Chương 2: Cảm biến và cơ cấu chấp hành

Cảm biến Logic chỉ xác định trạng thái đúng hay sai của một hiện tượng vật lý, còn cảm biến liên tục biến đổi hiện tượng vật lý thành các tín hiệu đo lường được là dưới dạng điện áp hay

PHẦN I

ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH (PLC)

CHƯƠNG 2

Chủ đề:

Lắp ráp cảm biến Các loại cảm biến logic và liên tục Một số cơ cấu chấp hành

Mục đích:

Nắm rõ hoạt động của các cảm biến, cơ cấu chấp hành và cách sử dụng chúng

Nối kết thiết bị ngoại vi với PLC

2.1 CẢM BIẾN

2.1.1 Giới thiệu

Các cảm biến giúp cho PLC phát hiện các trạng thái và đo lường các giá trị của một quá trình Cảm biến Logic chỉ xác định trạng thái đúng hay sai của một hiện tượng vật lý, còn cảm biến liên tục biến đổi hiện tượng vật lý thành các tín hiệu đo lường được là dưới dạng điện áp hay dòng điện

Các loại cảm biến logic cơ bản thường gặp:

Cảm ứng điện từ;

Cảm ứng điện dung;

Cảm ứng quang; Cảm biến siêu âm;

Tiếp xúc cơ

Các loại cảm biến tương tự cơ bản thường gặp:

Góc quay hay vị trí;

Gia tốc;

Nhiệt độ;

Áp suất hay lưu lượng;

Ứng suất, biến dạng, lực;

Aùnh sáng;

Hầu hết các cảm biến liên tục dựa trên cơ sở thuộc tính nhạy cảm về điện của các vật liệu và thiết bị Kết quả là tín hiệu thường đòi hỏi xử lý tín hiệu bằng cách khuếch đại dòng hay áp để đạt được ngưỡng dòng và áp thích hợp

Đôi khi, các cảm biến liên tục cũng được gọi là các bộ chuyển đổi (Transducer) Bởi vì chúng chuyển đổi hiện tượng vào thành hiện tượng ra dưới dạng khác , chẳng hạn như :” áp suất – điện áp”

2.1.2 Cảm biến Logic

Khi cảm biến phát hiện sự thay đổi trạng thái vật lý của đối tượng thì sẽ truyền tín hiệu đến PLC dưới dạng điện áp hay dòng điện đầu ra từ cảm biến (đầu vào của PLC)

thường là transistor mắc theo kiểu NPN (gọi là sinking) hình 2.1 hoặc PNP (gọi là sourcing), Hình 2.2

Hình 2.1 – Kiểu NPN (Sinking)

Hình 2.2 – Kiểu PNP (Sourcing)

Giao tiếp đầu vào của PLC đối với Sinking sensor được thể hiện như hình 2.3 và đối với Sourcing sensor như hình 2.4

Hình 2.3 – Ngõ vào PLC cho Sinking sensor

Hình 2.4 – Đầu vào PLC cho Sourcing sensor

Nối dây là mối quan tâm chính trong các ứng dụng điều khiển PLC, vì vậy để giảm thiểu số dây nối, cảm biến hai dây trở nên thịnh hành Cảm biến hai dây dược mô tả ở

hình 2.5

2.1.2.1 Công tắc từ

Công tắc từ là rất giống với rờ le, chỉ khác ở chỗ là nam châm vĩnh cửu thay bằng

cuộn dây Khi nam châm ra xa thì công tắc hở, nhưng khi nam châm được mang đến gần

hơn thì công tắc đóng lại, mô tả trên hình 2.6

Ngõ vào PLC cho Sinking sensor

Ngõ vào PLC cho Sourcing sensor

Hình 2.5 – Lắp cảm biến 2 dây

Công tắc này thường được sử dụng cho cửa và màn hình an toàn

Nam châm

Hình 2.6 – Công tắc từ

Ví dụ công tắc từ dùng trong giới hạn hành trình của xy lanh khí nén Hình 2.7

b) Đã cảm ứng a) Chưa cảm ứng

1 Nam châm vĩnh cửu

1

1

Hình 2.7 Cảm ứng từ pittông khí nén

2.1.2.2 Cảm biến quang

Cảm biến quang gồm bộ phát và bộ thu ánh sáng Bộ phát sẽ tạo ra tia sáng nằm trong phổ thấy được hoặc không thấy bằng đèn LED hoặc đi ốt laser Bộ thu được làm bằng các đi ốt quang hay transistor quang Bộ thu và bô nhận có thể bố trí thành một khối

hoặc tách rời tùy theo yêu cầu sử dụng Cảm biến quang cơ bản được mô tả ở hình 2.8

Hình 2.8 – Nguyên tắc cơ bản của cảm biến quang

2.1.2.3 Cảm nhận xuyên tia

Cảm nhận xuyên tia là bộ thu và bộ phát nằm đối diện nhau

Nguyên tắc xuyên tia Ví dụ: phát hiện gãy mũi dao cắt

2.1.2.4 Loại phản xạ ánh sáng

Bộ phát và thu ánh sáng được đặt trong một chỗ và có một gương phản xạ bố trí phía đối diện

Ví dụ: đếm sản phẩm Nguyên tắc phản xạ

2.1.2.5 Loại khuếch tán ánh sáng

Loại này hạn chế khả năng phát hiện vật thể do ánh sáng bị phân tán khi gặp đối tượng

Nguyên tắc phân tán

Phát hiện trạng thái sản phẩm

2.1.2.6 Cảm biến từ

Cảm biến từ là biến đổi từ trường sang điện áp Nguyên tắc được mô tả hình 2.9

Tham khảo ở Bài giảng Điều khiển khí nén & thủy lực

Hình 2.9 – Sơ đồ nguyên lý

2.1.2.7 Cảm biến điện dung

Cảm biến điện dung phát hiện hầu hết các loại vật liệu ở khoảng cách vài cm.Cảm

biến điện dung biến đổi điện dung sang điện áp Nguyên tắc được mô tả hình 2.10

Hình 2.10 - Sơ đồ nguyên lý

Tham khảo ở Bài giảng Điều khiển khí nén & thủy lực

2.1.2.8 Cảm biến siêu âm

Nguyên tắc là dựa trên quá trình phát và phản hồi của sóng âm

thanh giữa đối tượng và bộ phận nhận Tần số sóng âm thanh thường

trên ngưỡng nghe được là 16KHz

Ví dụ: hình bên là sắp xếp kích thước theo độ cao khác nhau

2.1.3 Cảm biến tương tự

Cảm biến tương tự biến đổi trạng thái vật lý của đối tượng thành tín hiệu điện áp hay dòng điện Phần này chỉ đề cập đến một số cảm biến thường dùng phổ biến trong công nghiệp

2.1.3.1 Chuyển vị góc – chiết áp

Các chiết áp đo lường vị trí quay của trục sử dụng giống như một biến trở và được

mô tả hình 2.11

Hình 2.11-Chiết áp

Chiết áp mô tả ở hình 2.12 là một bộ chia điện áp, khi càng gạt xoay thì điện áp ra

của nó tỉ lệ với góc xoay tương ứng

Chiết áp là phổ biến vì giá thành rẽ, không cần các điều khiển xử lý tín hiệu đặc biệt Nhưng chúng bị giới hạn về độ chính xác, thường khoảng 1% và hao mòn cơ học

Hình 2.12 - Bộ chia điện áp

2.1.3.2 Thiết bị mã hóa (Encoder)

Bộ giải mã tuyệt đối ( Absolute Encoder ) :

Là loại thiết bị mã hóa mà các tín hiệu mã đầu ra song song để chỉ thị góc quay tuyệt đối của trục Loại này không cần bộ đếm để điếm xung mà vẫn có thể biết góc quay của trục thiết bị mã hóa

Cũng giống như nhiều loại Encoder khác, bộ giải mã tuyệt đối gồm một đĩa tròn, trên đó có những khoảng trong suốt và đục Aùnh sáng có thể xuyên qua những phần trong suốt đến bộ cảm biến quang ( Photo transistor ), khi đĩa quay thì bộ cảm biế bật lên 1 và phần ánh sáng bị chặn bởi những phần đục làm cảm biến quang xuống 0 Như vậy cảm biến quang sẽ tạo thành những xung tuần tự:

Khi thiết bị mã hóa này được sử dụng với cùng một thiết bị khác, thì vị trí 0 của trục xem như góc tọa độ Khi trục của thiết bị mã hóa quay về tọa độ góc này thì góc quay có thể được hiển thị trên bộ chỉ thị của máy Tín hiệu đầu ra của thiết bị mã hóa không bị ảnh hưởng bởi nhiễu của thiết bị đóng, ngắt và không yêu cầu điều chỉnh góc quay chính xác Hơn nữa, thậm chí nếu tín hiệu mã hóa đầu ra không thể đọc vì trục quay quá nhanh, thì góc quay chính xác được ghi khi tốc độ quay giảm xuống, hoặc ngay khi nguồn cho thiết bị mã hóa bị ngắt Thêm nữa, mã hóa sẽ không hoạt động do sự rung động của các thiết bịsử dụng nó

Loại thiết bị mã hóa tuyệt đối, có độ phân giải cao hơn và cho ra các giá trị thay đổi trong phạm vi rộng hơn so với thiết bị mã hóa tăng dần ( Incremental Encoder )

Thiết bị mã hóa tăng dần ( Incremental Encoder ) :

Là loại thiết bị mã hóa có dãy xung ra phù hợp với góc của trục quay Thiết bị mã hóa này không có xung ra khi trục không làm việc Do đó cần có một bộ đếám để xung ra

Thiết bị mã hóa cho biết vị trí của trục quay bằng số xung được đếm Dạng thiết bị mã hóa này chỉ có 1 hay 2 kênh ngõ ra :

+Loại 1 chiều ( chỉ có đầu kênh A ) là loại chỉ sinh ra xung khi trục quay

+Loại 2 chiều ( có đầu ra kênh A và B ) cũng có thể cho biết chiều của trục quay, nghĩa là thuận chiều kim đồng hồ Ngoài ra còn có đầu dây trung tính ( xung Z ) cho mỗi vòng quay, có nghĩa là nếu quay được 1 vòng thì xung Z lên 1

-Khi đĩa quay theo chiều kim đồng hồ thì xung track 1 (B) trễ pha hơn xung track 2 (A)

-Ngược lại, khi đĩa quay ngược chiều kim đồng hồ thì xung track 1 (B) nhanh pha hơn xung track 2 (A)

*Quay thuận chiều kim đồng hồ :

Quay ngược chiều kim đồng hồ Quay thuận chiều kim đồng hồ

Đầu A vượt quá B ( độ lệch pha ) = 90 +- 45 (T/4 +- T/8)

*Quay ngược chiều kim đồng hồ :

Đầu ra A chậm so với B

Đối với thiết bị mã hóa 2 chiều thì người ta sử dụng 2 đầu ra song song để xác định trục quay theo chiều kim đồng hồ(CCW) dựa trên độ lệch pha của đầu ra A và B Mặc dù độ lệch pha lý tưởng90 +- 0 song sai số cho phép đến +-45 Ngoài ra còn có xung chuẩn ở đầu ra cho mỗi vòng quay của trục thiết bị,

chức năng chỉ thị 0 này cùng với thiết bị mã

hóa dạng số được dùng để đặt tại điểm 0 của

một bộ đếm nối bên ngoài hoặc trạng thái

nghỉ của bộ nhận biết vị trí

Cảm biến

Encoder dạng Absolute:

Encoder dạng Absolute có ngõ ra là

tín hiệu được mã hoá nhị phân Bên trong

Encoder bao gồm một dĩa tròn bên trên có

khắc các vạch trong suốt và các vạch tối xen

kẽ theo đường tròn đồng tâm Tuỳ theo độ

phân giải của Encoder mà số đường tròn

đồng tâm đó nhiều hay ít

Cấu tạo dĩa quang trong Absolute Encoder

Xét trên một đường vạch tròn, một diode phát quang sẽ phát chùm tia đi xuyên qua các vạch trong suốt và bị chặn lại ở những vạch tối Bên kia mặt đĩa, song song với diode phát là một diode thu có nhiệm vụ như một cảm biến, ghi nhận các tín hiệu do diode phát đưa tới Có bao nhiêu đường vạch tròn thì có bấy nhiêu diode thu tín hiệu

Các tín hiệu đọc được từ diode thu sẽ được đưa ra ngoài dưới dạng tín hiệu điện Các tín hiệu điện này sẽ có dạng mã nhị phân phản ảnh vị trí của trục quay Encoder Thông thường để dễ dàng trong chế tạo người ta mã hoá các vạch trong suốt và vạch tối theo mã Gray vì vậy để ứng dụng được trong các hệ thống sử dụng mã Binary thì ta phải có chương trình chuyển đổi từ mã Gray sang mã Binary Một ưu điểm nưa của mã Gray là ở mỗi vị trí kế nhau thì chỉ có một bit được thay đổi, do đó sai số ở ngõ ra chỉ có thể tối đa là một đơn

vị Còn ở mã Binary thì có thể gây sai số lớn vì khi thay đổi vị trí thì có thể chỉ có một bit

có trọng số cao được thay đổi còn các bit trên hàng khác chưa kịp thay đổi

Encoder loại Incremental:

Encoder loại Incremental có ít kênh ngõ ra hơn loại Absolute, vì thế cấu tạo của nó đơn giản hơn

Trên bề mặt dĩa tròn bên trong

Encoder có hai đường tròn đồng tâm

Mỗi đường có các vạch trong suốt và các

vạch tối xen kẽ nhau Cũng như loại

Absolute Encoder, diode phát quang sẽ

phát tín hiệu đi xuyên qua vạch trong

suốt đến diode thu Hai diode thu này sẽ

chuyển đổi thành tín hiệu điện và đưa ra

ngoài

Vị trí các vạch trong suốt của hai

đường lệch nhau một góc và dựa

vào góc lệch pha giữa hai tín hiệu ra là

sớm pha hay trễ pha mà ta xác định chiều quay là thuận hay nghịch

0

90

A B

Cảm biến quang Cấu tạo dĩa quang trong Incremental Encoder

Dạng xung ngõ ra :

A

B

Quay theo chiều thuận

A

Quay theo chiều nghịch

B

2.1.3.4 Chuyển vị dài

Chiết áp xoay đã được thảo luận ở trên, nhưng chiết áp cũng có thể dùng trong dạng dài hay trượt Những loại này có khả năng đo lường chuyển vị dài theo khoảng cách

Hình 2.13 mô tả điện áp ra khi sử dụng chiết áp như bộ chia điện áp

Chiết áp trượt có những ưu và khuyết điểm như chiết áp xoay

Hình 2.13 – Chiết áp chuyển vị dài

2.1.3.5 Bộ đo vận tốc góc (Tachometer)

Bộ đo tốc độ góc quay đo lường vận tốc góc của trục quay Kỹ thuật phổ biến là gắn nam châm trên trục quay Khi nam châm di chuyển qua lõi cảm biến cố định, dòng

điện được sinh ra Mỗi vòng xoay của trục tạo ra một xung điện áp, hình 2.14

Hình 2.14 – Đo vận tốc góc

2.1.3.6 Cảm biến lực và momen

2.1.3.6.1 Miếng đo biến dạng (Strain gage)

Strain gages đo lường biến dạng ở các vật liệu sử dụng thay đổi điện trở của dây

dẫn Dây điện trở được dán trên bề mặt của vật thể bị biến dạng Hình 2.15 mô tả các

thuộc tính cơ bản của một dây dẫn không bị biến dạng Như ta đã biết, điện trở của dây dẫn là một hàm của điện trở suất, chiều dài và tiết diện ngang của dây dẫn

Sau khi dây dẫn đã bị biến dạng, nó sẽ tạo ra kích thước và điện trở mới như mô tả hình 2.16 Nếu lực được tác dụng thì dây dẫn bị giãn dài hơn ( tương ứng là mô đun đàn

hồi), nhưng tiết diện ngang của nó nhỏ lại ( tương ứng hệ số Poison) Ta có biến thiên điện trở được tính như dưới đây

Hình 2.15 - Các thuộc tính của dây dẫn điện

Hình 2.16 - Tính chất cơ – điện

của dây dẫn bị biến dạng

module

2.1.3.7 Cảm biến áp suất và chất lỏng

Cảm biến áp suất để đo áp suất của dòng lưu chất, cảm biến lưu lượng đo tốc độ của dòng chảy qua một tiết diện nào đó Tín hiệu ra của cảm biến thường là điện áp với giá trị rất bé Do đó người ta phải khuếch đại tín hiệu rồi mới đưa vào bộ điều khiển

Hình 2.17 – Chuyển đổi áp suất

Hình 2.18 – Van venturi

2.1.3.8 Cảm biến ánh sáng

Cảm biến ánh sáng thật chất là quang trở (LDR –Light

Dependant Resistor hay Photoresistor) có điện trở thay đổi

theo cường độ ánh sáng chiếu vào, điện trở cao khi sáng chói

sang điện trở thấp khi tối Hình 2.19 mô tả mạch phát hiện

cường độ ánh sáng

2.1.3.9 Cảm biến nhiệt

Đo lường nhiệt độ là rất phổ biến trong hệ thống điều

khiển Tầm nhiệt độ thường được mô tả với các phân loại sau:

2.1.3.9.1 Bộ dò nhiệt trở (RTD – Resistance Temperature

cường độ sáng

Khi dây kim loại bị đốt nóng thì điện trở tăng Nên

nhiệt độ có thể được đo lường bằng cách sử dụng điện trở của

2.1.3.9.2 Cặp nhiệt ngẫu

Dựa trên nguyên tắc, mỗi kim loại đều có một mức điện thế tự nhiên, và khi hai kim loại khác nhau chạm với nhau thì có một sự khác nhau rất nhỏ về điện thế đó là điện áp

2.2 CƠ CẤU CHẤP HÀNH

Cơ cấu chấp hành để truyền động các cơ cấu cơ khí Hầu hết cơ cấu này chuyển đổi điện năng thành cơ năng

2.2.1 Solenoid và Rờ le

Solenoid là các thành phần chấp hành phổ biến nhất Nguyên tắc hoạt động cơ bản là lõi

sắt từ di chuyển bên trong cuộn dây được mô tả hình 2.21

Hình 2.21- Hoạt động của Solenoid

2.2.2 Động cơ điện

Động cơ điện là thiết bị biến đổi điện năng thành cơ năng Bao gồm các loại thường sử dụng sau:

2.2.2.1 Động cơ DC

Động cơ DC được dùng rất phổ biến trong kỹ thuật điều khiển Nguyên tắc hoạt động của

động cơ mô tả ở hình 2.22

Thay đổi tốc độ quay của động cơ thường sử dụng phương pháp điều rộng xung (PWM) bởi vì nó tạo ra điện áp thay đổi hiệu quả Tần số sóng vuông điều chế thường trên

20KHz, trên tầm nghe của con người Phương pháp được mô tả trên hình 2.23

Hình 2.23-Biểu đồ điều rộng xung

Ví dụ: dùng điều chế độ rộng xung để điều khiển động cơ DC, hình 2.24

Hình 2.24 – Điều khiển tốc động cơ

2.2.2.2 Động cơ đồng bộ AC

Động cơ đồng bộ AC có thể là 1 pha và 3 pha Ta có thể thay đổi tốc độ của chúng bằng các bộ điều tốc như là bộ biến tần

2.2.3 Động cơ bước

Động cơ bước được thiết kế cho vị trí Một bước tương ứng với một góc nào đó trong một vòng quay, thường người ta căn cứ vào kích cở góc của bước để xác định số bước Chẳng hạn: 0.72,1.8, 2, 2.5, 5,15 và 30 độ Có hai loại động cơ bước cơ bản, đơn cực

Hình 2.25- Mô tả cấu tạo động cơ bước

Tuần tự điều khiển động cơ bước

Hình 2.26 - Động cơ đơn cực

1 0 0 0

0 1 0 0

0 0 1 0

0 0 0 1

Hình 2.27 - Động cơ hai cực

BÀI TẬP CHƯƠNG 2 Bài 1

Vẽ nối kết cần thiết của các thiết bị vào và ra với PLC được mô tả dưới Đầu ra bao gồm một đèn 24Vdc, một đèn 120Vac Đầu vào bao gồm 2 nút nhấn NO và một cảm biến quan có cả hai ngõ ra là NPN, PNP

Bài 2

Vẽ đường dây nối kết nguồn cung cấp và cảm biến loại PNP với ngõ vào PLC được cho hình dưới

Bài 3

Vẽ đường dây nối kết các thành phần đầu vào dưới đây với PLC

3 nút nhấn thường hở

1 relay nhiệt

3 cảm biến sinking

1 cảm biến sourcing

Bài 4

Một PLC có 8 ngõ vào Transistor điện áp 10-28Vdc và 4 ngõ ra là relay Nó được nối kết với các thiết bị liệt kê dưới Vẽ nối dây của chúng

• Two inductive proximity sensors with sourcing and sinking outputs

• A NO run button and NC stop button

• A 120Vac light

• A 24Vdc solenoid

Bài 5

Vẽ một hệ thống thủy lực đơn giản sẽ đẩy và giật lùi xylanh được nối kết với ngõ ra PLC

Bài 6

Một động cơ điện có gắn một cảm biế n góc quay trên trục Động cơ truyền động cho hộp giảm tốc có tỉ số truyền 50:1 Nếu vị trí dịch chuyển của trục giảm tốc được xác định đến 0.1o thì cảm biến góc quay cần bao nhiêu xung trong một vòng quay

Bài 7

Một chiết áp được sử dụng để đo lường vị trí khâu quay robot (bộ chia điện áp) Nguồn cung cấp cho chiết áp là 5.0 V và góc làm việc của chiết áp (góc xoay) là 300o Tay cần gạt chiết áp được gắn trực tiếp vào khớp xoay

a) Điện áp ra của chiết áp ứng với vị trí của khớp xoay robot ở 42o là bao nhiêu?

b) Nếu khớp xoay và điện áp ra chiết áp là 2.765V thì vị trí của cần xoay chiết áp là thế nào?

Bài 8

Một động cơ bước được dùng để dẫn động một trong ba trục của robot hệ tọa độ đềcát Đầu trục ra của động cơ được nối với trục vít với bước vít là 0.125” Mong muốn của hệ thống đạt được độ phân giải là 0.025”

a) Để đạt được mong muốn này thì độ phân giải của động cơ bước là bao nhiêu(xung/vòng)

b) Xác định số xung để điều khiển cho khớp (trục vít và đai ốc) tịnh tiến với vận tốc 3.0”/sec