Giáo trình phân tích khả năng ứng dụng conector trong việc điều khiển tự động hóa p7 pdf

Báo cáo tốt nghiệp Đinh Văn Hùng - TĐH46

Khoa Cơ Điện Trờng đại học NNI
55






** Nhiệm vụ từng khối:
+ Khối nhiệt độ là khối tạo nguồn nhiệt của sản phẩm. Do mô hình chỉ có
tính tợng trng mô phỏng sự làm việc của dây chuyền nên khối nhiệt ở đây đợc
tạo bằng các đèn sợi đốt.
+ Khối cảm biến có tác dụng đo nhiệt độ sản phẩm và khuếch đại tín hiệu,
để đa vào PLC xử lý và đa quyết định điều khiển các cơ cấu chấp hành có trong
dây chuyền khâu tinh lọc.
+ Khối PLC có tác dụng thu thập tín hiệu từ cảm biến, sau đó xử lý và đa
quyết định điều khiển đến các cơ cấu chấp hành trong dây chuyền.
+ Khối cơ cấu chấp hành là các thiết bị chấp hành có trong dây chuyền
thực hiện các thao tác vận hành dây chuyền. Khối này gồm các động cơ, các van.

3.3.2. Thiết kế và phân tích nguyên lý hoạt động từng khối
1- Khối nhiệt độ
Nh đã đề cập ở trên thì khối nhiệt độ sẽ đợc mô phỏng bằng nhiệt độ của
các bóng đèn điện áp 220V - 100W. Các đèn sẽ tạo nguồn nhiệt để trong một hộp
coi nh vùng nhiệt độ sản phẩm. Việc điều khiển cấp nhiệt là việc đóng cắt các đèn
sợi đốt để tăng hoặc hạ nhiệt độ sản phẩm.
2 Khối cảm biến
Cảm biến đợc định nghĩa nh một thiết bị dùng để biến đổi các đại lợng
vật lý và các đại lợng không điện cần đo thành các đại lợng điện có thể đo đợc

(nh dòng điện, điện thế, điện dung, trở kháng). Nó là thành phần quan trọng
nhất trong một thiết bị đo hay trong một hệ điều khiển tự động. Có thể nói rằng
Các cơ cấu
chấp hành
.
Báo cáo tốt nghiệp Đinh Văn Hùng - TĐH46

Khoa Cơ Điện Trờng đại học NNI
56
nguyên lý hoạt động của một cảm biến, trong nhiều trờng hợp thực tế, cũng chính
là nguyên lý của phép đo hay của phơng pháp điều khiển tự động.
Các đại lợng vật lý là đối tợng đo lờng nh nhiệt độ, áp suất là các đại
lợng cần đo. Sau khi tiến hành các công đoạn để tiến hành đo các đại lợng này ta
nhận đợc đại lợng điện tơng ứng ở đầu ra. Đại lợng điện này cùng với sự biến
đổi của nó chứa đựng tất cả các thông tin cần thiết để nhận biết đối tợng cần đo.
Việc đo đạc các đối tợng này thực hiện đợc là nhờ có các cảm biến.
Vậy cảm biến là một thiết bị chịu tác động của đại lợng cần đo không có
tính chất điện và cho ta một đặc trng mang bản chất điện ( nh điện tích, điện áp,
dòng điện, trở kháng ).
** Vai trò của cảm biến trong quá trình tự động hoá.
Đã từ lâu cảm biến đợc sử dụng nh những bộ phận để cảm nhận và phát
hiện, nhng chỉ từ vài chục năm trở lại đây chúng mới thể hiện rõ vai trò quan
trọng trong các hoạt động của con ngời. Nhờ các tiến bộ của khoa học và công
nghệ trong lĩnh vực vật liệu, thiết bị điện tử và tin học các cảm biến đã có kích
thớc nhỏ hơn, cải thiện tính năng và ngày càng mở rộng phạm vi ứng dụng. Giờ
đây không có một lĩnh vực nào mà ở đó không có sử dụng các cảm biến. Chúng có
mặt trong các hệ thống tự động phức tạp, ngời máy, kiểm tra chất lợng sản phẩm,
tiết kiệm năng lợng, chống ô nhiễm môi trờng. Cảm biến cũng đợc ứng dụng
rộng rãi trong lĩnh vực giao thông vận tải, hàng tiêu dùng, bảo quản thực phẩm, ô
tô, trò chơi điện tử v.v

a. Thiết kế cảm biến nhiệt
Trong tất cả các đại lợng vật lý, nhiệt độ là một trong những đại lợng
đợc quan tâm nhiều nhất. Đo nhiệt độ là một phơng thức đo lờng không điện,
đo nhiệt độ đợc chia thành nhiều dải nhiệt độ khác nhau nh sau:
+ Đo nhiệt độ thấp
+ Đo nhiệt độ trung bình
+ Đo nhiệt độ cao
.
Báo cáo tốt nghiệp Đinh Văn Hùng - TĐH46

Khoa Cơ Điện Trờng đại học NNI
57
- Có nhiều cách đo nhiệt độ khác nhau, trong đó có thể liệt kê các phơng
pháp chính nh sau:
+ Phơng pháp quang dựa trên sự phân bố bức xạ nhiệt độ do dao động
nhiệt (hiệu ứng Doppler).
+ Phơng pháp cơ dựa trên sự giãn nở của vật rắn, của chất lỏng hoặc chất
khí (với áp suất không đổi), hoặc dựa trên tốc độ âm.
+ Phơng pháp điện dựa trên sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ, hiệu
ứng seebeck, hoặc dựa trên sự thay đổi tần số dao động của thạch anh.
Việc đo nhiệt độ đợc tiến hành nhờ các dụng cụ hỗ trợ chuyên biệt nh:
+ Caởp nhieọt ngẫu
+ Nhiệt kế điện thế kim loại
+ Nhiệt điện trở kim loại
+ Nhiệt điện trở bán dẫn
+ Cảm biến thạch anh
Việc sử dụng các IC cảm biến nhiệt để đo nhiệt độ là một phơng pháp
thông dụng đợc sử dụng trong các ứng dụng mô phỏng thông thờng, nên ở đây
tôi chọn phơng án sử dụng IC này.

** Nguyên lý hoạt động chung của IC đo nhiệt độ
IC đo nhiệt độ là một mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển thành tín
hiệu điện dới dạng điện áp.
+ Sơ đồ nguyên lý mạch của LM335 nh sau:
.
Báo cáo tốt nghiệp Đinh Văn Hùng - TĐH46

Khoa Cơ Điện Trờng đại học NNI
58

Dựa vào đặc tính rất nhạy của các bán dẫn với nhiệt độ, tạo ra điện áp hoặc
dòng điện, tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối. Đo tín hiệu điện ta biết đợc giá trị
của nhiệt độ cần đo. Sự tác động của nhiệt độ tạo ra điện tích tự do và các lỗ trống
trong các bán dẫn, bằng sự phá vỡ các phân tử, bứt các electron thành dạng tự do di
chuyển qua vùng cấu trúc mạng tinh thể tạo sự xuất hiện các lỗ trống, làm cho tỷ lệ
điện tử tự do và lỗ trống tăng lên theo quy luật hàm mũ với nhiệt độ. Các IC cảm
biến nhiệt độ có độ chính xác cao, dễ tìm trên thị trờng hiện nay, đồng thời nó có
những đặc tính phù hợp với thiết kế chi tiết của mạch, và trong mạch này ta dùng
loại IC LM335, dới đây là một số đặc điểm kỹ thuật về LM 335.

* Đặc tính kỹ thuật
+ Hình dạng bên ngoài
.
Báo cáo tốt nghiệp Đinh Văn Hùng - TĐH46

Khoa Cơ Điện Trờng đại học NNI
59

+ Sơ chân nối của nó nh sau:

Sơ đồ nhìn từ dới chân thiết bị
+ V
+
và V
-
là hai đầu nguồn đặt của cảm biến
+ ADJ là chân chuẩn điều kiện làm việc đầu ra của cảm biến.
*Tính chất cơ bản của LM335:
- LM335 có độ biến thiên theo nhiệt độ là: 10mV / 1
0
C
- Độ chính xác cao, tính năng cảm biến nhiệt độ rất nhạy, ở nhiệt độ 25
0
C nó
có sai số không quá 1%. Với khoảng đo từ 0
0
C 128
0
C, tín hiệu ngõ ra tuyến tính
liên tục với những thay đổi của tín hiệu ngõ vào.
- Thông số kỹ thuật:
+ Tiêu tán công suất thấp
+ Dòng làm việc từ 450
m A - 5mA
.
B¸o c¸o tèt nghiƯp §inh V¨n Hïng - T§H46

Khoa C¬ §iƯn Tr−êng ®¹i häc NNI

60
+ Dßng ®iƯn ng−ỵc 15mA
+ Dßng ®iƯn thn 10mA
+ §é chÝnh x¸c : khi lµm viƯc ë nhiƯt ®é 25
0
C víi dßng lµm viƯc 1mA th×
®iƯn ¸p ngâ ra tõ 2,94V - 3,04V.
- §¨c tÝnh ®iƯn:


Theo th«ng sè cđa nhµ s¶n xt, quan hƯ gi÷a nhiƯt ®é vµ ®iƯn ¸p ngâ ra nh− sau:
V
out
= 0,01xT
0
K
= 2,73 + 0,01xT
0
C
VËy øng víi kho¶ng ho¹t ®éng tõ 0
0
C - 100
0
C ta cã sù biÕn thiªn ®iƯn ¸p ngâ
ra nh− sau:
ë 0
0
C th× ®iƯn ¸p ngâ ra V
out
= 2,73 (V)

ë 5
0
C th× ®iƯn ¸p ngâ ra lµ V
out
= 2,78 (V)

ë 100
0
C th× ®iƯn ¸p ngâ ra V
out
=3,73 (V)
Kho¶ng biÕn thiªn ®iƯn ¸p t−¬ng øng lµ 1V víi kho¶ng nhiƯt ®é tõ 0
0
C – 100
0
C
**
Thiết kế cụ thể mạch cảm biến dùng LM335
+ S¬ ®å m¹ch nh− sau:


H×nh 3.2. S¬ ®å m¾c kh«ng chn hãa
§iƯn ¸p ®Ỉt ë ®©y lµ +5V. §©y lµ s¬ ®å m¾c lµm viƯc ë chÕ ®é ch−a chn
hãa tøc lµ kh«ng ë 25
0
C. Ngoµi ra ta cßn cã c¸ch m¾c ®Ĩ chn hãa ®iỊu kiƯn
chn nh− sau.

LM335
.

Báo cáo tốt nghiệp Đinh Văn Hùng - TĐH46

Khoa Cơ Điện Trờng đại học NNI
61




Hình 3.3. Sơ đồ mắc chuẩn hóa
+ Tính toán và chọn linh kiện
Ta có
450
m A < I
R
< 5mA

450m A < (5-V
0
)/R< 5mA
(5-V
0
)/5mA < R <(5-V
0
)/ 450m A
Vì : 2,73 < V
0
3,73
Mặt khác, theo thông số của nhà sản xuất điện áp trên LM335 tại T
c
= 25

0
C,
I
R
= 1mA thì V
0
= 2,98 (V) vậy ta có:
450
m A < (5-2,98)/R < 5mA
Nên 424 < R < 4,7K
Từ đó ta chọn R = 1K
b
**Thiết kế mạch khuếch đại


Để tạo khoảng so sánh tín hiệu lấy ra ứng với điều kiện làm việc của môi
trờng ta cần một mạch khuếch đại khoảng biến thiên của tín hiệu ra. Đây là mạch
so sánh tín hiệu ra của cảm biến với tín hiệu đặt điện áp ứng với điệu kiện làm việc
nhiệt độ môi trờng ngoài. Vì khoảng biến thiên điện áp của bộ cảm biến là 1V với
khoảng biến thiên nhiệt độ từ 0
0
C - 100
0
C. Trong khi đó, yêu cầu mạch đầu vào của
PLC có mức điện áp từ 0V - 10V, vì vậy ta sử dụng mạch khuếch đại tín hiệu điện
LM335
.
Báo cáo tốt nghiệp Đinh Văn Hùng - TĐH46

Khoa Cơ Điện Trờng đại học NNI

62
áp, với hệ số khuếch đại 10 lần cho đầy mức giới hạn đầu vào của PLC sơ đồ nh
(hình 3.2).




Hình 3.4. Sơ đồ mạch khuếch đại

Theo nh hình trên thì V
+
và V
-
đợc tính nh sau:

V
+
= R
4
.V
2
/(R
2
+ R
4
)
V
-
= (V
0

V
1
) . R
5
/(R
3
+ R
5
) V
1

Vì : V
+
= V
-

suy ra


R
4
.V
2
/(R
2
+ R
4
) = (V
0
V

1
) . R
5
/(R
3
+ R
5
) V
1

V1
V2
V0
VR1
.
Báo cáo tốt nghiệp Đinh Văn Hùng - TĐH46

Khoa Cơ Điện Trờng đại học NNI
63
V
1
: là điện áp ngõ vào đảo của bộ khuếch đại và V
1
= 2,73 V
V
2
: là tín hiêu ra của cảm biến và V
2
= 2,73 + 0,01xT
0

C
V
0
: là điện áp ngõ ra của OA và V
0
= K(V
2
V
1
)
K : là hệ số khuếch đại
Nh vậy ta xét ở nhiệt độ 0
0
C thì V
2
= V
1
; V
0
= 0V
= > R
4
/(R
2
+ R
4
) = R
5
/(R
3

+ R
5
)
Để đơn giản ta chọn R
2
= R
3
; R
4
= R
5
nh vậy:
V
0
= (V
2
V
1
).R
5
/R
3

Chọn hệ số khuếch đại K = R
5
/ R
3
= 10
Mặt khác ta có dòng của OA là I
0

< 20mA, nên dòng hồi tiếp I
f
<< 20mA
= > I
f
= (V
0
V
1
)/(R
3
+ R
5
) << 20mA
= > R
3
+ R
5
>> (V
0
V
1
)/20mA
Mà V
0max
=10V
V
1
= 2,73V
= > R

3
+ R
5
>> 2,27/ 20mA
Hay 6R
3
>>2,27 / 20mA
= > R
3
>>18,4 (Ohm)
Chọn R
3
= 1k; R
5
= 10k; VR
1
= 15k
Do đó R
1
= 100 (Ohm)
c. Thieỏt keỏ cảm biến mức chất lỏng
Mục đích của việc đo và phát hiện mức chất lu là xác định mức độ hoặc
khối lợng chất lu trong các bình chứa. Có hai dạng đo là đo liên tục và xác định
theo ngỡng. Khi đo liên tục, biên độ hoặc tần số của tín hiệu đo cho biết thể tích
chất lu còn lại trong bình chứa. Khi xác định theo ngỡng, cảm biến đa ra tín
hiệu dạng nhị phân cho biết thông tin về tình trạng hiện tại mức ngỡng có đạt hay
không. Thông thờng ngời ta hay kết hợp cả hai loại đầu đo phát hiện ngỡng cao
và ngỡng thấp để tự động hóa quy trình cung cấp và hút chất lu từ bình chứa.
Có nhiều phơng pháp để thiết kế cảm biến mức chất lỏng nh: phơng pháp
thủy tĩnh, phơng pháp điện, phơng pháp bức xạ.

.