Các thiết bị đo lường và chấp hành trong công nghiệp

NỘI DUNG MÔN HỌC1 2 5 Giới thiệu chung và lịch sử phát triển của các hệ thống đo và điều khiển công nghiệp Cơ sở kĩ thuật truyền tin công nghiệp Các thiết bị đo lường và chấp hành trong

Đ O VÀ Đ I Ề U KHI Ể N CÔNG NGHI Ệ P

BÀI GIẢNG

Nguyễn Thị Huế

Bộ môn Kĩ thuật đo và Tin học công nghiệp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN

NỘI DUNG MÔN HỌC

1

2

5

Giới thiệu chung và lịch sử phát triển của các hệ thống đo

và điều khiển công nghiệp

Cơ sở kĩ thuật truyền tin công nghiệp

Các thiết bị đo lường và chấp hành trong công nghiệp

3

4

7

Các bộ điều khiển khả trình Các thiết bị giám sát trong công nghiệp

Một số hệ thống công nghiệp thực tế

6 Các giao thức công nghiệp tiêu biểu

Hệ thống trong công nghiệp

t là th ờ i gian ho ạ t độ ng.

Hệ thống trong công nghiệp

2.1.1 Thiết bị đo trong hệ thống tự động

NỘI DUNG CHƯƠNG 2

2.1 Các thiết bị đo lường trong công nghiệp

2.2 Các thiết bị chấp hành trong công nghiệp Các thiết bị đo lường và chấp hành trong công nghiệp2

2.1 CÁC THIẾT BỊ ĐO LƯỜNG

2.1.1.Tổng quan chung về thiết bị đo trong hệ thống tự động

2.1.2 Các thiết bị đo các đại lượng điện trong công nghiệp

2.1.3 Các thiết bị đo các đại lượng không điện trong CN

Yx có thể là một chỉ thị αx (cơ điện) gọi là thiết bị đo tương tự,

có thể là con số Nx gọi là thiết bị đo số Ngoài ra còn có các đại

lượng A, B là các yếu tố ảnh hưởng hay là nhiễu tác dụng lênthiết bị đo và làm ảnh hưởng đến kết quả đo lường

Phương trình đặc tính cơ bản của thiết bị đo có thể viết:

Yx= F (X,A,B )

Mô hình thiết bị đo

Đo dòng điện DC và AC tần số tới hàng MHz

dòng điện trong dải từ vài mV đến hàng MV Dụng cu đo chỉ thị tương tự hoặc số

2.1.2 Các thiết bị đo các đại lượng điện

Thiết bị đo công suất, đo công suất phản kháng

Chủ yếu đo ở tần số công nghiệp Công suất đến hàng ngàn MW hay MVA Cos (phi) = 0-1

2.1.2 Thiết bị đo các đại lượng điện

Thiết bị đo các thông số mạch điện RLC

Đo từng thông số hay đo thông số phức hợp

Phục vụ cho xác định thông số mạch điện Phục vụ cho đo các đại lượng không điện

2.1.2 Thiết bị đo các đại lượng điện

Qua các thời kỳ phát triển, thiết bị đo các đại lượng không điện

hiện đại được xây dựng trên cơ sở vi xử lý (micro processorbased) và bắt đầu chuyển sang giai đoạn xây dựng trên cơ sở

vi hệ thống (micro system based)

2.1.3 Các thiết bị đo các đại lượng không điện

Đo tiếp xúc

Đo bằng nhiệt điện trở (Pt100 Pt1000, N, W, )

Đo bằng cặp nhiệt ngẫu (K, E, J, )

Nhi ệ t ng ẫ u (can nhi ệ t)

Giới hạn nhiệt độ đo với các ống bảo vệ khác nhau

Gi ớ i h ạ n

đ o chu ẩ n

Gi ớ i h ạ n đ o trên

Ố ng b ả o v ệ

b ằ ng kim

lo ạ i ( mm)

Ố ng b ả o v ệ

không b ằ ng kim lo ạ i ( mm) BPtRh 30%

Giới hạn nhiệt độ đo với các ống bảo vệ khác nhau

Gi ớ i h ạ n

đ o chu ẩ n

Gi ớ i h ạ n đ o trên

Ố ng b ả o v ệ

b ằ ng kim lo ạ i ( mm)

Ố ng b ả o v ệ

không b ằ ng kim lo ạ i ( mm)

Transmitter nhiệt ngẫu làm các nhiệm vụ sau:

T

đo

K

.t K E

t = −

Ta phải chỉnh KT thế nào để cho 00C ứng với 4 mA và nhiệt độ

định mức ứng với 20 mA Muốn thế ta phải khuếch đại và phải

bố trí để có thể định hệ số khuếch đại ứng với các KT mong

muốn

Transmitter nhiệt ngẫu

S ơ đồ nguyên lý c ủ a transmitter nhi ệ t ng ẫ u 7MC1932 c ủ a Siemens

Nhiệt kế nhiệt điện trở thường dùng trong công nghiệp, thường

được chế tạo bằng Pt, dây đồng, dây Ni và có ký hiệu là:

Pt-100, Cu-Pt-100, Ni-100

Quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ cho bởi:

Nhiệt kế nhiệt điện trở

( 1 α.t )

R

1- Nhi ệ t đ i ệ n tr ở 2- Modul vào

3- Dòng cung c ấ p (h ằ ng) 4- Khu ế ch đạ i đ i ệ n áp m ộ t chi ề u

5- Modul ra 6- Đ i ề u ch ỉ nh đ i ệ n áp

Transmitter nhiệt điện trở

S ơ đồ nguyên lý c ủ a transmitter nhi ệ t đ i ệ n tr ở ; (b) Transmitter nhi ệ t

đ i ệ n tr ở 7MC2932 c ủ a Siemens

Để tránh ảnh hưởng của điện trở đường dây ta phải bố trí để

có thể lắp sơ đồ 2 dây, 3 dây, 4 dây

Điện áp nhiệt điện trở đưa qua A/D biến thành số Vi xử lý tínhtoán ra nhiệt độ, sau đó qua D/A thành dòng điện ra 4-20 mA

ứng với khoảng đo của nhiệt độ vào Vi xử lý còn làm nhiệm vụ

tuyến tính hóa nhiệt kế

Transmitter nhiệt điện trở

Một số Transmitter nhiệt độ trong công nghiệp

Tranmitter kết nối theo giao thức MODBUS

Một số Transmitter nhiệt độ trong công nghiệp

Tranmitter TMZ

Một số Transmitter nhiệt độ trong công nghiệp

Một số Transmitter nhiệt độ trong công nghiệp

Một số Transmitter nhiệt độ trong công nghiệp

Một số Transmitter nhiệt độ trong công nghiệp

Như trên ta đã thấy thì hiện nay có rất nhiều loại cảm biến đonhiệt độ khác nhau, và việc lựa chọn chúng phụ thuộc vào rấtnhiều yếu tố: độ chính xác, khoảng nhiệt, tốc độ phản ứng, môi

trường (hóa học, vật lý, hay điện) và giá thành

Việc lựa chọn cảm biến không hề dễ dàng, cách an toàn vàhay được sử dụng nhất là lựa chọn theo ngành nghề bởi thông

thường, mỗi loại cảm biến được thiết kế để phục vụ cho mộtchuyên ngành riêng

Đo nhiệt độ

Dưới dây là các yêu cầu đặt ra khi lựa chọn 1 loại cảm biếnnhiệt và Bảng tổng hợp kinh nghiệm lựa chọn cảm biến nhiệt

- Có thể điều chỉnh riêng lẻ hay không

- Sự tương thích với môi trường và những ảnh hưởng (nếu có)

của các tác nhân bên ngoài môi trường

Đo nhiệt độ

Áp su ấ t

Cảm biến và sơ đồ khối bộ biến đổi đo áp suất

Thiết bị đo các đại lượng không điện

pe : Áp suất, biến đầu vào 5 : Khuếch đại đo lường

IA, UH : Tín hiệu vào và nguồn cung cấp 6 : Chuyển đổi áp tần

1 : Ống dẫn kết nối 7 : Vi điều khiển

2 : Màng chắn 8 : Chuyển đổi số - tương tự

3 : Chất lỏng để truyền áp suất 9 : Mạch điốt và kết nối với ampemet bên ngoài

4 : Cảm biến điện trở lực căng màng

Silic

Áp su ấ t

∆U này được đưa vào khuếch đại, qua bộ biến đổi U f vào vi

điều khiển và một mặt sẽ truyền đi bằng số, một mặt biếnthành dòng 4 – 20 mA truyền lên các thiết bị thu thập số đo

Thiết bị đo các đại lượng không điện

R

kR

Áp su ấ t

Thiết bị đo các đại lượng không điện

Áp su ấ t

Một số cảm biến áp suất của siemen

Thiết bị đo các đại lượng không điện

SITRANS P300 SITRANS P500 SITRANS P Compact SITRANS P MPS

Archive SITRANS P

Thiết bị đo các đại lượng không điện

Đo lực

Cảm biến điện trở lực căng Cảm biến áp điện, áp từ

Thiết bị đo các đại lượng không điện

Thiết bị đo lưu lượng

Cảm biến cảm ứng điện từ

Sử dụng rotor Cảm biến siêu âm

Đo chênh lệch áp

Thiết bị đo các đại lượng không điện

Đo mức

Bằng phao nổi Siêu âm

Quá áp suất thủy tĩnh

Thiết bị đo các đại lượng không điện

2.2 Các thiết bị chấp hành

2.2.2 Thiết bị đóng cắt 2.2.3 Các bộ điều chỉnh (Regulators)

2.2.4 Thiết bị truyền động

2.2.5 Cơ cấu chấp hành thủy lực và khí nén 2.2.1 Công tắc thông báo

Nhiệm vụ: thông báo trạng thái của các thiết bị công nghệ và

điều khiển phục vụ cho việc tự động hóa quá trình sản xuất,

thực hiện các chức năng báo động hay chẩn đoán kỹ thuật

Tất cả các công tắc các loại được xếp vào đối tượng “thôngbáo”, ký hiệu M

Công tắc phụ của các rơle, thiết bị điện (khởi động từ, công

tắc tơ, máy cắt, v.v…) cho biết trạng thái đóng - cắt của thiết

bị.Công tắc báo trạng thái của các rơle bảo vệ khi giá trị đo

vượt qua giá trị cho phép

2.2.1 Công tắc thông báo

Các công tắc này thường có một bộ phận đo, so sánh với giá

trị cho phép, khi vượt qua giới hạn ấy, công tắc thay đổi trạngthái

Đầu ra của công tắc được đưa vào các đầu DI (digital input)

của các PLC

2.2.1 Công tắc thông báo

Rơ le cũng là một ứng dụng của cuộn dây trong sản xuất thiết bị

điện tử, nguyên lý hoạt động của Rơle là biến đổi dòng điệnthành từ trường thông qua quộn dây, từ trường lại tạo thành lực

Cá c bộ phậ n ( cá c khố i) chí nh củ a r ơ le

C ơ cấ u tiế p thu ( cuộ n dây)

Có nhiệ m vụ tiế p nhậ n nhữ ng tí n hiệ u đầ u và o và

biế n đổ i nó thà nh đạ i lượ ng cầ n thiế t cung cấ p tí n

hiệ u phù hợ p cho khố i trung gian.

C ơ cấ u trung gian (nam châm điệ n)

Là m nhiệ m vụ tiế p nhậ n nhữ ng tí n hiệ u đư a đế n từ

Công tắc tơ là một loại thiết bị điện dùng để đóng cắt từ xa, tự động hoặc bằng nút ấn các mạch điện lực có phụ tải điện áp đến500V, dòng điện đến 600A.

Công tắc tơ có hai vị trí là đóng và cắt Tần số đóng có thể tới

Yêu c ầ u khi ch ọ n công t ắ c t ơ

Á p tô má t là thiế t bị điệ n dù ng để tự độ ng cắ t mạ ch điệ n bả o vệ quá tả i,

ngắ n mạ ch, sụ t á p, hồ quang đượ c dậ p trong không khí

C ấ u t ạ o áp tô mát

- Tiế p điể m: có hai cấ p tiế p điể m ( tiế p điể m chí nh và tiế p điể m hồ quang)

hoặ c ba cấ p tiế p điể m ( chí nh, phụ , hồ quang).

- C ơ cấ u truyề n độ ng cắ t áptômá t: truyề n độ ng cắ t áptômá t thườ ng có hai

cá ch: bằ ng tay và bằ ng c ơ điệ n ( điệ n từ , độ ng c ơ điệ n)

- Mó c bả o vệ sụ t á p: ( cò n gọ i là bả o vệ điệ n á p thấ p) cũ ng thườ ng dù ng kiể u

điệ n từ Cuộ n dây mắ c song song vớ i mạ ch điệ n chí nh

Áp to mát

C ầ u chì là mộ t thi ế t b ị b ả o v ệ m ạ ch đ i ệ n s ử d ụ ng nh ằ m

Khở i độ ng từ là mộ t loạ i thiế t bị điệ n dù ng để điề u khiể n từ xa việ c đó ng/ cắ t,

đả o chiề u và bả o vệ quá tả i ( nế u có mắ c thêm r ơ le nhiệ t) cho cá c độ ng c ơ ba pha rotor lồ ng só c.

Khở i độ ng từ khi có mộ t công tắ c t ơ gọ i là khở i độ ng từ đơ n, thườ ng dù ng

để điề u khiể n đó ng cắ t độ ng c ơ điệ n.

Khở i độ ng từ có hai công tắ c t ơ gọ i là khở i độ ng từ ké p, dù ng để khở i

độ ng và điề u khiể n đả o chiề u độ ng c ơ điệ n.

Muố n khở i độ ng từ bả o vệ đượ c ngắ n mạ ch phả i mắ c thêm cầ u chả y.

Khởi động từ

Các thừa hành có nhiệm vụ thực hiện các thao tác tác độngvào đối tượng.

Có thể nêu lên các loại thừa hành sau:

Cuộn dây điều khiển các rơle, các công tắc tơ, các khởi

động từ, các van vói các điều khiển đóng – mở (on – off) nốivào các đầu ra số (DO) của PLC

Các bộ điều chỉnh:

Điều chỉnh tốc độ cho các môtơ: speed controller

Bộ thừa hành tạo di chuyển xác định (positioner):

2.2.3 Các thừa hành

Bộ điều chỉnh vị trí

Van điện từ

Các bộ điều chỉnh (regulators)

Điều chỉnh tốc độ cho các môtơ

Hiện nay, đó là các Invertor nối với đầu ra tỷ lệ 4 – 20 mA (4

mA ứng với tốc độ bằng 0, 20 mA ứng với tốc độ định mức).Invertor điều chỉnh tốc độ hiện nay được xây dựng trên cơ

sở vi xử lý và IGBT

Bộ thừa hành tạo di chuyển xác định

Trong truyền động điện, trong công nghiệp nhiều khi có yêu

cầu các thao tác cơ khí công suất lớn như: nâng hạ cửa

cống, điều khiển van bướm, thiết bị nâng hạ v.v…

Để thực hiện việc này, phải sử dụng các bộ thừa hành thực

hiện trên nguyên tắc bộ điều chỉnh mạch vòng kín và mạchvòng hở

Bộ điều chỉnh vị trí

Dòng ra 4 – 20 mA được đưa vào so sánh với dòng điện phản

hồi về do encoder đầu ra gắn với trục động cơ biến đổi trở về

dòng điện

Với mạch điều chỉnh này, góc quay hay số chỉ của encoder tỷ

lệ với dòng (4 – 20 mA) đi vào bộ điều chỉnh Dòng này được

lấy từ đầu ra tương tự (AO) của PLC

VD: Bộ thừa hành tạo di chuyển xác định

Van điệ n t ưZ là van điệ n đượ c điề u khiể n bở i dò ng điệ n Khi có dò ng

điệ n chạ y qua van tứ c là chạ y qua cuộ n dây quấ n quanh mộ t lõ i kim

loạ i, cuộ n dây sẽ sinh ra mộ t t ưZ trườ ng, t ưZ trườ ng nà y sẽ ả nh hưở ng

đế n trạ ng thá i củ a van là m cho van đó ng hoặ c m ơ\

Van điệ n t ưZ thườ ng đượ c s ư\ dụ ng đ ê \ điề u khiể n l ư u lượ ng chấ t khi ] hoặ c chấ t lỏ ng Ứ ng dụ ng trong nhiề u lĩ nh vự c: thủ y lợ i, hê a thố ng phun nướ c, s ư\ dụ ng trong công nghiệ p.

Ư u điể m củ a van điệ n t ưZ :

Tá c độ ng nhanh, an toà n, đ ô a tin cậ y cao, tuổ i tho a lâu dà i.

Tiêu tố n n ă ng lượ ng thấ p, thiế t kê ] nho \ gọ n.

Phân loạ i: Có 2 loạ i:

Van ON/OFF Van ti \ lê a

Van điện từ

Van hoạt động ở 2 trạng thái đóng hoặc mơ\ hoàn toàn Khi có

tín hiệu điện điều khiển van sẽ chuyển trạng thái phua thuộc vào

trạng thái ban đầu của van

Van thườ ng đó ng (NC)

2/2 NC3/2 NC

Van thườ ng m ơ

2/2 NO3/2 NO

Van ON/OFF

Nguyên ly ho t đ ng

Cấ p 1 nguồ n điệ n và o 2 đầ u cuộ n dây 6 ( tù y thuộ c và o điệ n á p đị nh

mứ c củ a cuộ n dây có thê \ là 12, 24, 110, 220 V), cuộ n dây đượ c cấ p

điệ n sinh ra t ưZ trườ ng, t ưZ trườ ng nà y đ u \ mạ nh thắ ng đượ c lự c đẩ y

củ a lò xo ké o chố t chặ n lên, van m ơ\ ra, l ư u chấ t đ i t ưZ 2 sang 3

Van ON/OFF

Do nhu cầu thực tê] khi điều khiển lưu lượng, áp suất không chỉ

đóng cắt mà yêu cầu có thê\ điều khiển được lưu lượng, áp

suất qua van chính vì thê] cần có một loại van có thê\ làm được

việc này

Là van có thê\ điều khiển được lưu lượng lưu chất chảy qua nó

bằng cách thay đổi dòng điện (điện áp) điều khiển đặt vào

cuộn dây, van được nối với đầu ra tương tự (AO) của PLC

Phân loại: Có 2 loại van ti\ lêa

Van ti lê điệ n t ư (Proportional Solenoid Valves)

Van ti lê c ơ khi (Motorised Proportional Valves)

Van ty! lê# (Proportional solenoid valve)

C ấ u t ạ o: Van ty lê g ồ m 3 ph ầ n

Ph ầ n thân v ỏ van với lõi con trượt (tương đối giống như

valve phân phối thông thường)

Ph ầ n cu ộ n đ i ệ n t ừ với phần hồi tiếp điện tử: Nhận biết vị trí

của lõi van đưa vêZ bôa điều khiển thông qua que thăm

Card điệ n t ư : Là nơi thu nhận tín hiệu điều khiển tưZ bên

ngoài đê\ cung cấp dòng điện điều khiển cho van ty\ lêa Nó

đồng thời nhận tín hiệu phản hồi tưZ lõi van đê\ điều khiển

chính xác

Van ty! lê# điện từ (Proportional Solenoid Valves)

Nguyên lý hoạt động

Biến tần

Động cơ một chiều

Đông cơ xoay chiều

Một pha hay ba pha

Đồng bộ

Không đồng bộ Máy điều khí

Điều khiển điện áp

Điều khiển hệ số trượt

2.2.4 Thiết bị truyền động

C ơ c ấ u ch ấ p hành th ủ y l ự c

2.2.5 Cơ cấu chấp hành thủy lực và khí nén

Hệ thống truyền động thủy lực được ứng rụng rộng rãi trongnhiều lĩnh vực công nghiệp khác nhau, với những dây truyềnthiết bị có độ chính xác cao, điều khiển tinh cấp bằng máy tính,công suất lớn.

Cơ cấu chấp hành thủy lực

Ư u đ i ể m:

Có kh ả n ă ng truy ề n độ ng v ớ i công su ấ t l ớ n và áp su ấ t cao.

C ơ c ấ u đơ n gi ả n, ho ạ t độ ng v ớ i độ tin c ậ y cao, đ òi h ỏ i b ả o d ưỡ ng ch ă m sóc ít.

Có kh ả n ă ng đ i ề u ch ỉ nh v ậ n t ố c làm vi ệ c tinh c ấ p ho ặ c vô c ấ p.

K ế t c ấ u g ọ n nh ẹ , v ị trí các ph ầ n t ử d ẫ n và b ị d ẫ n không l ệ thu ộ c v ớ i nhau.

Gi ả m kích th ướ c, kh ố i l ượ ng c ả h ệ th ố ng b ằ ng cách nâng cao áp su ấ t làm vi ệ c.

Nh ờ quán tính nh ỏ c ủ a máy b ơ m và độ ng c ơ , kh ả n ă ng ch ị u nén cao c ủ a d ầ u

mà h ệ th ố ng có th ể làm vi ệ c v ớ i t ố c độ cao mà không c ầ n tính toán t ớ i y ế u t ố va

đậ p nh ư h ệ th ố ng đ i ệ n và c ơ khí.

Khâu ra c ủ a h ệ th ố ng d ễ dàng bi ế n đổ i t ừ chuy ể n độ ng quay - t ị nh ti ế n, t ị nh ti ế n

- quay.

Phòng ng ừ a quá t ả i nh ờ van an toàn.

Cơ cấu chấp hành thủy lực

Ư u đ i ể m:

D ễ theo dõi quan sát m ạ ch th ủ y l ự c v ớ i s ự h ỗ tr ợ c ủ a áp k ế

Các ph ầ n t ử đượ c tiêu chu ẩ n hóa t ạ o đ i ề u ki ệ n thi ế t k ế ch ế t ạ o.

Khi m ớ i kh ở i độ ng, nhi ệ t độ h ệ th ố ng thay đổ i d ẫ n t ớ i thay đổ i độ

nh ớ t ch ấ t l ỏ ng và kéo theo thay đổ i v ậ n t ố c làm vi ệ c

Cơ cấu chấp hành thủy lực

Cơ cấu chấp hành thủy lực

Cơ cấu chấp hành thủy lực

Hệ thống phòng ngừa áp suất giới hạn được đảm bảo.

Cơ cấu chấp hành khí nén

Nh ượ c đ i ể m:

Lực truyền tải thấp

Không thể thực hiện được những các thao tác thẳng hoặcquay đều bởi vì khả năng đàn hồi của khí nén lớn Vì khi tải

trọng trong hệ thống thay đổi thì vận tốc cũng thay đổi

Dòng khí nén thoát ra ở đường dẫn khí gây ra tiếng ồn

Ngày nay trong lĩnh vực điều khiển, người ta thường kết hợp

hệ thống điều khiển bằng khí nén với điện hoặc điện tử, hoặc

hệ thống thủy lực Cho nên rất khó xác định một cách chínhxác,rõ ràng ưu điển của từng hệ thống điều khiển

Cơ cấu chấp hành khí nén