữ liệu sẽ được sao lưu vào trong bộ nhớ của RTU Do đó, khi xảy ra lỗi thì các RTU sẽ sử dụng tạm dữ liệu này cho đến khi hệ thống hoạt động trở lại bình thường

Sử dụng các phần cứng dự phòng của hệ thống: hầu hết các hệ SCADA đều được thiết kế thêm các bộ phận dự phòng, ví dụ như hệ thống truyền thông hai đường truyền, các RTU đôi hoặc hai máy chủ … do vậy, các bộ phận dự phòng này sẽ được đưa vào sử dụng khi hệ SCADA có sự cố hoặc hoạt động offline (có thể cho mục đích bảo dưỡng, sửa chữa, kiểm tra …)

 Nguyên lý hoạt động.

Khi các thiết bị đang vận hành vi phạm các giới hạn cho phép của các thông

số kỹ thuật hoặc bị sự cố, hệ thống tự động đưa ra các tín hiệu cảnh báo dạng chuông, còi, hiển thị nội dung cảnh báo bằng những dòng lệnh theo màu sắc và nhấp nháy, điều này giúp cho các kỹ sư điều hành hệ thống có những hành động ứng xử kịp thời để đưa các thiết bị trở lại trạng thái vận hành bình thường hoặc đưa các thiết bị dự phòng vào hoạt động thay thế nhằm đảm bảo cho hệ thống vẫn làm việc ở trạng thái ổn định và kinh tế Tất cả các sự kiện xảy ra đối với các thiết

bị trên hệ thống, các chế độ vận hành hệ thống đều được lưu trữ động theo trật tự thời gian, có độ chính xác đến từng mili giây (ms), có thể truy xuất khi cần thiết dưới dạng các bảng biểu, đồ thị giúp cho quá trình xử lý và phân tích sự cố được chính xác

1.1.2 Sự phân cấp quản lý của hệ thống SCADA

Việc giám sát, thu thập số liệu và điều khiển là rất cần thiết đối với một hệ thống công nghiệp bất kỳ Việc sử dụng một hệ thống điều khiển trung tâm để đảm nhiệm tất cả các chức năng giám sát và điều khiển hết sức phức tạp Chính vì vậy, tùy theo mức độ quan trọng và yêu cầu những tính năng giám sát, điều khiển mà các chức năng giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu được phân phối và phân cấp

cho các thiết bị khác nhau.

Hình 1.2 Mô hình phân cấp chức năng của hệ thống điều khiển và giám sát

1.1.3 Phần cứng hệ thống SCADA.

Một hệ thống SCADA bao gồm một số các thiết bị đầu cuối RTUs (Remote Termote Terminal Units) làm nhiệm vụ thu thập dữ liệu và gửi dữ liệu quay trở lại trạm chủ thông qua một hệ thống truyền thông Trạm chủ hiển thị các dữ liệu thu được và cho phép người vận hành thực hiện các nhiệm vụ điều khiển từ xa

Các dữ liệu chính xác và kịp thời cho phép tối ưu hóa các hoạt động nhà máy và quá trình Lợi ích khác của hệ thống SCADA là hiệu quả hơn, độ tin cậy cao, chi phí thấp và quan trọng nhất là an toàn hơn trong hoạt động

Một hệ thống SCADA phức tạp có năm cấp độ cơ bản sau:

 Thiết bị đo và thiết bị điều khiển

 Trạm đầu cuối và thiết bị đầu cuối RTU

Vì vậy các phần mềm mở được sử dụng phổ biến hơn vì khả năng tương tác của họ mang lại cho hệ thống Thường các phần mềm mở có khả năng trộn các nhà sản xuất thiết bị khác nhau trên cùng một hệ thống

Citect và WonderWare chỉ là hai trong số những gói phần mềm mở sẵn trên thị trường cho các hệ thống SCADA Một số gói phần mềm hiện nay bao gồm cả quản lý tài sản tích hợp trong hệ thống SCADA

Phần mềm SCADA sẽ bao gồm những phần chính sau:

 Giao diện người sử dụng

 Mạng truyền thông.

 Lỗi và dự phòng

 Quá trình phân phối máy chủ/ khách

Hình 1.3 Cấu trúc phần mềm hệ thống điều khiển và giám sát SCADA.

1.1.5 Truyền tin trong hệ SCADA.

Ngoài việc sử dụng các máy tính công nghiệp, các server, thiết bị mạng …

ở phòng theo dõi trung tâm Một bộ phận không thể thiếu được trong hệ SCADA

là hệ thống truyền tin Nó liên quan đến tính ổn định và sự chính xác của hệ thống

Vì vậy, một hệ truyền tin được chọn trong hệ SCADA phải thỏa mãn các tiêu chuẩn như: giải tốc độ truyền, giao thức truyền thông, truyền đồng bộ hay dị bộ, khoảng cách địa lý … Hệ thống truyền tin được chọn phải tương thích với thiết bị trường và máy chủ Server Một số thiết bị có thể sử dụng được để truyền dữ liệu trong hệ SCADA như sau: Modem RDT (Radio Data Technology) của Anh quốc

có các loại truyền sóng Radio, vô tuyến, các thiết bị thu phát sóng của Motorola, các bộ RTU, GPS Tùy theo mô hình, tùy theo phạm vi từng hệ SCADA mà ta áp dụng từng loại thiết bị trên sẽ phát huy hết tính năng tác dụng của nó

Hệ thống SCADA cấp quốc gia và miền dùng các RTU được thiết kế đặc biệt Ngoài ra, với nhiều hệ SCADA dùng PLC dùng thủ tục truyền tin là Profibus

 Truyền tin hiện trường:

Việc truyền tin hiện trường nhằm đảm bảo việc máy chủ thường xuyên thông tin với các PLC hay RTU

Các thông tin được thống nhất theo kiểu:

+ Máy chủ gửi từ một bảng tin từng lệnh đến PLC hay RTU trên bus mutidros

+ PLC hay RTU liên quan thực hiện mỗi lệnh đó và gửi tin trả lời kết quả.Các bản tin do máy chủ gửi đi thường là lệnh read các loại số liệu của PLC hay RTU và một vài lệnh write một số hệ số gán địa chỉ hay đơn vị cho các số đó

Các bản tin tức thời thường được gửi về các số lượng trạng thái đo của PLC hay RTU hay báo cáo có tình trạng có sai trong bản tin nhận được.

1.2 Thiết bị điều khiển cấp trường

s = F(m)Người ta gọi (s) là đại lượng đầu ra hoặc là phản ứng của cảm biến, (m) là đại lượng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc là đại lượng cần đo) Thông qua

đo đạc(s) cho phép nhận biết giá trị của (m)

 Phân loại cảm biến

Các bộ cảm biến được phân loại theo các đặc trưng cơ bản sau đây:

 Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích:

Bảng 1.1 Nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích.

Hiện tượng Chuyển đổi đáp ứng và kích thích

 Biến đổi hóa học

 Biến đổi điện hóa

 Phân loại theo dạng kích thích.

Bảng 1.2 Phân loại theo dạng kích thích.

 Điện trường (biên, pha, phân cực, phổ )

 Điện dẫn, hằng số điện môi…

Từ

 Từ trường ( biên, pha, phân cực, phổ )

 Từ thông, cường độ từ trường

 Theo tính năng của bộ cảm biến.

Bảng 1.3 Theo tính năng của bộ cảm biến.

 Phân loại theo phạm vi sử dụng

Bảng 1.4 Phân loại theo phạm vi sử dụng.

 Công nghiệp

 Nghiên cứu khoa học

 Môi trường, khí tượng

 Thông tin, viễn thông

 Phân loại theo thông số của mô hình mạch thay thế:

+ Cảm biến tích cực có đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng

+ Cảm biến thụ động được đặc trưng bằng các thông số R, L, C, M …tuyến

tính hoặc phi tuyến.

1.2.1.2 Các loại cảm biến

a Cảm biến nhiệt độ

 Khái niệm cơ bản về nhiệt độ: nhiệt độ là một trong những đại lượng có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất vật chất Bởi vậy trong nghiên cứu khoa học, trong công nghiệp cũng như trong đời sống hằng ngày việc đo nhiệt độ là rất cần thiết Tuy nhiên việc xác định chính xác một nhiệt độ là một vấn đề không đươn giản

Đa số các đại lượng vật lý đều có thể xác định trực tiếp nhờ so sánh chúng với một đại lượng cùng bản chất Nhiệt độ là đại lượng chỉ có thể đo gián tiếp dựa vào sự phụ thuộc của tính chất vật liệu vào nhiệt độ

 Các phương pháp đo nhiệt độ

Có nhiều cách đo nhiệt độ, trong đó có các phương pháp chính sau đây:

 Phương pháp quan dựa trên sự phân bố phổ bức xạ nhiệt do dao động nhiệt (hiệu ứng Doppler)

 Phương pháp cơ dựa trên sự dãn nở của vật rắn, của chất lỏng hoặc chất khí (với áp suất không đổi)

 Phương pháp điện đựa trên sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ

 Thang đo nhiệt độ

Nhiệt độ được chia làm 3 thang đo:

 Thang Kelvin: hay còn gọi là thang nhiệt độ động học tuyệt đối, đơn vị °

k Trong thang Kelvin này người ta gán cho nhiệt độ của điểm cân bằng của 3 trạng thái nước đá- nước- hơi ( rắn- lỏng- khí) một giá trị bằng 273,15°k ( thường được sử dụng là 273°k) Từ thang Kelvin người ta xác định thêm các thang mới là thang Celsius và thang Fahrenheit bằng cách dịch chuyển các giá trị nhiệt độ

 Thang Celsius: đơn vị nhiệt độ là °C, quan hệ giữa nhiệt độ Celsius và Kelvin được xác định bởi biểu thức sau:

T(°C)=T(°K) -273 (°C)

 Thang Fahrenheit đơn vị nhiệt độ là °F, ta chuyển đổi qua lại giữa °C và

°F như sau:

T(°C)= {T(°F)-32} (°C)T(°F)=T(°C)+32 (°F)

 Phân loại cảm biến nhiệt độ

 Cặp nhiệt điện (Thermocouple)

 Nhiệt điện trở (RTD- Resitance Temperature Detector)

Có hai dạng đo: đo liên tục và xác định theo ngưỡng

Khi đo liên tục biên độ hoặc tần số của tín hiệu đo cho biết thể tích chất lưu còn lại trong bình chứa Khi xác định theo ngưỡng, cảm biến đưa ra tín hiệu dạng nhị phân cho biết thông tin về tình trạng hiện tại mức ngưỡng có đạt hay không

Có ba phương pháp hay dùng trong kỹ thuật đo và phát hiện mức chất lưu:

 Phương pháp thủy tĩnh dùng biến đổi điện

 Phương pháp điện dựa trên tính chất điện của chất lưu

 Phương pháp bức xạ dựa trên sự tương tác giữa bức xạ và chất lưu

 Phương pháp thủy tĩnh.

Phương pháp thủy tĩnh dùng để đo mức chất lưu trong bình chứa

Hình 1.4 Sơ đồ đo mức theo phương pháp thủy tĩnh.

a) Dùng phao cầu; b) Dùng phao trụ; c) Dùng cảm biến áp suất vi sai.

Trong sơ đồ hình 1.10a phao (1) nổi trên mặt chất lưu được nối với đối trọng (5) bằng dây mềm (2) qua các ròng rọc (3), (4) Khi mức chất lưu thay đổi phao (1) nâng lên hoặc hạ xuống làm quay ròng rọc (4), một cảm biến vị trí gắn với trục quay của ròng rọc sẽ cho tín hiệu tỉ lệ với mức chất lưu

Trong sơ đồ 1.10b, phao hình trụ (1) nhúng chìm trong chất lưu, phía trên được đeo bởi một cảm biến đo lực (2) Trong quá trình đo, cảm biến chịu tác động của một lực tỉ lệ với chiều cao chất lưu

F= P-ρgSh

Trong đó:

P – trọng lượng phao

h - chiều cao phần ngập trong chất lưu của phao

S – tiết diện mặt cắt ngang của phao

ρ – khối lượng riêng của chất lưu g - gia tốc trọng trường

Trên sơ đồ 1.10c, sử dụng một cảm biến áp suất vi sai dạng màng (1) đặt sát

đáy bình chứa Một mặt của màng cảm biến chịu áp suất chất lưu gây ra:

p = po +ρgh

Mặt khác của màng cảm biến chịu tác động của áp suất po bằng áp suất ở đỉnh bình chứa Chênh lệch áp suất p-po sinh ra lực tác dụng lên màng của cảm biến làm nó biến dạng Biến dạng của màng tỉ lệ với chiều cao h của chất lưu trong bình chứa, đưuọc chuyển đổi thành tín hiệu điện nhờ các bộ biến đổi điện thích hợp

 Phương pháp điện.

Các cảm biến đo mức bằng phương pháp điện hoạt động hoạt động theo nguyên tắc chuyển đổi trực tiếp biến thiên mức chất lỏng thành tín hiệu điện dựa vào tính chất điện của chất lưu Các cảm biến thường dùng là cảm biến độ dẫn và cảm biến điện dung

(để tránh hiện tượng phân cực của các điện cực) Dòng điện chạy qua các điện cực

có biên độ tỉ lệ với chiều dài với phần điện cực nhúng chìm trong chất lỏng

Sơ đồ 1.11b chỉ sử dụng một điện cực, điện cực thứ hai là bình chứa bằng kim loại

Sơ đồ cảm biến hình 1.11c dùng để phát hiện ngưỡng, gồm hai điện cực ngắn đặt theo phương ngang, điện cực còn lại nối với thành bình kim loại, vị trí mỗi điện cực ngắn ứng với một mức ngưỡng Khi mức chất lỏng đạt tới điện cực, dòng điện trong mạch thay đổi mạnh về biên độ

 Cảm biến tụ điện

Khi chất lỏng là chất cách điện, có thể tạo tụ điện bằng hai cực hình trụ nhúng trong chất lỏng hoặc một điện cực thứ hai là bình chứa nếu thành bình làm bằng kim loại Chất điện môi giữa hai điện cực chính là chất lỏng ở phần điện cực

bị ngập và không khí ở phần không có chất lỏng Việc đo mức chất lưu được chuyển thành đo điện dung của tụ điện, điện dung này thay đổi theo mức chất lỏng trong bình chứa Điều kiện để áp dụng phương pháp này là hằng số điện môi của chất lỏng phỉa lớn hơn đáng kể hằng số điện môi của không khí (thường là gấp đôi)

Trong trường hợp chất lưu là chất dẫn điện, để tạo tụ điện người ta dùng một điện cực kim loại bên ngoài có phủ cách điện, lớp phủ đóng vai trò chất điện môi còn chất lưu đóng vai trò điện cực thứ hai

 Phương pháp bức xạ

Cảm biến bức xạ cho phép đo mức chất lưu mà không cần tiếp xúc với môi trường đo, ưu điểm này rất thích hợp khi đo mức ở điều kiện môi trường đo có nhiệt độ, áp suất cao hoặc môi trường có tính ăn mòn mạnh

Hình 1.6 Cảm biến đo mức bằng tia bức xạ.

 Cảm biến phát hiện ngưỡng b)Cảm biến đo mức liên tục.

1) Nguồn phát tia bức xạ 2) Bộ thu 3) Chất lưu.

Trong phương pháp này cảm biến gồm một nguồn phát tia (1) và bộ thu (2) đặt ở hai phía của bình chứa Nguồn phát thường là một nguồn bức xạ tia γ và bộ thu là một buồng ion hóa

Ở chế độ phát hiện mức ngưỡng (hình 1.12a) nguồn phát và bộ thu đặt đối diện nhau ở vị trí ngang mức ngưỡng cần phát hiện, chùm tia của nguồn phát mảnh

và gần như song song Tùy thuộc vào mức chất lưu (3) cao hơn hay thấp hơn mức ngưỡng mà chùm tia đến bộ thu sẽ bị suy giảm hoặc không, bộ thu sẽ phát ra tín hiệu tương ứng với các trạng thái so với mức ngưỡng

Ở chế độ đo mức liên tục (hình 1.12b), nguồn phát (1) phát ra chùm tia với một góc mở rộng quét lên toàn bộ chiều cao của mức chất lưu cần kiểm tra

và bộ thu

Khi mức chất lưu (3) tăng do sự hấp thụ của chất lưu tăng, chùm tia đến bộ thu (2) sẽ bị suy giảm, do đó tín hiệu từ bộ thu giảm theo Mức độ suy giảm của chùm tia bức xạ tỉ lệ với mức chất lưu trong bình chứa

1.2.2 Cơ cấu chấp hành

Cơ cấu chấp hành là các thiết bị điện (thường nằm trong hệ thống tự động điều khiển, điều chỉnh…) làm nhiệm vụ tạo ra một tác động nào đó (thường là cơ

học) dưới sự điều khiển của trung tâm như: van điện từ, động cơ …

1.2.2.1 VAN

a Vai trò

Van là thiết bị để điều khiển hoặc điều chỉnh việc khởi hành, dừng lại và chiều dòng, cũng như áp suất hay dòng chảy (lưu lượng) của môi chất được cung cấp từ bơm hoặc chứa trong bình chứa

+ Van hai ngả kết cấu khối

 Van phân phối: Van phân phối được phân biệt theo chức năng là van phân phối không tiết lưu và van phân phối tiết lưu Loại thứ nhất chỉ dùng để điều khiển khởi hành, dừng lại và điều khiển chiều dòng dầu, còn loại thứ hai có thêm các phương án khuếch đại lưu lượng Chúng cho phép thay đổi vô cấp số lượng bất

kỳ các vị trí trung gian giữa hai vị trí đầu và cuối của hành trình

 Van chặn: Van chặn có tác dụng chặn dòng dầu theo một hướng và cho lưu thông dòng dầu theo hướng ngược lại Các phần tử chặn được sử dụng là bi cầu hoặc đầu côn để tạo thành van đế tựa Hiện có các loại van chặn dưới đây:

- Van chặn dòng đơn giả

- Van chặn dòng khử chặn được

- Van chặn dòng tiết lưu

 Van áp suất : Như đã biết, công suất thuỷ lực P = p.Q có thể thay đổi được nhờ thay đổi lưu lượng Q hoặc thay đổi áp suất p Để điều khiển lưu lượng có thể dùng van phân phối, để điều khiển áp suất có thể dùng van áp suất

 Van dòng: Van dòng được phân ra thành :

- Van tiết lưu

- Van điều chỉnh dòng

- Van chia dòng

c Ứng dụng.

 Ứng dụng trong máy khí nén: Trong công nghiệp người ta thường ứng dụng để giảm áp lực và làm chúng an toàn hơn với áp lực thấp hơn như thổi sạch bụi, bơm túi khí, bơm túi xe và chạy những thiết bị hỗ trợ khác

 Ứng dụng trong thiết bị thủy: Trong những thiết bị thủy, nơi mà hoạt động trong môi trường nước, chính vì vậy có độ nguy hiểm cao, người ta thường dùng để điều chỉnh áp suất tránh những áp suất của nước và của không khí vượt quá mức cho phép nhằm tránh gây hại và nguy hiểm đến người dùng như các thiết

bị trong ống dẫn dầu, ống dẫn nhiên liệu cho tàu thủy, ống dẫn nước cho tàu thủy…

 Ứng dụng trong nhành chế biến thực phẩm

 Ứng dụng đa dạng trong những nghành khác: Ngoài ra chúng còn được người ta dùng trong một số thành phần thiết yếu trong các máy móc khai khoáng, hay trong nghành dầu khi, kể cả trong lĩnh vực y học và hàng không

1.2.2.2 Bơm

a Vai trò

Bơm thủy lực có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng thủy lực và ngược lai động cơ thủy lực chuyển đổi năng lượng thủy lực đưa đến từ bơm thành năng lượng cơ học cung cấp cho các phụ tải chuyển động quay

b Phân loại

Theo hoạt động cơ bản có thể phân loại bơm và động cơ thủy lực thành hai dạng thay đổi được thể tích làm việc và không thay đổi được thể tích làm việc

Hình 1.7 Dấu hiệu hoạt động và ký hiệu cảu bơm

 Thể tích làm việc không đổi

 Thể tích làm việc thay đổi.

 Một chiều dòng.

 Hai chiều dòng.

c Ứng dụng

•Trong nông nghiệp: là thiết bị thực hiện thủy lợi hóa chăn nuôi trồng trọt

•Trong công nghiệp: bơm sử dụng trong các công trình khai thác mỏ, quạng dầu hay các công trình xây dựng

•Trong kỹ thuật vận chuyến: dùng bơm và đường ống dẫn để vận chuyển các sản phẩm khai thác mỏ (quạng dầu), hóa chất, nguyên vật liệu xây dựng

•Trong ngành chế tạo máy, bơm được sử dụng phổ biến, nó là một trong những bộ phận chủ yếu của hệ thống điều khiển và truyền động thủy lực trong máy

1.3 Thiết bị cấp điều khiển

1.3.1 Tổng quan

Nhiệm vụ chính của cấp điều khiển là nhận thông tin từ các bộ cảm biến, xử

lý các thông tin theo thuật toán nhất định và truyền đạt lại kết quả xuống các chấp hành Khi còn điều khiển thủ công, nhiệm vụ đó được người đứng máy trực tiếp đảm nhận qua việc theo dõi các công cụ đo lường, sử dụng kiến thức và kinh nghiệm để thực hiện những thao tác cần thiết như ấn nút đóng/ mở van, điều chỉnh cần gạt, núm xoay … Đặc tính nổi bật của cấp điều khiển là xử lý thông tin Cấp

điều khiển và cấp chấp hành hay được gọi chung là cấp trường (Field Lever) vì các

bộ điều khiển, cảm biến và chấp hành được cài đặt trực tiếp tại hiện trường gần kề với hệ thống kỹ thuật

- Dễ dàng sửa đổi thay thế

- Ổn định trong môi trường công nghiệp

- Giá cả cạnh tranh

Thiết bị điều khiển logic khả lập trình (PLC: Programmable Logic Control)

là loại thiểt bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình, thay cho việc thực hiện thuật toán đó bằng mạch số

Tương tự một mạch số:

Như vậy, với chương trình điều khiển trong mình, PLC trở thành bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quanh (với các PLC khác hoặc với máy tính) Toàn bộ chương trình điều khiển được lưu nhớ trong bộ nhớ PLC dưới dạng các khối chương trình (khối

OB, FC hoặc FB) và thực hiện lặp theo chu kỳ của vòng quét

Hình 1.8 Cấu trúc bộ điều khiển PLC

Để có thể thực hiện được một chương trình điều khiển, PLC phải có tính năng như một máy tính, nghĩa là phải có CPU, một hệ điều hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển, dữ liệu và các cổng vào/ra để giao tiếp với các đối tượng điều khiển và trao đổi với môi trường xung quanh Bên cạnh đó, nhằm phục vụ bài toán điều khiển số, PLC cần phải có thêm các khối chức năng đặc biệt khác như bộ đếm (counter), bộ định thì (timer) và những khối hàm chuyên dụng

Hình 1.9 Ghép nối vào/ra với PLC

Hình 1.10 Hệ thống điều khiển sử dụng PLC

Các ưu điểm khi sử dụng hệ thống điều khiển PLC:

 Không cần đấu dây cho sơ đồ điều khiển logic như kiểu dùng rơ le

 Có độ mềm dẻo cao, khi chỉ cần thay đổi chương trình (phần mềm) điều khiển

 Chiếm vị trí không gian nhỏ trong hệ thống

 Nhiều chức năng điều khiển

 Tốc độ cao

 Công suất tiêu thụ nhỏ

 Không cần quan tâm nhiều về vấn đề lắp đặt

 Có khả năng mở rộng số lượng đầu vào/ra khi nối thêm các khối vào/ra chức năng

 Tạo khả năng mở ra các lĩnh vực áp dụng mới.

 Giá thành không cao

Chính nhờ những ưu thế đó, PLC hiện nay được sử dụng rộng rãi trong các

hệ thống điều khiển tự động, cho phép nâng cao năng suất sản xuất, chất lượng và

sự đồng nhất sản phẩm, tăng hiệu suất, giảm năng lượng tiêu tốn, tăng mức an toàn, tiện nghi và thoải mái trong lao động

1.3.2.2 Phân loại

Các PLC được phân loại theo 2 cách:

- Hãng sản xuất: gồm các nhãn hiệu như Siemens, Omron, Misubishi, Alenbratlay

- Version:

Ví dụ: PLC Siemens có các họ: Logo, S7-200, S7-300, S7-400

PLC Mishubishi có các họ: Fx, Fxo, FxON…

1.3.2.3 Các tín hiệu kết nối với PLC

Các loại PLC nói chung thường có nhiều ngôn ngữ lập trình nhằm phục vụ các đối tượng sử dụng khác nhau

Ta có qui trình thiết kế cho hệ thống điều khiển tự động: