NGUYÊN TẮC XÂY DỰNG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA

Phân tích vμ tổng hợp hệ thống Các nguyên tắc cơ bản khi thiết kế Một số sơ đồ mạch điển hình Chương 1: Các nguyên tắc xây dựng hệ thống tự động điều khiển.. Chỉnh lưuBăm áp một chiều Đi

Chức năng, yêu cầu, mục tiêu tự động điều khiển TBĐ

Cấu trúc của hệ tự động hoá

Các kí hiệu điện Cách thể hiện sơ đồ nguyên lí, lắp ráp vμ nguyên tắc lắp đặt.

Phân tích vμ tổng hợp hệ thống Các nguyên tắc cơ bản khi thiết kế Một số sơ đồ mạch điển hình

Chương 1: Các nguyên tắc xây dựng hệ thống tự động điều khiển.

chức năng của mạch tự động

Thông tin - giao tiếp (HMI).

– Giao tiếp giữa người và máy.

– Các thiết bị giao tiếp, hiện thị:

Nút nhấn, công tắc, chuyển mạch, không chế chỉ huy

Bàn phímMàn hình điều khiển, giám sátHiển thị bằng LED, còi, màn hình tinh thể lỏng LCD

GV: Nguyễn Vũ Thanh 2

Điều khiển năng lượng.

– Thực hiện các biến đổi tĩnh.

Chỉnh lưuBăm áp một chiều

Điều áp xoay chiềuBiến tần

– Thực hiện biến đổi hệ cơ điện

– Kiểm soát tín hiệu đưa vào hệ thống (hệ tuỳ động).

– Tự động điều khiển theo chương trình đặt trước – Tự động điều khiển dây chuyền công nghệ.

Yêu cầu của mạch tự động

Yêu cầu về kĩ thuật

– Đáp ứng chế độ làm việc của thiết bị điện.

– Đảm bảo các sai số tĩnh và động của hệ điều khiển.

– Đảm bảo độ tác động nhanh và chính xác.

– Có chỉ tiêu năng lượng cao (hiệu suất, cosϕ).

– Phù hợp với điều kiện môi trường.

Điều khiển đơn giản, hoạt động tin cậy

– Tối thiểu hoá số lượng các thiết bị điều khiển.

– Các thiết bị động lực phải có tính lắp lẫn.

– Các thiết bị điều khiển có sự đồng nhất hoá.

– Tối thiểu các thao tác điều khiển đối với người vận hành.

Linh hoạt vμ thuận tiện khi điều khiển

– Linh hoạt trong chuyển đổi các chế độ làm việc.

GV: Nguyễn Vũ Thanh 4

Dễ dμng phát hiện vμ kiểm tra sự cố

– Đây là một yêu cầu cần thiết đối với một hệ thống điều khiển.

– Trong một hệ thống điều khiển phức tạp, thường chia ra thành nhiều nhóm chức năng, mỗi nhóm chức năng đều

được thiết kế các tín hiệu giám sát và báo sự cố (báo lỗi).

Linh hoạt vμ thuận tiện khi điều khiển

– Linh hoạt trong chuyển đổi các chế độ làm việc.

– Bố trí hợp lí các thiết bị điều khiển.

Tác động chính xác ở điều kiện bình thường vμ sự cố.

– Cần đảm bảo tốt sự vận hành bình thường của hệ điều khiển

– Cần có các mạch bảo vệ hệ thống khi xảy ra sự cố, tránh đổ vỡtoàn bộ hệ thống

– Cần khắc phục các mạch giả trong khi vận hành xảy ra sự cố

Thuận tiện cho lắp đặt, sửa chữa, vận hμnh

– Đối với các hệ thống điều khiển phức tạp, cần chia nhỏ thành cácmôdule Các môdule này phải được kết nối với nhau dễ dàng

– Các môdule cần có các kí hiệu đầu dây, hoặc cầu đấu, giắc cắm

đặc biệt

– Khi thiết kế hệ thống cần tính đến khả năng mở rộng, do đókhông gian thiết kế lắp đặt phải thuận lợi

– Các thiết bị điều khiển hoặc môdule điều khiển cần có tính năng lắp lẫn, dễ dàng tháo rời trong trường hợp cần bảo dưỡng tại các trung tâm sửa chữa.

Kích thước, giá thμnh phải hợp lí.

– Kích thước thiết kế cần phù hợp với không gian lắp đặt.

– Giảm thiểu các chi tiết bộ phận không cần thiết.

– Tận dụng những thiết bị, chi tiết phù hợp với yêu cầu

điều khiển để giảm giá thành nhưng vẫn đáp ứng được chỉ tiêu chất lượng.

An toμn trong thiết kế vμ vận hμnh.

– Yếu tố an toàn luôn được đề cập đến trong quá trình thiết kế hệ thống.

– Luôn có các thiết bị phòng chống cháy nổ cho các thiết

bị động lực, các van bán dẫn công suất.

– Các thiết bị điều khiển cần có các mạch chống nhiễu vô

tuyến, nhiễu điện từ trong môi trường công nghiệp.

– Các quy phạm về an toàn trong sử dụng khai thác thiết

bị điện, thiết bị điều khiển cần được xét tới khi thiết kế

GV: Nguyễn Vũ Thanh 6

mục tiêu của mạch tự động

Giảm giá thμnh sản phẩm.

Nâng cao chất lượng sản phẩm.

Tăng năng suất, đổi mới sản phẩm.

Tác động lên nhiều khâu của dây chuyền sản xuất.

Tác động lên nhiều phương án sản xuất.

Nâng cao khả năng phát triển sản xuất.

Cấu trúc của hệ tự động hoá

Cấu trúc tổng quát:

PHần ĐK

Ôtômát lập trình Thiết bị điện

kí hiệu điện

Cơ cấu điều khiển Khí cụ đóng cắt Máy điện một chiều Liên hệ cơ khí

Máy điện xoay chiều

Âm thanh Khí cụ đơn cực Cuộn hút Cầu chì

Máy biến áp

thể hiện sơ đồ nguyên lí

Thể hiện bằng nét vẽ đậm (động lực) nhạt (điều khiển)

Kí hiệu trên bản vẽ

Bố trí linh kiện, thiết bị trên bản vẽ

Đánh số đầu dây

GV: Nguyễn Vũ Thanh 8

Thể hiện bằng nét vẽ

Thể hiện sơ đồ mạch điện bằng nét vẽ a) sơ đồ động lực, b) sơ đồ mạch điều khiển

K

a)

M3 3

b)

M

Rd Rd K

Thể hiện bằng kí hiệu

– Ví dụ: Rơle: R1, Cầu dao: CD1

á ptômát: AT1, Cầu chì: CC1 Côngtắctơ thuận: T Côngtắctơ ngược: N – Số thứ tự mối nối hoặc nút: 1, 2, 3, 4

Bố trí linh kiện thiết bị trên bản vẽ

– Phân cột trên bản vẽ, các thiết bị thường được bố trí theo cột.

– Các thiết bị thường được vẽ theo nhóm chức năng, ví dụ nhóm các rơle, nhóm các côngtắctơ, nhóm các áptômát – Đối với các tập bản vẽ, thường được đánh số trang, mối liên hệ về điện giữa các trang phải được kí hiệu rõ ràng,

ví dụ: 12/6 trang 12, cột 6

Tạo lập sơ đồ nối dây giữa các khu vực.

Nối dây từng khu vực (nhóm thiết bị).

GV: Nguyễn Vũ Thanh 10

VÝ dô:

M3 3

Ap

K

Rn

X1 X2

K1 K2

r1 r2

Rn1

Rt2

Rn1 7 6

4 3

2

Rt2 Rt1

K2 Rt2 K1 Rt1

Rn K

K

M D CC1 X3

5 4

1 X3 X3 X4 X2 X1

6

4 4 7

r1 r2

Rn K

K1

7 6 4

§Õn r«to §C

1 X4 C

B A

L3 L2 L1

X2 X1

a b c

khu vùc r¬le

4 3

6

6

7 8

– Theo chøc n¨ng phôc vô cña nhãm linh kiÖn

GV: Nguyễn Vũ Thanh 12

Dây động lực vμ điều khiển

– Dây dẫn phải đảm bảo được mức độ an toàn khi vận hành.

Chịu được dòng điện Iđmcủa phụ tải

Chịu được độ bền cơ

Mầu sắc dây phù hợp với yêu cầu

– Dây động lực có thể là thanh cái, hoặc cáp điện Các

đầu nối cần có đầu cốt (hoặc kẹp cáp kiểu làn sóng).

– Dây điều khiển thường là dây đồng mềm gồm nhiều sợi nhỏ, có vỏ bọc cách điện.

– Các đầu cốt nối dây cần được đánh số theo bản vẽ nguyên lí, các số này thường được in trên các ghen nhựa.

– Trong một số trường hợp đặc biệt cần chống cháy, dây dẫn thường được bọc nhựa đặc biệt, làm chậm quá trình cháy, có đặc tính ngăn chặn sự phát triển của lửa, hạn chế khói và các chất khí gây ăn mòn và độc hại.

Bố trí dây trong tủ điện

– Thường được đi theo hai chiều nằm ngang hoặc thẳng

đứng.

– Các nhóm dây cùng chức năng thường được bó bằng dây rút nhựa mềm, mầu đen hoặc trắng.

– Các dây dẫn trong tủ điện cần được đặt trong máng dây

có sẻ rãnh hoặc ống đi dây.

– Các dây dẫn đi ra thành tủ hoặc cửa tủ, cần có độ võng thích hợp và được cuốn gọn gàng.

Nối dây giữa bảng mạch vμ nối ra ngoμi

– Nối dây giữa các bảng mạch trong tủ điện thường sử dụng cầu đấu kết hợp với các giắc cắm.

– Nối dây giữa các bo mạch điều khiển thường sử dụng giắc cắm tín hiệu, có thể dưới dạng sợi rời, có thể dưới dạng cáp tín hiệu.

– Để nối dây ra ngoài, thường dùng cầu đấu hoặc nối trực tiếp lên thanh cái Các cầu đấu này thường được bố trí gần chỗ cho dây ra hoặc cho dây vào.

– Khi có nhiều tủ nối với nhau, thì các dây ra và vào phải

được bố trí nối tiếp nhau, tránh đi dây lòng vòng.

Bố trí bo mạch điều khiển

– Các bo mạch in phải được lắp trên khung gá cách điện với tủ.

– Các bo mạch in có thể được đổ nhựa trong để cố định linh kiện và cố định vào khung gá.

– Do số lượng dây điều khiển nhiều, nên ta cần có biện pháp để phân biệt, tránh nhầm lẫn khi thay thế.

Trong điều khiển tự động

truyền động điện

– Trong điều khiển tự động truyền động điện thường xảy ra các quá

trình khởi động, hãm và đảo chiều quay Để làm được điều này,

có thể dựa vào bốn nguyên tắc sau:

Nguyên tắc thời gianNguyên tắc tốc độNguyên tắc dòng điệnNguyên tắc hành trình

n

I

t c

1 t

t 2

1 I I2

c I

Nguyên tắc thời gian

– Khi khởi động đóng toàn bộ điện trở mở máy, rồi dựa vào cácmốc thời gian t1, t2và t3để cắt từng cấp điện trở

Chuyển đổi sang các mạch điều khiển sử dụng linh kiện rời, hoặc các thiết bị lập chương trình, như: vi điều khiển, PLC, LOGO!

điều khiển các quá trình

liên tục

Xác định, nắm chắc đặc điểm vμ mô hình hoá đối tượng điều khiển.

Xác định yêu cầu về chất lượng điều chỉnh, mức độ sai số, độ quá điều chỉnh

Lựa chọn phương pháp điều khiển vμ bộ

điều khiển phù hợp.

Tiến hμnh thử nghiệm vμ kiểm tra ở chế độ tĩnh vμ chế độ động.

một số sơ đồ mạch điển hình

Mạch bảo vệ không.

Mạch bảo vệ quá dòng điện cực đại.

Mạch bảo vệ quá dòng điện cực tiểu.

Mạch bảo vệ quá tải.

Mạch bảo vệ hμnh trình.

Mạch bảo vệ quá trình khởi động.

Mạch liên động điện vμ liên động cơ.

Mạch phanh hãm điện từ

K

K

M D

r1 r2

M3 3

CC1 Ap

K Rn

D M K

K Rn Rt1 K1 Rt2 K2

Rt1

Rt2

CC2 X1 X2

4

6

5

Mạch bảo vệ hμnh trình

7

5 3

2 X2

X1 CC2

Rn T

T

MT D

Rn T

Ap

CC1

3 M3 N

Xe chạy

Mạch bảo vệ quá trình khởi động

M3

CC1 Ap

4

5 Rn1 Rt2

Rn1

GV: Nguyễn Vũ Thanh 20

Mạch liên động điện vμ liên động cơ

9

4 1

N T

N MN N

N

M3 3

CC1 Ap

T Rn

D MT T

T Rn CC2

X1 X2

2 X2

X1 CC2

Rn Ph Ph

MPh D

Rn Ph

Các phần tử có tiếp điểm

– Bộ khống chế chỉ huy – Rơle tốc độ

– phanh điện từ – li hợp điện từ

bộ khống chế chỉ huy

GV: Nguyễn Vũ Thanh 2

rơle tốc độ

Cấu tạo rơle li tâm Cấu tạo rơle cảm ứng

1) Trục quay; 2) Quả văng 3) Lò xo kéo; 4) Giá tiếp điểm 5) Tiếp điểm NO

6) Tiếp điểm NC

1) Trục quay; 2) Nam châm vĩnh cửu 3) Lồng sóc; 4) Lõi thép stato; 5) Cần tác động 6) Hệ thống tiếp điểm

phanh điện từ

Cấu tạo vμ nguyên lí hoạt động

1) Cuộn hút điện từ 2) Lò xo nhả

3) Đối trọng 4) Má phanh guốc 5) Má phanh ép 6) Trục quay

li hợp điện từ

Li hợp kiểu ma sát

1) Trục động cơ; 2) Bạc lót 3) Phần gông (điện cực âm) 4) Cuộn dây; 5) Tấm lót cách điện 6) Vành trượt cấp điện

7) Chổi than (điện cực dương)

8, 9) Các đĩa ma sát 10) Phần ứng (giá ép) 11) Khung đỡ đĩa ma sát 12) Trục máy công tác

Li hợp kiểu bám

Các thông số cơ bản của KĐTT

– Điện áp nguồn cấp 5 ữ 18 V – Dòng điện ra IR ≈ 3 mA – Công suất tiêu thụ ΔP ≈ 60 mW – Vùng nhiệt độ làm việc -55OC ữ 125OC – Tần số làm việc cực đại khoảng hàng kHz – Hệ số khuếch đại K = 105 - 107

– Điện trở đầu vào ZV≈ 1MΩ – Điện trở đầu ra ZR ≈ 100 Ω

Khuếch đại đảo dấu

R

R K

=

−

=

1 2

Khuếch đại không đảo

R

R K

;

1 2 1

0 0

1 2 0 3

E E R

R E

R R R R

−

=

=

=

R

Y R

X R R Ura

4 3

2 1

1 1

U8BZ

Ura

R1

R4 R3

R2XY

ứng dụng trong điều khiển

tự động

Ví dụ xây dựng cho bộ so sánh phản hồi

E = SP - PV

E SP

PV - +

)( 2 1

0

3 2 1 0

E E E

R R R R

E = SP - PV

VÝ dô x©y dùng cho bé céng víi nhiÒu ®Çu vμo

−

R

Y R

X R R Ura

4 3

2 1

1 1

U8BZ

Ura

R1

R4 R3

R2XY

§Ó cã ®−îc biÓu thøc nh− mong muèn ta cÇn gi¶i c¸c ph−¬ng tr×nh sau:

4

; 2

; 1

4

1 3

1 2

R

R R

R R

2.2k R4

4.7k R3

10k R2 X Y Z

GV: Nguyễn Vũ Thanh 8

Tuy nhiên kết quả lại cho ta số âm, do vậy để

đạt đ−ợc kết quả nh− mong muốn ta cần dùng thêm một bộ đảo nữa.

2 3

2.2k R4

4.7k R3

10k R2 X Y

10k R4

E

2 3

10k R4 10k R3

10k R2 SP

2 3

10k R5

PV E

VÝ dô tuyÕn tÝnh ho¸ ®o¹n ®−êng cong phi tuyÕn sau

tuyÕn tÝnh ho¸ ®−êng cong

+

-UR

UV

T¹o hμm ë gãc phÇn t− thø t−

+

Tạo vùng không tác động

UR-

+UN-

GV: Nguyễn Vũ Thanh 12

Cảm biến lμ gì ?

Các bộ biến đổi DAC

Bộ biến đổi số sang tương tự, có nhiệm vụ biến đổi một tín hiệu số nhị phân sang dạng tín hiệu tương tự điện áp hoặc dòng

điện.

bộ biến đổi DAC dựa trên cơ sở

đầu vμo trọng số nhị phân

Bộ biến đổi nμy dựa trên cơ sở lμ bộ cộng

đảo nhiều tín hiệu dùng khuyếch đại thuật toán.

Khi thay thế các giá trị điện trở lần lượt R, 2R, 4R

ta sẽ được kết quả sau Các giá trị điện trở nμy tạo ra tương ứng các trọng số khác nhau của dãy

số nhị phân.

Giả sử điện áp ở mức cao của đầu

ra số lμ 5V, mức thấp lμ 0V,

Rf= 2R Thì với sơ đồ mạch trên

ta được kết quả

sau.

9.375 1

1 1 1

8.75 0

1 1 1

8.125 1

0 1 1

7.5 0

0 1 1

6.875 1

1 0 1

6.25 0

1 0 1

5.625 1

0 0 1

5 0

0 0 1

4.375 1

1 1 0

3.75 0

1 1 0

3.125 1

0 1 0

2.5 0

0 1 0

1.875 1

1 0 0

1.25 0

1 0 0

0.625 1

0 0 0

0 0

0 0 0

OUT D0

D1 D2 D3

Các bộ biến đổi ADC

Bộ biến đổi tương tự sang số, có nhiệm vụ biến đổi một tín hiệu tương tự dưới dạng

điện áp hoặc dòng điện sang dạng tín hiệu

số nhị phân.

GV: Nguyễn Vũ Thanh 16

Bộ biến đổi ADC song song

Mạch ADC song song

Phần tử Ex-OR lμm nhiệm vụ lựa chọn cặp tín hiệu

LÊy Vref = 5V, ta ®−îc VR= 0.625

§iÖn ¸p vμo Vin = 0 – 5V

Ta ®−îc b¶ng tÝn hiÖu sau

4.375 1

1 1

3.75 0

1 1

3.125 1

0 1

2.5 0

0 1

1.875 1

1 0

1.25 0

1 0

0.625 1

0 0

0 0

0 0

VinD0

D1 D2

GV: Nguyễn Vũ Thanh 18

Bộ biến đổi ADC bậc thang

Đầu ra bộ đếm nhị phân được

đưa vμo bộ DAC.

Đầu ra bộ DAC

được so sánh với

Vin

– Dừng đếm, xoá đếm– Kích hoạt bộ chốt SRG

Mối quan hệ giữa tín hiệu tương tự vμ tín hiệu số

Bộ biến đổi ADC xấp xỉ liên tiếp

Theo nguyên tắc:

– Luôn gán 1 cho bít có trọng số cao nhất

– So sánh kết quả DAC với Vin

Nếu VDAC> Vin thì xoá 1 gán 0 cho bít có trọng

100

010 100

010 100

110 101

1 0 2 3 4 5 6 7 8

100

000

010 011 100

110 101 100 110 111

101 110 111

được thực hiện nhờ bộCTR Mỗi khi Vin–

VDACđổi dấu, thì

hướng bám được thay

đổi

– Giá trị nhị phân đầu ra

bộ CTR luôn được cập nhật

011 010

000

100

001

101 110 111

Bộ biến đổi ADC dùng điện áp

răng c−a

Về nguyên lí khá giống với ADC bậc thang ở đây thay bậc thang bằng răng c−a vμ trong mạch không có bộ DAC

GV: Nguyễn Vũ Thanh 22

Đây lμ công nghệ biến đổi ADC tiên tiến

Cảm biến (Sensor)

1 Khái niệm chung

2 Một số tiêu chí đánh giá cảm biến

3 Nguyên lý làm việc của một số cảm biến

1.Khái niệm chung

)Là những thiết bị có khả năng cảm nhận những

đại l−ợng điện và không điện, chuyển đổi chúng trở thành những tín hiệu điện phù hợp với thiết bị thu nhận tín hiệu.

)Là những thiết bị không thể thiếu trong các hệ

2.1 Phạm vi cảm nhận hoặc khoảng cách cảm nhận.

2.2 Sai số.

) Sai số do mắt trễ ) Sai số về độ phân giải ) Sai số do tuyến tính hoá

2.Một số tiêu chí đánh giá cảm biến

2.1.Phạm vi cảm nhận) Là giới hạn cảm nhận của cảm biến đối với đại lượng vật lý cần

đo

) Ví dụ:

)Cảm biến nhiệt có tín hiệu ra bằng điện tỉ lệ với

nhiệt độ cần đo Do đó trong khoảng giới hạn nhiệt độ trên vμ dưới, mối quan hệ nμy cần phải tuyến tính Vùng tuyến tính đó được gọi lμ phạm

vi cảm nhận.

)Đối với cảm biến tiệm cận lμ khoảng giới hạn

trên vμ dưới mμ cảm biến có thể phát hiện ra đối tượng, lμm cho đầu ra chuyển tín hiệu một cách chắc chắn.

UCao

? Sai số do mắt trễ tín hiệu

) Sự khác biệt lớn nhất giữa giá trị đầu ra đo đ−ợc với giá trị

đầu ra lý thuyết khi tín hiệu đầu vμo tăng hoặc giảm.

2.2. Sai số

t

V Dải nhiệt độ ứng với điện áp V1

Dải điện áp ứng với t1

t1

? Sai số do độ phân giải

) Độ phân giải: Lμ sự thay đổi lớn nhất của đại lượng vật lý

cần đo mμ không gây ra sự thay đổi về tín hiệu đầu ra của cảm biến.

Độ phân giải của điện trở nhiệt (RTD) với đầu ra số

t

Độ phân giải+/- 0.25oC

? Sai số do tuyến tính hoá

) Với một sensor lí tưởng thì tín hiệu đầu vμo luôn tỉ lệ tuyến

tính với tín hiệu đầu ra Nhưng trên thực tế để có tín hiệu đo tuyến tính, người ta luôn phải tiến hμnh tuyến tính hoá

Điều nμy sẽ tạo ra sai số của tín hiệu

pV

Tuyến tính hoá trong cảm biến áp suất

caothấp

thấp

đường cong thực tế

đường cong lí tưởngsai số lớn nhất

3.Nguyên lý lμm việc của một số cảm biến

3.1 Các loại cảm biến đóng cắt (dạng ON-OFF).

) Các kí hiệu điệnTiếp điểm thường hở (NO)

Khi mở

Khi đóng

3.1.Các cảm biến đóng cắt dạng ON - off

Vị trí đóngQuãng đường dự trữ

phần chấp hμnhphần đầu

năng lượng,

đến vị trí đóng

lò xo chốt giải phóng năng lượng

) Kiểu tác động có trễ

Đặc điểm

) Tiếp điểm NO

đóng trước, tiếp điểm NC

) Bố trí tiếp

điểm

(SPDT)

? Cảm biến tiệm cận.

)Tiệm cận điện cảm (Inductive proximity) )Tiệm cận điện dung (Capacitive proximity) )Tiệm cận siêu âm (Ultrasonic proximity) )Tiệm cận quang học (Photoelectric proximity)

) Tiệm cận điện cảm (Inductive proximity)

& Lμ loại cảm biến sử dụng trường điện-từ để phát hiện

đối tượng bằng kim loại.

& Điện áp lμm việc DC, AC hoặc AC/DC