Đồ án thiết kế hệ thống lò nung kim loại

KHOA ĐIỆN TỬ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ VIỆT NAM

Bộ môn Cơ điện tử

Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
------------o0o-----------ĐỒ ÁN MÔN HỌC

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÒ NUNG KIM LOẠI
Nội dung:
1.Tổng quan về hệ thống lò nung.
2.Sơ đồ cấu trúc hệ thống.
3.Thiết kế hệ thống cơ khí.
4.Thiết kế hệ thống điện, điện tử.
Sinh viên:

Trần Văn Chung

– DTK1151010066

Nguyễn Tuấn Anh – DTK1151010489
Lớp:

K47CĐT.01

Hướng dẫn: Ngô Văn An
Ngày giao đề:

28-9-2015

Ngày hoàn thành:

5-12-2015

Trưởng Bộ Môn
( Ký tên )

Giáo viên hướng dẫn
( Ký tên )

1


MỤC LỤC

2


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay , khoa học kỹ thuật luôn không ngừng phát triển và đổi mới.
Từng ngày ,từng giờ tác động trực tiếp tới đời sống con người. Các hệ
thống cơ điện tử đã tham gia vào công nghiệp làm tăng năng suất lao động, giảm
bớt sức lao động của con người .Có thể nói cơ điện tử là ngành mũi nhọn có
những bước tiến vượt bậc về công nghệ cũng như những ứng dụng trong cuộc
sống .
Hiện là sinh viên năm thứ 5 trường đại học kỹ thuật công nghiệp , chúng
em đã có cái nhìn sâu hơn, tổng quát hơn về ngành mình đã lựa chọn đã có thể
thiết kế những hệ thống, sản phẩm cụ thể có ứng dụng thực tế hơn để sau này ra
trường em có thể ứng dụng nhiều vào thực tế .

Với mục đích tìm hiểu và thiết kế một hệ thống cơ điện tử , chúng em đã
lựa chọn đề tài : Thiết kế hệ thống lò nung kim loại
Mặc dù được sự chỉ dẫn tận tình của giảng viên hướng dẫn , chúng em đã
rất cố gắng nhưng khối lượng kiến thúc và thời gian có hạn , sẽ không tránh khỏi
những thiếu sót mong thầy cô thông cảm . Chúng em mong được đón nhận
những ý kiến từ các thầy cô và các bạn để có thể tiếp tục mở rộng hướng nghiên
cứu cho đề tài của mình .

3


Chương I TỔNG QUAN VỀ LÒ ĐIỆN VÀ LÒ ĐIỆN TRỞ
1.1 Tổng quan về lò điện
1.1.1 Định nghĩa
Lò điện là một thiết bị điện biến điện năng thành nhiệt năng dùng trong
các quá trình công nghệ khác nhau như nung hoặc nấu luyện các vật liệu, các
kim loại và các hợp kim khác nhau ...
Lò diện được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật:
+ Sản xuất thép chất lượng cao
+ Sản xuất các hợp kim phe-rò
+ Nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện
+Nung các vật phẩm trước khi cán, rèn dập,kéo sợi
Trong các lĩnh vực cồng nghiệp khác :
+ Trong công nghiệp nhẹ và thực phẩm, lò điện được dùng để sất, mạ vật
phẩm và chuẩn bị thực phẩm.
+ Trong các lĩnh vực khác, lò điện được dùng để sản xuất các vật phẩm
thuỷ tinh, gốm sứ, các loại vật liệu chịu lửa...
Lò điện không những có mặt trong các ngành công nghiệp mà ngày càng
được dùng phổ biến trong đồi sống sinh hoạt hàng ngày cua con người một cách
phong phú và đa dạng : Bếp điện, nồi nấu cơm diện, bình đun nước điện, thiết bị

nung rắn, sấy điện…
1.1.2 Ưu nhược điểm của lò điện
Ưu điểm của lò điện so với các lò sử dụng nhiên liệu:
- Có khá năng tạo được nhiệt độ cao
- Đảm báo tốc độ nung lớn và năng suất cao
- Đảm bảo nung đều và chính xác do dễ điều chỉnh chế độ điện và nhiệt độ
4


- Kín
- Có khả năng cơ khí hoá và tự động hoá quá trình chất dỡ nguyên liệu và
vận chuyên vật phẩm
- Đảm bảo điều khiên lao động hợp vệ sinh, điểu kiện thao tác tốt, thiết bị
gọn nhẹ.
Nhược điểm của lò điện:
- Năng lượng điện đắt
- Yều cầu có trình độ cao khi sử dụng
1.1.3 Các phương pháp biến điện năng thành nhiệt năng
Điện năng được biến đổi thành nhiệt năng theo các phương pháp sau :
- Phương pháp điện trở.
- Phương pháp cảm ứng.
- Phương pháp hồ quang điện.
- Phương pháp điện môi.
- Phương pháp Plasma.
1.1.3.1 Phương pháp điện trở
Phương pháp điện trở dựa trên định luật Joule-Lence: Khi dòng điện
chạy qua dây dẫn có điện trở R thì trên dây dẫn sẽ toả ra mét lượng nhiệt, lượng
nhiệt này được tính theo công thức:
Q = R. I2. T

[J]

Trong đó:
- R : điện trở của dây dẫn.

[Ω]

- I : cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn, [A].
- t : thời gian dòng điện chạy qua dây dẫn, [s].
Nguyên lý làm việc của lò điện trở được trình bày như hình 1.1
5


Hình 1.1 Nguyên lý làm việc lò điện trở

1.1.3.2 Phương pháp hồ quang
Phương pháp hồ quang điện dựa trên nguyên lý phát nhiệt của ngọn lửa hồ
quang điện. Hồ quang điện là một trong những hiện tượng phóng điện qua chất
khí. Bình thường thì khí không dẫn điện, nhưng nếu ion hoá khí và dưới tác
dụng của điện trường thì khí sẽ dẫn điện. Khi hai điện cực tiếp cận nhau thì giữa
chúng sẽ xuất hiện ngọn lửa hồ quang. Người ta dùng nhiệt năng của ngọn lửa
hồ quang để gia nhiệt cho vật nung hoặc nấu chảy.

Hình 1.2 Nguyên lý làm việc lò hồ quang

1-Điện cực.
2- Ngọn lửa hồ quang.
3- Vật gia nhiệt (kim loại).
6

4 -Tường lò.
1.1.3.3 Phương pháp điện môi
Phương pháp điện môi dựa trên nguyên tắc: Nếu đặt các vật liệu rắn,
không dẫn điện vào vùng điện trường có tần số cao thì các nguyên tử, các phân
tử của vật đó sẽ bị phân cực. Sự phân cực này có tần số bằng tần số biến đổi của
điện trường và tần số này thường rất lớn. Đối với sự phân cực có tần số lớn thì
sẽ sinh ra nhiệt ma sát, nhiệt ma sát này toả ra trong toàn bộ thể tích của vật
nung.
Trong lò nung điện môi, vật liệu nung được đặt giữa các phần điện cực.
Các điện cực này có thể tiếp xúc với vật nung hoặc đặt cách xa vật nung một
khoảng nào đó.

Hình 1.3 Nguyên lý làm việc lò điện môi

1.1.3.4 Phương pháp Plasma
Phương pháp Plasma dựa trên nguyên tắc phát nhiệt Plasma: Đó là sự tỏa
nhiệt trong luồng không khí được ion hoá dưới tác dụng của hồ quang điện. Do
khí bị ion hoá và bị nén trong thể tích không lớn nên mật độ nhiệt rất cao và
nhiệt độ đạt được cũng rất lớn (10000 - 20000) OC.

7


Hình 1.4 Nguyên lý làm việc lò plasma
1.1.3.5 Phương pháp cảm ứng
Dựa trên định luật cảm ứng điện từ của faraday: Khi cho dòng điện đi qua
một cuộn cảm thì điện năng được biến thành năng lượng của từ trường biến
thiên. Nếu đặt vào trong từ trường biến thiên đó một khối kim loại thì trong khối
kim loaị sẽ xuất hiện dòng điện cảm ứng (dòng foucault), nhiệt năng do dòng

điện này gây ra sẽ nung nóng khối kim loại.

8


Hình 1.5 Nguyên lý làm việc lò cảm ứng
a). Lò điện cảm ứng có kênh b). Lò điện cảm ứng kiểu nồi

1.1.4 Phân loại lò điện
Theo phương pháp biến đổi điện năng thành nhiệt năng người ta chia lò
điện thành các loại sau:
- Lò điện trở.
- Lò điện cảm ứng.
- Lò điện hồ quang.
- Lò nung điện môi.
- Lò điện Plasma.
Đối với từng loại lò người ta lại phân chia ra cụ thể hơn theo nguyên lý
phát nhiệt hoặc theo cấu trúc lò.
Lò điện trở được phân thành lò điện trở tác dụng trực tiếp và lò điện trở
tác dụng gián tiếp.
Lò điện cảm ứng phân thành lò điện cảm ứng có lõi sắt (lò điện cảm ứng
có kênh) và lò điện cảm ứng không có lõi sắt (lò nồi).

9


1.2 Tổng quan về lò điện trở
1.2.1 Khái niệm chung và phân loại
Lò điện trở là thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng thông qua dây
đốt (dây điện trở). Từ dây đốt, qua bức xạ, đối lưu và truyền dẫn nhiệt, nhiệt

năng được truyền tới vật cần gia nhiệt. Lò điện trở thường được dùng để nung,
nhiệt luyện, nấu chảy kim loại màu và hợp kim màu...
1.2.1.1 Phân loại theo phương pháp toả nhiệt
Lò điện trở tác dụng trực tiếp: lò điện trở tác dụng trực tiếp là lò điện trở
mà vật nung được nung nóng trực tiếp bằng dòng điện chạy qua nó. Đặc điểm
của lò này là tốc độ nung nhanh, cấu trúc lò đơn giản. Đe đảm bảo nung đều thì
vật nung có tiết diện như nhau theo suốt chiều dài của vật.
Lò điện trở tác dụng gián tiếp là lò điện trở mà nhiệt năng toả ra ở dây
điện trở (dây đốt), rồi dây đốt sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối lưu
hoặc dẫn nhiệt.
1.2.1.2 Phân loại theo chế độ làm việc
- Lò nhiệt độ thấp: nhiệt độ làm việc của lò dưới 650°C.
- Lò nhiệt trung bình: nhiệt độ làm việc của lò từ 650°C đến 1200°C
- Lò nhiệt độ cao: nhiệt độ làm việc của lò trên 1200°C.
1.2.1.3 Phân loại theo nơi dùng
- Lò dùng trong công nghiệp
- Lò dùng trong phòng thí nghiệm
- Lò dùng trong gia đình
1.2.1.4 Phân loại theo đặc tỉnh làm việc
- Lò làm việc liên tục
- Lò làm việc gián đoạn
1.2.1.5 Phân loại theo kết cấu lò: có lò buồng, lò giếng, lò chụp, lò bể...
1.2.1.6 Phân loại theo mục đích sử dụng: có lò tôi, lò ram, lò ủ, lò nung ...
10


Ở Việt Nam thường dùng lò kiểu buồng để nhiệt luyện (tôi, ủ , nung, thấm
than); lò kiểu giếng để nung, nhiệt luyện; lò muối để nhiệt luyện dao cắt qua
muối nung...
1.2.2 Các loại lò điện trở thông dụng

Theo chế độ nung, lò điện trở phân thành hai nhóm chính:
Lò nung nóng theo chu kỳ:

Hình 1.6 Các loại lò điện trở;
a) Buồng lò; b) Lò giếng; c) Lò đẩy

Bao gồm:
11


+ Lò buồng (hình 2.1a) thường dùng để nhiệt luyện kim loại (thường hoá, ủ,
thấm than y.y..Lò buồng được chế tạo với cấp cồng suất từ 25kW đến 75kW. Lò
buồng dùng để tồi dụng cụ có nhiệt độ làm việc tới 1350°C, dùng dây điện trở
bằng các thanh nung cacbuarun.
+ Lò giếng (hình 2.1b) thường dùng để tôi kim loại và nhiệt luyện kim loại.
Buồng lò có dạng hình trụ tròn được chôn sâu trong lòng đất có nắp đậy. Lò
giếng được chế tạo với cấp cồng suất từ 30 kw- 75kW.
+ Lò đẩy (hình 2.1c) có buồng kích thước chữ nhật dài. Các chi tiết cần nung
được đặt lên giá và tôi theo từng mẻ. Giá đõ chi tiết được đưa vào buồng lò theo
đường ray bằng một bộ đẩy dùng kích thuỷ lực hoặc kích khí nén.
Lò nung nóng liên tục bao gồm:
+ Lò băng: buồng lò có tiết diện chữ nhật dài, có băng tải chuyển động liên tục
trong buồng lò. Chi tiết cần gia nhiệt được sắp xếp ưên băng tải. Lò buồng
thường dùng để sấy chai, lọ trong cồng nghiệp chế biến thực phẩm.
+ Lò quay thường dùng để nhiệt luyện các chi tiết có kích thước nhỏ (bi, con
lăn, vòng bi), các chi tiết cần gia nhiệt được bỏ trong thùng, trong quá trình nung
nóng, thùng quay liên tục nhờ một hệ thống truyền động điện.

12

Chương II SƠ ĐỒ CẤU TRÚC HỆ THỐNG
2.1.Sơ đồ cấu trúc hệ thống lò nung
Sơ đồ cấu trúc của hệ thống lò nung gồm có các khối cơ bản được trình
bày như sơ đồ khối bên dưới (Hình 2.1)

Hình 2.1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống lò nung

2.2.Chức năng của từng khối
2.2.1. Khối cảm biến nhiệt độ
Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các
đại lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo và
xử lý được.
Đối với các loại cảm biến nhiệt thì có 2 yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến độ
chính xác đó là “Nhiệt độ môi trường cần đo” và “Nhiệt độ cảm nhận của cảm
biến”. Điều đó nghĩa là việc truyền nhiệt từ môi trường vào đầu đo của cảm biến
nhiệt tổn thất càng ít thì cảm biến đo càng chính xác. Điều này phụ thuộc lớn
vào chất liệu cấu tạo nên phần tử cảm biến (cảm biến nhiệt đắt hay rẻ cũng do
nguyên nhân này quyết định). Đồng thời ta cũng rút ra 1 nguyên tắc khi sử dụng
13


cảm biến nhiệt đó là: Phải luôn đảm bảo sự trao đổi nhiệt giữa môi trường cần
đo với phần tử cảm biến.
Xét về cấu tạo chung thì Cảm biến nhiệt có nhiều dạng. Tuy nhiên, loại
cảm biến được ưa chuộng nhất trong các ứng dụng thương mại và công nghiệp
thường được đặt trong khung làm bằng thép không gỉ, được nối với một bộ phận
định vị, có các đầu nối cảm biến với các thiết bị đo lường.
Sau đây ta sẽ tìm hiểu 1 số loại cảm biến nhiệt khá thông dụng trên thị
trường có thể kể đến như:

+ Cặp nhiệt điện.
+ Nhiệt điện trở.
+ Thermistor
+ Bán dẩn
+ Hỏa kế và nhiệt kế bức xạ
+ Ngoài ra còn loại đo nhiệt không tiếp xúc, hồng ngoại, lazer.
2.2.1.1.Cặp nhiệt điện (Can nhiệt)

Hình 2.2 Cặp nhiệt điện

- Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính một đầu.
- Nguyên lý: Nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi ( mV).
14


- Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao.
- Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số. Độ nhạy không cao.
- Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắt nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,
…
- Dải đo: -100 ~ 1800 oC
- Ứng dụng: sản xuất công nghiệp, luyện kim, giáo dục hay gia công vật
liệu…
Trên thị trường hiện nay có nhiều loại Cặp nhiệt điện khác nhau (E, J, K,
R, S, T, B…) đó là vì mỗi loại Cặp nhiệt điện đó được cấu tạo bởi 1 chất liệu
khác nhau, từ đó sức điện động tạo ra cũng khác nhau dẫn đến dải đo cũng khác
nhau. Người sử dụng cần chú ý điều này để có thể lựa chọn loại Cặp nhiệt điện
phù hợp với yêu cầu của mình.
- Loại J:Kết hợp giữa sắt và constantan, trong đó sắt là cực dương còn
constantan là cực âm. Độ nhạy là S=51 µV/°C ở 20°C.
- Loại T:Kết hợp giữa đồng với constantan, đồng là cực dương còn

constantan là cực âm. Độ nhạy là S=40 µV/°C ở 20°C.
- Loại K:Kết hợp giữa chromel và alumel, chromel là cực dương còn
alumel là cực âm. Độ nhạy là S=40 µV/°C ở 20°C.
- Loại E:Kết hợp giữa chromel với constantan, chromel là cực dương còn
constantan là cực âm. Độ nhạy là S=62 µV/°C ở 20°C.
- Loại S,R,B:Dùng hợp kim platium và chodium. Độ nhạy là S=7 µV/°C ở
20°C.
Ta có biểu đồ mối quan hệ giữa nhiệt độ đầu vào và điện áp đầu ra của các
loại cảm biến như hình 2.3.

15


Hình 2.3 Mối quan hệ giữa nhiệt độ và điện áp

Đồng thời khi lắp đặt sử dụng loại Cặp nhiệt điện thì cần chú ý tới những
điểm sau đây:
- Dây nối từ đầu đo đến bộ điều khiển càng ngắn càng tốt (vì tín hiệu
truyền đi dưới dạng điện áp mV nên nếu dây dài sẽ dẫn đến sai số nhiều).
- Thực hiện việc cài đặt giá trị bù nhiệt (Offset) để bù lại tổn thất mất mát
trên đường dây. Giá trị Offset lớn hay nhỏ tùy thuộc vào độ dài, chất liệu
dây và môi trường lắp đặt.
- Không để các đầu dây nối của Cặp nhiệt điện tiếp xúc với môi trường
cần đo.
- Đấu nối đúng chiều âm, dương cho Cặp nhiệt điện.
2.2.1.2. Nhiệt điện trở (Resitance temperature detector –RTD).

Hình 2.4. Nhiệt điện trở (RTD)
16

- Cấu tạo của RTD gồm có dây kim loại làm từ: Đồng, Nikel, Platinum,…
được quấn tùy theo hình dáng của đầu đo.
- Nguyên lí hoạt động: Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa hai đầu dây kim
loại này sẽ thay đổi, và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ tuyến tính trong
một khoảng nhiệt độ nhất định.
- Ưu điểm: độ chính xác cao hơn Cặp nhiệt điện, dễ sử dụng hơn, chiều
dài dây không hạn chế.
- Khuyết điểm: Dải đo bé hơn Cặp nhiệt điện, giá thành cao hơn Cặp nhiệt
điện
- Dải đo: -200~700 oC
- Ứng dụng: Trong các ngành công nghiệp chung, công nghiệp môi trường
hay gia công vật liệu, hóa chất…Hiện nay phổ biến nhất của RTD là loại
cảm biến Pt, được làm từ Platinum. Platinum có điện trở suất cao, chống
oxy hóa, độ nhạy cao, dải nhiệt đo được dài. Thường có các loại: 100, 200,
500, 1000 ohm (khi ở 0 oC). Điện trở càng cao thì độ nhạy nhiệt càng cao.
- RTD thường có loại 2 dây, 3 dây và 4 dây. Loại 4 dây cho kết quả đo
chính xác nhất.
2.2.1.3. Cảm biến nhiệt bán dẫn

Hình 2.5. Cảm biến nhiệt bán dẩn

- Cấu tạo: Làm từ các loại chất bán dẫn.
- Nguyên lý: Sự phân cực của các chất bán dẫn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ.
17


- Ưu điểm: Rẻ tiền, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý
đơn giản.
- Khuyết điểm: Không chịu nhiệt độ cao, kém bền.

- Dải đo: -50 ~ 150 oC
- Ứng dụng: Đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệ các
mạch điện tử.
- Các loại cảm biến nhiệt bán dẫn điển hình: kiểu diod, các kiểu IC LM35,
LM335, LM45.
2.2.1.4. Nhiệt kế bức xạ (Hay hỏa kế)

Hình 2.6. Hỏa kế bức xạ

- Cấu tạo: Làm từ mạch điện tử, quang học.
- Nguyên lý: Đo tính chất bức xạ năng lượng của môi trường mang nhiệt.
- Ưu điểm: Dùng trong môi trường khắc nghiệt, không cần tiếp xúc với
môi trường đo.
- Khuyết điểm: Độ chính xác không cao, đắt tiền.
- Ứng dụng: Làm các thiết bị đo cho lò nung.
- Dải đo: -97 ~ 1800 oC
18


Hỏa kế gồm có các loại: Hỏa kế bức xạ, hỏa kế cường độ sáng, hỏa kế
màu sắc. Chúng hoạt động dựa trên nguyên tắc các vật mang nhiệt sẽ có hiện
tượng bức xạ năng lượng. Và năng lượng bức xạ sẽ có một bước sóng nhất định.
Hỏa kế sẽ thu nhận bước sóng này và phân tích để cho ra nhiệt độ của vật cần
đo.
2.2.1.5 Kết luận
Như trên ta đã thấy thì hiện nay có rất nhiều loại cảm biến đo nhiệt độ
khác nhau, và việc lựa chọn chúng phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: độ chính xác,
khoảng nhiệt, tốc độ phản ứng, môi trường (hóa học, vật lý, hay điện) và giá
thành. Trong đồ án này nhiệt độ mà chúng ta cần đo là nhiệt độ lò nung có môi
trường làm việc khắc nghiệt, độ chính xác không cần cao lắm mà yêu cầu giá

thành rẽ, do vậy trong đồ án này em lựa chọn cảm biến đo nhiệt độ là can nhiệt
(cặp nhiệt điện).
Dựa vào biểu đồ trên hình 2.3 ta thấy mối quan hệ giữa nhiệt độ đầu vào
và điện áp đầu ra là tuyến tính, do vậy ta chọn thiết bị thu nhiệt của lò là can
nhiệt loại K (dải đo 0-1200°C. Dải điện áp 0-55mV).
Ta có công thức tính điện áp đầu ra của cảm biến là:
U=S.(Td-Ta)
Trong đó:
S: Độ nhạy của cảm biến S=40 µV/°C ở nhiệt độ môi trường là
20°C.
Td:Nhiệt độ cần đo.
Ta:Nhiệt độ môi trường.
2.2.2.Bộ khuếch đại
Do tín hiệu điện áp ra của cảm biến không phải ở dạng chuẩn công
nghiệp (0-10V hoặc từ 4-20mA ).
Do tín hiệu điện áp ra của cảm biến khá nhỏ.
Do vậy ta phải đưa tín hiệu ra của cảm biến qua bộ khuếch đại trước khi
đưa vào modul analog của PLC.
19


Cụ thể trong đồ án này ta dùng bộ khuếch đại không đảo đơn giản gồm 2
điện trở R1 và R2.

Hình 2.7.Bộ khuếch đại không đảo

Ta có điện áp đầu ra: Vout=Vin.(1+

R2
R1

)

Trong đó:
V out:Điện áp đầu ra của bộ khuếch đại.
V in:Điện áp đầu ra của cảm biến nhiệt độ.
2.2.3.Modul analog
2.2.3.1.Modul analog là gì?
Module analog là một công cụ để xử lý các tín hiệu tương tự thông qua
việc xử lý các tín hiệu số.
Do tín hiệu đầu ra của cảm biến là tín hiệu tương tự mà tín hiệu đầu vào
của PLC là tín hiệu số do vậy ta cần một modul analog để biến đổi tín hiệu
tương tự sang số.Trong đồ án này ta sử dụng modul mở rộng EM235 của PLC
S7-200 của hãng simens để chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số.
2.2.3.2. Giới thiệu về modul analog EM235
EM 235 là một module tương tự gồm có 4AI và 1AO 12bit (có tích hợp
các bộ chuyển đổi A/D và D/A 12bit ở bên trong).
20


Các thành phần của
module analog EM235.
Bảng 2.1.Các thành phần
của EM235
Thành phần

Mô tả

4 đầu vào tương tự A+ , A- , RA
Các đầu nối của đầu vào A

được kí hiệu bởi các B+ , B- , RB
Các đầu nối của đầu vào B
chữ cái A,B,C,D
C+ , C- , RC
Các đầu nối của đầu vào C
D+ , D- , RD
Các đầu nối của đầu vào D
1 đầu ra tương tự (MO,VO,IO)
Các đầu nối của đầu ra
Hình
2.8.
Modul
analog
EM235
Gain
Chỉnh
hệ số khuếch đại
Offset
Chỉnh trôi điểm không
Switch cấu hình
Cho phép chọn dải đầu vào và độ phân
giải

a.Định dạng dử liệu của EM235:
Định dạng dữ liệu đầu vào:
- Kí hiệu vùng nhớ : AIWxx (Ví dụ AIW0, AIW2…)
- Định dạng:
+ Đối với dải tín hiệu đo không đối xứng (ví dụ 0-10V,0-20mA):
MSB
15 14

0
Dữ liệu 12 bit

3

2
0

LSB
1
0
0
0

Modul Analog Input của S7-200 chuyển dải tín hiệu đo đầu vào (áp, dòng)
thành giá trị số từ 0-32000.
±
±
+ Đối với dải tín hiệu đo đối xứng (Ví dụ 10V, 10mA,):
MSB
LSB
15
4 3
2
1
0
Dữ liệu 12 bit
0
0
0

0
Modul Analog Input của S7-200 chuyển dải tín hiệu đo đầu vào áp, dòng) thành
÷
giá trị số từ -32000 32000.
21


Định dạng dữ liệu đầu ra:

- Kí hiệu vung nhớ AQWxx (Ví dụ AQW0, AQW2…)
- Định dạng dữ liệu:
+ Đối với dải tín hiệu đo không đối xứng (ví dụ 0-10V,4-20mA):
MSB
LSB
15
14
4 3
2
1
0
0
Dữ liệu 11 bit
0
0
0
0
÷

Modul Analog output của S7-200 chuyển đổi con số 0 32000 thành tín hiệu
÷

điện áp đầu ra 0 10V.
±

+ Đối với dải tín hiệu đo đối xứng (Ví dụ 10V,
module Analog output của S7-200 không hỗ trợ.
MSB
15
Dữ liệu 12 bit

4

3
0

2
0

±

10mA): Kiểu này các

LSB
1
0
0
0

b.Cài đặt dải tín hiệu vào
Module EM 235 cho phép cài đặt dải tín hiệu và độ phân giải của đầu vào

bằng switch:
Sau đây là bảng cấu hình switch:
Bảng 2.2 Cấu hình switch của EM235

Dải không đối xứng
SW1 SW SW
2
3
ON
OFF OFF
OFF ON OFF
ON
OFF OFF
OFF ON OFF
ON
OFF OFF
ON
OFF OFF
OFF ON OFF
Dải đối xứng
SW1 SW SW
2
3
ON
OFF OFF

SW4 SW
5
ON OFF
ON OFF

OFF ON
OFF ON
OFF OFF
OFF OFF
OFF OFF

Dải đầu vào

Độ phân giải

0 – 50 mV
0 – 100 mV
0 – 500 mV
0–1V
0–5V
0 – 20 mA
0 – 10 V
Dải đầu vào

12.5 µV
25 µV
125 µV
250 µV
1.25 mV
5 µA
2.5 mV
Độ phân giải

± 25 mV

12.5 µV

SW6
ON
ON
ON
ON
ON
ON
ON

SW4 SW SW6
5
ON OFF OFF

22


OFF
OFF
ON
OFF
OFF
ON
OFF
OFF

ON
OFF
OFF

ON
OFF
OFF
ON
OFF

OFF
ON
OFF
OFF
ON
OFF
OFF
ON

ON
ON
OFF
OFF
OFF
OFF
OFF
OFF

OFF
OFF
ON
ON
ON
OFF

OFF
OFF

OFF
OFF
OFF
OFF
OFF
OFF
OFF
OFF

± 50 mV
± 100 mV
± 250 mV
± 500 mV
± 1V
± 2.5 V
±5V
± 10 V

25 µV
50 µV
125 µV
250 µV
500 µV
1.25 mV
2.5 mV
5 mV

Ta chon dải đầu vào EM235 là 0-10v. Ta cài đặt cấu hình switch như sau:
OFF

ON

OFF

OFF

OFF

ON

2.2.4.Bộ điều khiển PLC
Hiện nay trên thị trường có rất nhiều bộ điều khiển khác nhau như
:Siemens, Allen-Bradley, Mitsubishi Electric, General Electric, Omron,
Honeywell...
Trong đồ án này ta lựa chon bộ điều khiển PLC S7-200 của hãng Siemens.
2.2.4.1.Giới thiệu phần cứng PLC S7-200
PLC S7-200 là một loại PLC cỡ nhỏ của công ty Siemens. Cấu trúc S7200 gồm 1 CPU và các module mở rộng cho nhiều ứng dụng khác nhau.S7-200
gồm nhiều loại: CPU 221, 222, 224, 226….có nhiều nhất 7 module mở rộng khi
có nhu cầu: tổng số ngõ vào/ra, ngõ vào/ra Analog, kết nối mạng ( AS-I,
Profibus ).

23


Hình 2.9. PLC S7-200

S7 200 có các đặc trưng về thông số kĩ thuật như sau:

Có 3 loại đèn báo hoạt động:
- RUN: đèn xanh báo hiệu PLC đang hoạt động
- STOP :đèn vàng –báo hiệu PLC
- SF (system Failure):đèn đỏ báo hiệu PLC bị sự cố.
- Có 2 loại đèn chỉ thị :
+ Ix.x: chỉ trạng thái logic ngõ vào.
+ Qx.x: chỉ trạng thái logic ngõ ra
Đặc điểm ngỏ vào:
- Mức logic 1 : 24VDC/7mA
- Mức logic 0 : đến 5VDC/1MA
- Đáp ứng thời gian : 0.2ms
- Cách ly quang : 500ACV
- Địa chỉ ngõ vào : Ix.x
Đặc điểm ngõ ra:
- Điện áp tác động: 24 -28VDC/2A - Ngõ ra Relay hoặc transitor Sourcing
Chịu quá dòng đến 7.
- Điện trở cách ly nhỏ nhất 100 m Ω
- Điện trở công tắc 200 Ω
- Điện trở công tắc: 200 m Ω
- Thời gian chuyển mạch tối đa 10 ms
24


- Không có chế độ bảo vệ ngắn mạch
- Địa chỉ ngõ ra: Qx.x
- Nguồn cung cấp
- Điện áp nguồn 20-24 VDC
- Dòng tối đa 900 mA
- Thời gian duy trì khi mất nguồn 10 ms
- Cầu chì bên trong 2A/250V - Công tắc chọn mode

-Không có cách ly nguồn điện .
Mode công tắc chọn:
Có 3 vị trí lựa chọn công tắc
- RUN: cho phép PLC thực hiện chương trình
- PLC sẽ dừng chương trình khi có sự cố
- TERM :cho phép máy lập trình quyết định chế độ hoạt động PLC
Cổng truyền thông:
- Sử dụng cổng RS485 để ghép nối với máy tính hoặc thiết bị khác.
- Tốc độ truyền là 9600 bauds.
- Cấu trúc cổng truyền thông được mô phỏng như sau :
- Ghép nối PLC và máy tính
- Sử dụng cáp PC/PPI chuyển đổi giữa RS232 và RS485
2.2.4.2.Cấu trúc bộ nhớ S7-200
Bộ điều khiển lập trình S7-200 được chia thành 4 vùng nhớ. Với 1 tụ có
nhiệm vụ duy trì dữ liệu trong thời gian nhất định khi mất nguồn bộ nhớ S7-200
có tính năng động cao, đọc và ghi trong phạm vi toàn vùng loại trừ các bít nhớ
đặc biệt SM ( Special Memory) chỉ có thể truy nhập để đọc.
25