Bài giảng Nhập môn ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa 1

Trang 1 BÀI GIẢNG NHẬP MÔN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA Trang 2 Kỹ sư làm những việc gì Nhà khoa học Trang 3 Nhà khoa học và kỹ sư 1.. - Người kỹ sư luôn nghĩ về ứng dụng

BÀI GIẢNG NHẬP MÔN NGÀNH

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA

TS Phạm Đức Đại

Kỹ sư làm những việc gì

Nhà khoa học Nhà công nghệ

Nhà khoa học và kỹ sư

Nhà khoa học

Kỹ sư

- Khám phá ra sự vật hoặc thu được kiến thức mới

- Họ luôn luôn hỏi “Tại sao”, câu trả lời họ tìm kiếm có thể là một lý thuyết trừu tượng về thiên nhiên, về toán học,… Ví dụ: sự phản ứng của virut với một loại thuốc mới

- Luôn hỏi tại sao? Nhưng là về những vấn đề sản xuất một sản phẩm hoặc tạo ra một dịch vụ

- Người kỹ sư luôn nghĩ về ứng dụng khi mà hỏi tại sao

- Người kỹ sư luôn phải quan tâm đến các vấn đề như: các yêu cầu của một sản phẩm, giá thành chế tạo; tác động của sản phẩm đến xã hội và môi trường

Nhà khoa học và kỹ sư làm trong nhiều lĩnh vực ngành nghề

giống nhau

Ví dụ

- Các nhà khoa học nghiên cứu các hành tinh trong hệ mặt trời để hiểu chúng ; các kỹ sư nghiên cứu các hành tinh để họ có thể thiết

kế một tàu vũ trụ hoạt động trong môi trường đó (Kỹ sư luôn hỏi

tại sao để nhằm mục đích tạo ra các ứng dụng; tạo ra một sản phẩm;

…)

- Các nhà khoa học nghiên cứu cấu trúc nguyên tử để hiểu bản chất của vật chất; các kỹ sư nghiên cứu các cấu trúc nguyên tử để chế tạo các bộ vi xử lý nhỏ và tính toán nhanh hơn

- Các nhà khoa học nghiên cứu sự biến động của địa chất để hiểu

và dự đoán động đất; các kỹ sư nghiên cứu cứu sự biến động của địa chất để thiết kế những ngôi nhà an toàn hơn

Ví dụ

Thiết kế máy gieo hạt tự động

Thiết kế máy gieo hạt tự động

• Máy tự động hoạt động, người làm nông chỉ cần đổ hạt giống và bật công tắc để máy tự chạy và gieo hạt

• Yêu cầu khi hoạt động

– Di chuyển thẳng đều, tự căn bằng trong điều kiện

mô đất có độ lồi lõm

– Hoạt động tuần tự các bước tự động

– Gieo được các loại hạt giống từ nhỏ đến lớn như rau mùi đến rau muống

– Tạo ra luống và gieo hạt giống cách đều nhau, mỗi vị trí chỉ gieo 1 hạt

Thiết kế máy gieo hạt tự động

Hệ truyền động khí nén

Thổi hạt bằng khí nén

Cấp nguồn khí nén

Van điện từ điều khiển xy lanh

Vi mạch điều khiển van

Van điện từ; xilanh

Xilanh kép Xilanh đơn

Van điện từ

Nguyên lý điều khiển van điện từ

Người kỹ sư làm gì

Câu hỏi

• Các yêu cầu của một sản phẩm, giá thành chế tạo; tác động của sản phẩm đến xã hội và môi trường

Thực hiện

• Nghiên cứu, cải tiến, phát triển công nghệ mới

để sản phẩm có hiệu quả cao

– Phát triển phương pháp điều khiển

– Tích hợp công nghệ

– Phân tích, thử nghiệm, mô phỏng, đánh giá

Kỹ sư làm gì

• Làm trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau

1 Hàng không (aerospace engineering)

Các công việc kỹ sư làm

Các chức năng kỹ thuật

Nghiên cứu

• Có kiến thức căn bản về khoa học tự nhiên

• Thử nghiệm; giải thích kết quả

• Mô hình toán học để mô phỏng các hiện tượng xảy ra trong nghiên cứu

• Phát triển thuật toán

Cần thiết phải có bằng thạc sỹ, Tiến sỹ

Phát triển

- Kỹ sư phát triển là cầu nối giữa thử nghiệm và thực tế sản xuất;

chức năng phát triển thường được kết hợp với chức năng nghiên cứu,

được gọi là R&D (Research and Development- Nghiên cứu và phát

triển )

Thử nghiệm

- Kỹ sư thử nghiệm chịu trách nhiệm: kiểm nghiệm

- Mô phỏng các điều kiện làm việc thực tế của sản phẩm

Ví dụ

- Kiểm tra va chạm của một ô tô để quan sát tác dụng của túi khí

và vùng biến dạng trên đầu ô tô

Thiết kế

- Kỹ sư thiết kế cung cấp các thông số kỹ thuật của sản phẩm

- Chịu trách nhiệm với một chi tiết, hoặc một bộ phận của sản phẩm

- Đảm bảo độ tin cậy, an toàn cảu sản phẩm

- Kết hợp với kỹ sư thử nghiệm để thiết kế những thí nghiệm

thích hợp và ghi lại các dữ liệu có liên quan, sử dụng trong

chương trình mô phỏng và các mô hình toán học

Hệ thống

- Liên quan với các công việc thiết kế, phát triển, sản xuất, và

hoạt động của một hệ thống sản phẩm hoàn chỉnh

- Kỹ sư hệ thống có trách nhiệm đảm bảo hình dáng chi tiết hợp

lý

Vận hành và bảo trì

- Hoạt động của nhà máy phải được duy trì thường xuyên

- Kỹ sư vận hành là người chị trách nhiệm giám sát hiệu suất của hoạt động nhà máy

- Hiểu biết về cơ khí, điện, điều khiển

- Có kỹ năng giao tiếp để bán hàng hiệu quả

- Kỹ sư có nền tảng kỹ thuật tốt để có thể trả lời các câu hỏi và mối quan tâm của khách hàng

- Xác định được những sản phẩm phù hợp với khách hàng, mang lại lợi ích cho khách hàng

Bán hàng

- Có kỹ năng giao tiếp để bán hàng hiệu quả

- Kỹ sư có nền tảng kỹ thuật tốt để có thể trả lời các câu hỏi và mối quan tâm của khách hàng

- Xác định được những sản phẩm phù hợp với khách hàng, mang lại lợi ích cho khách hàng

Tư vấn

- Kỹ sư tư vấn liên quan đến thiết kế, lắp đặt, bảo trì một sản phẩm hay một hệ thống

- Đưa ra các gợi ý, đề xuất và hướng dẫn cải thiện qu trình;

phương pháp thiết kế, công nghệ sản xuất

Các lĩnh vực về điện, điện tử, tự động hóa

Kỹ thuật điện lực giải quyêt các vấn đề liên quan đến

+ Phát điện

+ Truyền tải và phân phối điện

+ thiết kế các thiết bị điện

Các kỹ sư điện có thể làm việc liên quan đến thiết kế bảo trì hệ

thống lưới điện cũng như hệ thống nguồn nối lưới (on- grid

power)/ hoặc không nối lưới (off- grid power)

Máy biến áp

Tủ điện phân phối

Điện tử

Kỹ thuật điện tử liên quan đến

+ thiết kế, kiểm tra các mạch điện tử sử dụng:

Điện trở, điện cảm, tụ điện,… để thực hiện một chức năng

Điều khiển (Control) và tự động hóa

• Kỹ thuật điều khiển tập chung vào

• + Kỹ thuật điều khiển có rất nhiểu ứng dụng từ

hàng không vũ trụ, đến ô tô,….; Kỹ thuật điều

khiển sử dụng lý thuyết điều khiển có phản hồi để nâng cao chất lượng điều khiển

Lĩnh vực liên quan đến điều khiển và tự

Hệ thống điều khiển và giám sát (SCADA)

Hệ thống phần cứng

Phần mềm SCADA

Truyền thông

Page 38

Industrial Automation

Introduction to Automation

Ví dụ: Sản xuất xi măng

Industrial Process:

Page 41

Making Cement

IST / DEEC / API

Industrial

Process:

Page 43

Complexity handled with modularity

The subject

of this course

Ch 1 – Introduction to Automation [1 week]

Introduction to components in industrial automation

Cabled logic versus programmed logic versus networked

logic Introduction to methodologies for problem modeling Methodologies of work

Các thành phần hệ thống điều khiển và tự

động hóa

Page 46

Robotic

Manipulators

Page 47

Riding an ABB IRB 6600 Robot 1 [Youtube]

API Note: please understand the power, and do not do this; keep always the safety!

Page 48

Robotic

Manipulators

Robotic Manipulators - End

Effectors

Page 49

Major characteristics:

• Number of degrees of freedom

• Types of joints (prismatic/revolution)

• Programming tools and environments

(high level languages, teach pendent,

Robotic Manipulators

Workspace:

Examples

Page 51

Chap 1 – Introduction to Automation

Robotic Manipulators

Central problems to address and solve:

• Direct / Inverse kinematics

• Trajectory generation

• Coordinate frames where tasks are specified

• Level of abstraction of the programming

languages

Page 52

Chap 1 – Introduction to Automation

Robotic Manipulators

Use in Flexible

Cells of Fabrication:

it is required that the

manipulators have correct

interfaces for the synchronization and inputs for

external commands.

Page 53

Robotic

Manipulators

IST / DEEC / API

Computerized Numerical Controlled Machines

Examples:

Milling, Lathes,

Chap 1 – Introduction to Automation

Chap 1 – Introduction to Automation

Page 55

Computerized Numerical Controlled Machines

Compact CNC plasma cutting machine Effective cutting :1.5 m X 3 m

Plasma torch cutting capacity up to 5cm (mild steel), Gas torch option allows up to 10cm

Solutions for Handling materials

Chap 1 – Introduction to Automation

AGVs (Automatic Guided Vehicles)

Chap 1 – Introduction to Automation

IST / DEEC / API

Example of fleet operating in

industry

AGVs (Automatic Guided

Vehicles)

Chap 1 – Introduction to Automation

Page 58

AGVs (Automatic Guided Vehicles)

Kiva Systems Inc

- warehouse automation

- used by Staples, Toys R Us,

- 2012 bought by Amazon ($775 million)

Page 59

Specific Components

Factory example: production of aluminum

packs

Page 60

Cabled Logic versus

Page 61

versus Programmed Logic

…

Page 62

IST / DEEC / API

Cabled Logic versus

versus Programmed Logic …

PLC control panel

Relay control panel

Page 63

versus Networked

Logic

Page 64

IST / DEEC / API

Page 65

Introduction to methodologies

for problem modeling

in Industrial Automation

IST / DEEC / API

Page 66

Actuators Motors Solenoide valve Command relay

• Relay diagram / Ladder diagram

• Refs: Programmable Logic Controllers, Frank D Petruzella, McGraw-Hill, 1996

IST / DEEC / API

• Payload and robustness

• Interface with exterior

• Synchronization

Page 67

Chap 1 – Introduction to Automation

IST / DEEC / API

Exemple of AC motor, with

driver

Chap 1 – Introduction to Automation

Page 68

IST / DEEC / API

Solenoide

Valve

Page 69

IST / DEEC / API

Command

Relay

Page 70

IST / DEEC / API

Cylinders

(Pneumatics)

Page 71

IST / DEEC / API Chap 1 – Introduction to

Automation

Valves

(Electro-pneumatics)

Page 72

IST / DEEC / API

Page 73

IST / DEEC / API Chap 1 – Introduction to

Automation

Page 74

Sensors

Push buttons

IST / DEEC / API

Selector with three

positions

Page 75

IST / DEEC / API

Sensors

Pressure

Switch

Chap 1 – Introduction to Automation

Page 76

IST / DEEC / API

Temperature

Sensors

Page 77

IST / DEEC / API

Thermocouple Proximity

detector

Page 78

IST / DEEC / API

Magnetic

detector

Page 79

Magnetic switch

IST / DEEC / API

Symbols associated to all

components

Standards

Page 80

Contact Diagram or Ladder Diagram

Methodologies for the implementation of solutions in industrial

automation

Device:

Relay

Page 81

IST / DEEC / API

Methodologies for the

IST / DEEC / API

Example

:

Page 84

IST / DEEC / API

Logic

Function

s

Chap 1 – Introductio

n to Automatio

n

Page 85

IST / DEEC / API

Example

:

Page 86

IST / DEEC / API

To exploit the advantages of Programmed

Logic

Page 87

Chương trình đào tạo ngành kỹ thuật

điều khiển và tự động hóa

Logic môn học

Học tập hiệu quả ở Đại học

Khó khăn thường gặp của SV

Effective university student

• Tự học, tự rèn luyện, tự đánh giá để chủ động phát triển

• Học tập suốt đời trong một xã hội học tập

Một số đặc điểm khác biệt giữa học ở

đại học so với học ở phổ thông

• Khối lượng kiến thức ở bậc đại học rất đồ sộ, có rất nhiều môn học; mỗi môn là một ngành khoa học; một lĩnh vực kiến thức

hoàn chỉnh

• Khi học ở đại học, ngoài một số môn bắt buộc, bạn có thể lựa chọn một số môn học mà thậm chí bạn chưa nghe đến trước đó

• Ở đại học có nhiều hoạt động: nghe giảng; thảo luận; làm bài

tập; làm thí nghiệm; thực hành; làm đồ án; thuyết trình; nghiên cứu khoa học

• Có nhiều nguồn thông tin, tài liệu cần tham khảo; trước hết sinh viên nên tìm nguồn tài liệu, giáo trình theo sự hướng dẫn của thầy cô; rồi sắp xếp tài liệu theo thứ tự ưu tiên; ngoài ra sinh

viên còn cần tìm hiểu kiến thức từ Internet, sách báo, tạp chí,…

Học tập trong học chế tín chỉ

• Thời gian học tập tập trung trên lớp

• Thời gian học tập trong phòng thí nghiệm,

thực hành dưới sự hướng dẫn của giảng viên

• Thời gian tự học, nghiên cứu, chuẩn bị bài

Học tập chủ động

• Chú tâm nghe giảng thì hiệu suất tiếp thu kiến

thức truyền đạt lên tới 50%; nghe kết hợp với suy nghĩ, phản biện tích cực

90% kiến thức là con số mà con người có thể thu nhận nếu học tập bằng các phương pháp chơi một trò trơi

mô phỏng thực tế và làm thực tế

Kết quả Hành động

Phía trên nhất là phương pháp ít hiệu quả nhất liên quan đến học từ các thông tin được thể hiện qua các ký hiệu như nghe

Phương pháp hiệu quả nhất là ở dưới, liên quan trực tiếp đến người học; học tập kinh nghiệm, như làm việc, trải nghiệm Phương pháp này là thực tế

PLC overview/ trải nghiệm với thiết bị

điều khiển trong công nghiệp

CPU – Central Processing Unit

Input/Output module

PLC hoạt động như thế nào

PLC hoạt động

PLC Programming- TIA Portal V14

Step 1: Hardware configure

Step 1: Select correct CPU and I/O module types

AI AQ AQ

Cấp nguồn và tín hiệu cho PLC, và tín

hiệu vào/ra

Tín hiệu vào/ra module AI

Tín hiệu vào/ra cho module AO

Kết nối vào/ra cho PLC

Ví dụ: đọc giá trị cảm biến AI

Ví dụ: Khởi động chạy

Phân tích nguyên lý hoạt động??

Rơ le trong công nghiệp

Cấu tạo

+ cuộn hút

+ các tiếp điểm thường mở (NO)/ thường đóng (NC)

Ký hiệu các tiếp điểm, cuộn hút (đầu

ra) trong PLC

PLC overview/ trải nghiệm với thiết bị

điều khiển trong công nghiệp

Giá trị logic

Bài tập 1: Thiết kế dự án sử dụng Rơ

Bài tập: Thiết kế dự án sử dụng PLC

1 Sử dụng các PLC để thiết kế mạch điều khiển động cơ

- Có nút nhấn Start chạy động cơ 24V, đèn báo hiệu chạy sáng

- Có nút nhấn Stop dừng động cơ 24V, đèn báo hiệu dừng sáng

Giới thiệu Vi xử lý: Arduino

Giới thiệu Vi xử lý: Arduino

Projects: Tạo Led chuyển động chào

mừng 60 năm thành lập trường ĐHTL