Đồ án tốt nghiệp Điều khiển ổn định liên tục áp suất thủy tĩnh

MỤC LỤC
MỤC LỤC ................................................................................................................... i
MỤC LỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................ iv
MỤC LỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................... vi
LỜI NÓI ĐẦU ......................................................................................................... vii
KHÁI QUÁT CHUNG ........................................................................................... viii
1. Lý do chọn đề tài: ................................................................................................ viii
2.Phương pháp nghiên cứu...................................................................................... viii
3.Đối tượng nghiên cứu........................................................................................... viii
4.Mục tiêu................................................................................................................ viii
5.Mục đích nghiên cứu. ........................................................................................... viii
6.Phạm vi nghiên cứu. ............................................................................................. viii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ................................................................10
1.1.Áp suất ................................................................................................................10
1.1.1.Định nghĩa áp suất. ...........................................................................................10
1.1.2.Phương pháp đo áp suất. .................................................................................11
1.1.3.Thiết bị đo áp suất. ...........................................................................................12
1.2.Biến tần MM 440. ...............................................................................................14
1.2.1.Nguyên tắc hoạt động.......................................................................................14
1.2.2.Các tính chất. ....................................................................................................15
1.2.3. Các thông số kỹ thuật của biến tần MM440. ..................................................16
1.2.4.Một số ứng dụng của biến tần MM 440. ..........................................................17
1.3.Động cơ không đồng bộ ba pha. .........................................................................17
1.3.1.Cấu tạo động cơ không đồng bộ ba pha ...........................................................17
1.3.2.Nguyên lý làm việc ..........................................................................................19
1.4.Bơm thủy lực .......................................................................................................20
1.4.1. Bơm bánh răng ................................................................................................20
1.4.2.Bơm piston .......................................................................................................21
1.4.3.Bơm cánh gạt ...................................................................................................22
1.5.Van thủy lực ........................................................................................................22
1.5.1.Van điều khiển bằng tay. ..................................................................................22

1.5.2.Van an toàn. .....................................................................................................22
1.6.Một số thiết bị linh kiện sử dụng để thiết kế bộ điều khiển ................................23
1.6.1. IC Lm 324 .......................................................................................................23
i


1.6.2.PLC S7 – 300. ..................................................................................................24
1.6.3.Vi điều khiển AVR...........................................................................................30
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ TÍNH TOÁN BỘ ĐIỀU KHIỂN ...........................................33
2.1.Bộ điều khiển ......................................................................................................33
2.1.1. Điều khiển vòng hở .........................................................................................33
2.1.2. Điều khiển vòng kín ........................................................................................33
2.1.3.Ưu điểm của điều khiển vòng kín so với điều khiển vòng hở .........................35
2.2.Xác định tham số bộ điều khiển PID ..................................................................35
2.2.1.Phương pháp Ziegler – Nichols. ......................................................................36
2.2.2.Phương pháp Chien – Hrones –Reswick. ........................................................37
2.3.Kết quả đo thực nghiệm trên mô hình. ................................................................38
2.3.1.Đối với hệ hở. ...................................................................................................38
2.3.2.Đối với hệ thống kín.........................................................................................39
CHƯƠNG 3:TÍNH TOÁN,THIẾT KẾ MẠCH ........................................................41
3.1.Mạch PID tương tự..............................................................................................41
3.1.1.Sơ đồ nguyên lý mạch ......................................................................................41
3.1.2.Mạch nguồn ......................................................................................................42
3.1.3.Khối công tắc chuyển mạch .............................................................................43
3.1.4.Mạch tạo setpoint. ............................................................................................43
3.1.5.Mạch phản hồi ..................................................................................................44
3.1.6.Mạch so sánh ....................................................................................................44
3.1.7.Mạch tỉ lệ P ......................................................................................................45
3.1.8.Mạch tích phân I...............................................................................................46
3.1.9.Mạch vi phân D ................................................................................................46

3.1.10.Mạch cộng tổng ..............................................................................................47
3.2.Mạch PID số ........................................................................................................48
3.2.1.Sơ đồ nguyên lý................................................................................................48
3.2.2.Mạch nguồn. .....................................................................................................49
3.2.3.Mạch tạo điện áp set point. ..............................................................................49
3.2.4.Mạch phản hồi. .................................................................................................49
3.2.5.Mạch vi điều khiển ...........................................................................................50
3.2.6.Mạch hiển thị LCD...........................................................................................51
3.2.7.Mạch chuyển đổi và khuếch đại .......................................................................51
3.2.8.Lưu đồ thuật toán .............................................................................................52
ii


3.3. PID trong PLC....................................................................................................54
3.3.1.Khai báo phần cứng..........................................................................................54
3.3.2.Sơ đồ kết nối phần cứng. ..................................................................................56
3.3.3.Lập bảng Symbol. ............................................................................................56
3.3.4.Thuật toán điều khiển PID. ..............................................................................57
3.4.Hình ảnh về sản phẩm .........................................................................................58
3.5.Tính toán lựa chọn thiết bị. .................................................................................59
3.5.1.Lựa chọn và cài đặt biến tần ............................................................................59
3.5.2.Lựa chọn bơm thủy lực ....................................................................................62
3.5.3. Lựa chọn động cơ ba pha ................................................................................62
3.5.4.Lựa chọn cảm biến áp suất ...............................................................................62
3.5.5. Lựa chọn van. ..................................................................................................64
3.5.6.Lựa chọn thùng dầu ..........................................................................................65
CHƯƠNG 4:KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................66
4.1.Những khó khăn khi thực hiện đề tài ..................................................................66
4.2.Cách khắc phục ...................................................................................................66
4.3.Kết quả đạt được và hạn chế ...............................................................................66

4.3.1.Kết quả đạt được ..............................................................................................66
4.3.2.Những hạn chế .................................................................................................66
4.4.Kết luận và kiến nghị. .........................................................................................66
4.5.Hướng phát triển của đề tài .................................................................................67
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................68
PHỤ LỤC ..................................................................................................................69
Phụ lục 1: Chương trình vi điều khiển mạch PID số. ...............................................69
Phụ lục 2: Chương trình PID trong PLC. ..................................................................78

iii


MỤC LỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1.Mô hình tổng quát của hệ thống .................................................................10
Hình 1.2.Sơ đồ khối cảm biến áp suất ......................................................................12
Hình 1.3.Đồng hồ đo áp suất .....................................................................................13
Hình 1.4.Biến tần MM 440. ......................................................................................14
Hình 1.5: Cấu tạo động cơ không đồng bộ ba pha ....................................................18
Hình 1.6: Rôto kiểu dây quấn (a) và sơ đồ mạch điện tương ứng ............................19
Hình 1.7: Rôto kiểu lồng sóc.....................................................................................19
Hình 1.8.Bơm bánh răng ...........................................................................................21
Hình 1.9.Bơm Piston .................................................................................................21
Hình 1.10. Bơm cánh gạt ..........................................................................................22
Hình 1.11.Van điều chỉnh bằng tay. ..........................................................................22
Hình 1.12.Van an toàn. .............................................................................................23
Hình 1.13.Hình ảnh và sơ đồ chân LM 324 ..............................................................23
Hình 1.14.Cấu trúc một thanh Rack của PLC S7-300 ..............................................24
Hình 1.15. Hình ảnh module CPU 312C ..................................................................25
Hình 1.16.Hình ảnh thực tế các module mở rộng của PLC S7-300..........................25
Hình 1.17.Vòng quét chương trình ...........................................................................27

Hình 1.18.Quá trình chuyển đổi ADC (analog to digital conveter) ..........................29
Hình 1.19.Modul Analog của CPU 313C .................................................................29
Hình 1.20.Sơ đồ khối của Module vào ra số của CPU 313C ....................................30
Hình 1.21.Sơ đồ chân của Atmega 16.......................................................................31
Hình 2.1.Sơ đồ khối bộ điều khiển PID ....................................................................34
Hình 2.2.Đặc tính yêu cầu sau điều chỉnh của bộ PID..............................................35
Hình 2.3.Các dạng đặc đặc tính của y(t) theo phương pháp Ziegler-Nichols 1........36
Hình 2.4.Các dạng đặc tính của H(t) theo phương pháp Ziegler- Nichols 2 ............36
Hình 2.5.Khảo sát với hệ thống hở ...........................................................................38
Hình 2.6.Khảo sát đối với hệ thống kín. ...................................................................39
Hình 3.1.Sơ đồ nguyên lý tổng thể mạch PID tương tự. ...........................................41
Hình 3.2.Sơ đồ mạch board. ......................................................................................42
Hình 3.3.Mạch nguồn ................................................................................................42
Hình 3.4.Công tắc chuyển mạch ...............................................................................43
Hình 3.5.Mạch tạo Setpoint ......................................................................................43
Hình 3.6.Mạch phản hồi ............................................................................................44
Hình 3.7.Mạch so sánh ..............................................................................................44
iv


Hình 3.8.Mạch tỷ lệ P ...............................................................................................45
Hình 3.9.Mạch tích phân I.........................................................................................46
Hình 3.10.Mạch vi phân D. .......................................................................................46
Hình 3.11.Mạch cộng tổng ........................................................................................47
Hình 3.12.Sơ đồ nguyên lý mạch PID số .................................................................48
Hình 3.13.Mạch nguồn PID số ..................................................................................49
Hình 3.14.Mạch tạo setpoint mạch PID số. ..............................................................49
Hình 3.15.Mạch phản hồi(FB) mạch PID số. ...........................................................49
Hình 3.16. Mạch vi điều khiển ..................................................................................50
Hình 3.17.Mạch hiển thị............................................................................................51

Hình 3.18.Mạch chuyển đổi và khuếch đại ...............................................................51
Hình 3.19.Lưu đồ thuật toán chương trình chính ......................................................52
Hình 3.20. Lưu đồ thuật toán nhập thông số PID. ....................................................53
Hình 3.21.Khai báo phần cứng .................................................................................54
Hình 3.22.Khai báo thời gian ngắt trong OB 35. ......................................................54
Hình 3.23.Khai báo dạng tín hiệu đưa vào Analog ...................................................55
Hình 3.24. Khai báo dạng tín hiệu đưa ra từ modul Analog .....................................55
Hình 3.25.Sơ đồ kết nối phần cứng ...........................................................................56
Hình 3.26.Bảng Symbol ............................................................................................56
Hình 3.27.Lưu đồ thuật toán bộ PID trong PLC .......................................................57
Hình 3.28.Hình ảnh mô hình .....................................................................................58
Hình 3.29.Mặt bảng điều khiển .................................................................................59
Hình 3.30.Bơm bánh răng ăn khớp ngoài .................................................................62
Hình 3.31.Cảm biến áp suất Sensys M5156 - 10286X - 10BG ...............................63
Hình 3.32.Đồ thị thể hiện đường đặc tính dòng điện phụ thuộc vào áp suất. ..........64
Hình 3.33.Van điều chỉnh bằng tay. ..........................................................................64
Hình 3.34.Van an toàn. .............................................................................................65

v


MỤC LỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Một số đơn vị đo áp suất ...........................................................................11
Bảng 1.2. Các thông số kỹ thuật của biến tần MM 440. ...........................................16
Bảng 2.1.Yêu cầu chất lượng cho các tham số điều khiển theo phương pháp ZieglerNichols 1 ...................................................................................................................36
Bảng 2.2.Bảng yêu cầu chất lượng cho các tham số điều khiển theo phương pháp
Ziegler - Nichols 2 ....................................................................................................37
Bảng 2.3.Lựa chọn bộ điều khiển theo phương pháp Chien - Hrones - Reswick .....37
Bảng 2.4.Yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín không có độ quá điều chỉnh. ............38
Bảng 2.5.Yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín có độ quá điều chỉnh không quá 20%.

...................................................................................................................................38
Bảng 2.6.Kết quả đo thực nghiệm với hệ thống hở khi đóng van. ...........................39
Bảng 2.7.Kết quả đo thực nghiệm với hệ thống hở khi mở van(≈10%). ..................39
Bảng 2.8.Kết quả đo thực nghiệm với hệ thống kín. ................................................40
Bảng 3.1. Bảng thông số cài đặt biến tần MM 440. ..................................................59
Bảng 3.2. Thông số kỹ thuật của cảm biến Sensys M5156 – 10286X – 10BG .......63

vi


LỜI NÓI ĐẦU
Trong sự nghiệp giáo dục của nước ta hiện nay mục tiêu là giáo dục và đào tạo
ra những con người có đủ đức đủ tài,có văn hóa, có kỹ năng kỹ xảo nghề nghiệp và
có thái độ ứng xử tốt phục vụ tốt cho sự nghiệp công nghiệp hóa hiện đại hóa - xây
dựng nước nhà. Để đạt được mục đích đó thì thế hệ trẻ đặc biệt là sinh viên phải
luôn chủ động tìm hiếu nghiên cứu và ứng dụng những thành tựu khoa học mới,
cùng những nhu cầu ứng dụng thực tế cấp thiết của nền công nghiệp nước nhà.
Là những sinh viên năm cuối được làm đồ án tốt nghiệp là cơ hội cho chúng
em tìm hiếu thêm về kiến thức thực tế củng cố những kiến thức đã học,từ những
yêu cầu của thực tế nhóm chúng em đã được nghiên cứu về đề tài:
“Điều khiển ổn định liên tục áp suất thủy tĩnh”.
Đề tài đề cập đến một lĩnh vực đang ứng dụng rất phổ biến trong công nghiệp
nhưng lại là kiến thức mới đối với sinh viên. Đề tài chúng em được chia ra thành 4
chương :
Chương 1: Tổng quan về đề tài
Chương 2: Cơ sở tính toán và thực nghiệm hệ thống
Chương 3: Tính toán thiết kế mạch.
Chương 4: Kết luận
Phụ lục.
Nhờ có sự hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Phúc Đáo và các thầy cô

trong khoa đã tạo điều kiện giúp đỡ để nhóm em hoàn thành được đề tài này. Tuy
nhiên, do kiến thức còn hạn chế, kinh nghiệm còn thiếu nên không tránh khỏi
-

những sai sót, rất mong sự chỉ bảo và góp ý của thầy cô và các bạn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Hưng Yên, tháng 06 năm 2014.

vii


KHÁI QUÁT CHUNG
1. Lý do chọn đề tài:
Hiện nay trong thực tế các hệ thống điều khiển áp suất được áp dụng rất rộng
rãi như các hệ thống điều khiển áp suất trong cung cấp nước sạch,duy trì áp suất
trong lò hơi, trong bảo quản, chế biến thực phẩm,trong khai thác dầu, trong nhà máy
bia, trong y tế…
Chính vì vậy chúng em đã lựa chọn đề tài: “Điều khiển ổn định liên tục áp
suất thủy tĩnh” là đề tài nghiên cứu tốt nghiệp.
2.Phương pháp nghiên cứu.
- Nghiên cứu tài liệu, tìm hiểu trên internet
- Nghiên cứu bằng thực nghiệm
3.Đối tượng nghiên cứu.
- Nghiên cứu tìm hiểu tổng quan các hệ thống điều khiển áp suất trong thực tế.
- Tìm hiểu và nghiên cứu các phương pháp điều khiển, ứng dụng các bộ điều khiển
PID.
- Tìm hiểu, nghiên cứu về biến tần siemen MM 440.
- Tìm hiểu về lập trình PID trong PLC, lập trình vi điều khiển.
4.Mục tiêu.
Đề tài của chúng em nghiên cứu cần đạt được một số mục tiêu sau:

- Thiết kế chế tạo mô hình đo và ổn định áp suất.
- Xây dựng được thuật toán để điều khiển áp suất theo lượng đặt mong muốn.
- Áp dụng bộ điều khiển PID để điều khiển hệ thống, sử dụng lần lượt các bộ điều
khiển PID số, PID tương tự và bộ thông số PID trong modul Analog của PLC để
điều khiển hệ thống.
- So sánh các bộ điều khiển trên về đặc điểm kỹ thuật, kinh tế và độ tin cậy.
5.Mục đích nghiên cứu.
Thực hiện đề tài: “Điều khiển ổn định liên tục áp suất thủy tĩnh” giúp cho
chúng em áp dụng được những kiến thức đã học và khả năng thực tế vào việc tính
toán lựa chọn thiết bị, linh kiện cho phù hợp, ngoài ra còn giúp cho chúng em tiếp
cận được những tri thức mới, những tri thức đó chính là hành trang cho chúng em
sau khi ra trường.
6.Phạm vi nghiên cứu.
Với giới hạn của đề tài, chúng em đi sâu vào nghiên cứu những vấn đề chính sau
đây:
viii


- Tìm hiểu về đối tượng điều khiển
- Tìm hiểu về các bộ điều khiển PID số, PID tương tự, PID trong PLC.
- Tìm hiểu về biến tần MM 440.
- Tìm hiểu về PLC S7 300, modul Analog trong PLC.
- Tìm hiểu về AVR.

ix


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Từ yêu cầu của đề tài là: Xây dựng thuật toán điều khiển PID cho hệ thống
điều khiển và ổn định áp suất. Qua việc nghiên cứu, tìm hiểu các hệ thống thủy lực

trong thực tế chúng em xây dựng sơ đồ tổng quát của hệ thống như hình 1.1.

BỘ ĐIỀU
KHIỂN

Van xả bằng tay

Tín hiệu phản
hồi từ cảm biến
P
Đồng hồ cơ

BIẾN TẦN

ĐỘNG CƠ
BA PHA

BƠM
THỦY LỰC
Van an toàn

THÙNG
CHỨA DẦU

Hình 1.1.Mô hình tổng quát của hệ thống
Trong mô hình trên gồm có:
- Bộ điều khiển
Biến tần
Động cơ không đồng bộ ba pha
Bơm thủy lực

Cảm biến áp suất
Van thủy lực.
Để hiểu rõ hơn về mô hình chúng ta sẽ đi tìm hiểu các thành phần chính có
trong mô hình như bộ điều khiển, biến tần, động cơ, bơm…nhưng trước tiên chúng
ta cần hiểu rõ hơn về đối tượng chúng ta cần điều khiển, ổn định đó là áp suất.
-

1.1.Áp suất
1.1.1.Định nghĩa áp suất.
Áp suất là đại lượng có giá trị bằng tỉ số giữa lực tác dụng vuông góc lên một
mặt với diện tích của nó.

10


P

dF
dS

Thương số này không phụ thuộc vào định hướng của bề mặt dS mà chỉ phụ
thuộc vào vị trí của nó trong chất lưu.
Đối với các chất lỏng, khí hoặc hơi (gọi chung là chất lưu), áp suất là một
thông số quan trọng xác định trạng thái nhiệt động học của chúng. Trong công
nghiệp, việc đo áp suất chất lưu có ý nghĩa rất lớn trong việc đảm bảo an toàn cho
thiết bị cũng như giúp cho việc kiểm tra và điều khiển hoạt động của máy móc thiết
bị có sử dụng chất lưu.
 Đơn vị đo áp suất.
Đơn vị chuần Pascal(Pa), ngoài ra còn có nhiều đơn vị đo áp suất khác bar,
kg/cm2, atmosphe, cm cột nước, mmHg, mbar.

l(Pa) = Newton/m2
Thường việc phân chia thang đo của máy đo áp suất được dùng với bội của đơn vị
Pascal.
- 1 mbar = 102 Pa.
- 1 bar = 105 Pa.
Bảng 1.1. Một số đơn vị đo áp suất

1 Pa

Pa

bar

1

10−5

1 bar 100000
1 at

1

98 066,5 0.980665

at

atm

Torr

psi

1.0197×10−5 9.8692×10−6 7.5006×10−3 145.04×10−6
1.0197

0.98692

750.06

14.504

1

0,96784

735.56

14.223

760

14.696

1 atm 101.325

1.01325

1.0332

1

1 torr 133.322

1.3332×10−3 1.3595×10−3 1.3158×10−3

1

1 psi 6 894.76 68.948×10−3 70.307×10−3 68.046×10−3 51.715
1.1.2.Phương pháp đo áp suất.
Phương pháp đo áp suất phụ thuộc vào dạng áp suất.
 Đo áp suất tĩnh.
- Đo trực tiếp chất lưu thông qua một điểm trên thành bình.
11

19.337×10−3
1


- Đo gián tiếp thông qua biến dạng của thành bình do tác động của áp suất gây lên.
Trong cách đo thứ nhất, phải sử dụng một cảm biến đặt sát thành bình. Trong
trường hợp này, áp suất cần đo được cân bằng với áp suất thuỷ tĩnh do cột chất lỏng
mẫu tạo nên hoặc tác động lên một vật trung gian có phần tử nhạy cảm với lực do
áp suất gây ra. Khi sử dụng vật trung gian để đo áp suất, cảm biến thường trang bị
thêm bộ phận chuyển đổi điện. Để sai số đo nhỏ, thể tích chết của kênh dẫn và cảm
biến phải không đáng kể so với thể tích tổng cộng của chất lưu cần đo áp suất.
Trong cách đo thứ hai, người ta gắn lên thành bình các cảm biến đo ứng suất
để đo biến dạng của thành bình, biến dạng này là hàm của áp suất.
 Đo áp suất động.
- Dựa theo nguyên tắc chung là đo hiệu suất tổng và áp suất tĩnh .
- Có thể đo bằng cách đặt áp suất tổng lên màng trước, đặt áp suất tĩnh lên màng

sau của màng đo, tín hiệu đưa ra là độ chênh lệch giữa áp suất tổng và áp suất
tĩnh.
1.1.3.Thiết bị đo áp suất.
 Cảm biến áp suất.

Cảm biến áp suất là thiết bị điện tử chuyển đổi tín hiệu áp suất sang tín hiệu
điện, thường được dùng để đo áp suất hoặc dùng trong các ứng dụng có liên quan
đến áp suất. Nguyên lý hoạt động cảm biến áp suất cũng gần giống như các loại
cảm biến khác là cần nguồn tác động (nguồn áp suất, nguồn nhiệt,… nguồn cần đo
của cảm biến loại đó) tác động lên cảm biến, cảm biến đưa giá trị về xử lý rồi đưa
tín hiệu ra.
Áp suất

Cảm biến

Xử lý

Ngõ ra

Hình 1.2.Sơ đồ khối cảm biến áp suất
Trong đó:
- Áp suất: Nguồn áp suất cần kiểm tra có thể là áp suất khí, hơi, chất lỏng …
- Cảm biến: Là bộ phận nhận tín hiệu từ áp suất và truyền tín hiệu về khối xử lý.
Tùy thuộc vào loại cảm biến mà nó chuyển từ tín hiệu cơ của áp suất sang dạng tín
hiệu điện trở, điện dung, điện cảm, dòng điện … về khối xử lý.
- Khối xử lý: Có chức năng nhận các tính hiệu từ khối cảm biến thực hiện các xử
lý để chuyển đổi các tín hiệu đó sang dạng tín hiệu tiêu chuẩn trong đo áp suất như
tín hiệu ngõ ra dòng điện 4 ~ 20 mA, điện áp 0~5 VDC, 0~10 VDC,1 ~ 5 VDC …

12

- Ngõ ra: Có thể là dòng điện(4 ~ 20 mA) hoặc điện áp(0 ~ 5 VDC, 0 ~ 10 VDC,
1 ~ 5 VDC).
 Đồng hồ đo áp suất(áp kế).
Nhiều hệ thống thủy lực và đường ống hoạt động ở một áp suất thiết lập nào
đó để hiệu suất làm việc là tối ưu nhất. Áp kế thủy lực sử dụng để đo áp suất trong
hệ thống chất lỏng, để đảm bảo rằng hệ thống này không rò rỉ hoặc thay đổi áp suất,
những dấu hiệu đó có thể làm ảnh hưởng đến hệ thống. Đồng hồ đo áp suất thủy
lực dùng đo trong các hệ thống dầu, nhiên liệu, máy bơm,máy nén nước, phanh xe ô
tô hoạt động ở áp suất cao.
Một dạng phổ biến của áp kế thủy lực là áp kế dạng ống Bourdon. Dạng này thường
được lắp đặt khá nhiều ở các hệ thống thủy lực của các thiết bị xe, hay cơ cấu cánh
tay trong nhà máy.
Áp kế có nhiều loại với các dải đo khác nhau. Tùy thuộc vào mục đích đo và áp suất
max của hệ thống mà ta lựa chọn loại áp kế cho phù hợp.

Hình 1.3.Đồng hồ đo áp suất
- Nguyên lý hoạt động:
Nguyên lý hoạt động của đồng hồ đo áp suất dạng này cực kỳ đơn giản:
+ Khi có lưu chất chảy qua (nước, dầu, khí nén…). Lưu chất len vào ống Bourdon
làm ống này giãn ra.
+ Thông qua cơ cấu truyền động làm xoay trục kim đồng hồ giúp hiển thị giá trị áp
suất.
+ Áp lực càng lớn dẫn đến ống bourdon càng giãn ra, kim đồng hồ xoay càng nhiều.
13


1.2.Biến tần MM 440.
Trong công nghiệp có nhiều loại biến tần khác nhau của các hãng Siemen,

Danfoss, LS, Delta…trong đề tài chúng em lựa chọn biến tần MicroMaster 440
(MM440) của hãng Siemen.Vì đây là loại biến tần thông dụng, phổ biến trên thị
trường Việt Nam với mức giá phù hợp và đáp ứng được yêu cầu công nghệ của đề
tài.
MM440 chính là họ biến tần mạnh mẽ nhất trong dòng các biến tần tiêu
chuẩn..MM40 là bộ biến đổi tần số dùng điều khiển tốc độ động cơ 3 pha xoay
chiều. Có nhiều loại khác nhau từ 120W nguồn vào 1 pha đến 200kW nguồn vào 3
pha.
Biến tần MM440 với các thông số đặt mặc định của nhà sản xuất, có thể phù
hợp với một số ứng dụng điều khiển động cơ đơn giản. Biến tần MM440 cũng được
dùng cho nhiều các ứng dụng điều khiển động cơ cấp cao nhờ danh sách các thông
số hỗn hợp của nó.

Hình 1.4.Biến tần MM 440.
1.2.1.Nguyên tắc hoạt động
MM440 thay đổi điện áp hay tốc độ cho động cơ xoay chiều bằng cách
chuyển đổi dòng điện xoay chiều cung cấp thành dòng điện một chiều trung gian sử
dụng cầu chỉnh lưu. Sau đó điện áp một chiều lại được nghịch lưu thành điện áp
xoay chiều cung cấp cho động cơ với giá trị tần số thay đổi. Nguồn cung cấp cho
biến tần có thể sử dụng nguồn xoay chiều một pha (cho công suất thấp), hay sử
dụng nguồn xoay chiều ba pha. Phần điện áp một chiều trung gian chính là điện áp
trên các tụ điện, các tụ điện đóng vai trò san phẳng điện áp một chiều sau chỉnh lưu
và cung cấp cho phần nghịch lưu. Điện áp trên tụ không điều khiển được và phụ
thuộc vào điện áp đỉnh của nguồn xoay chiều cung cấp.
Điện áp một chiều được chuyển thành điện áp xoay chiều sử dụng phương
pháp điều chế độ rộng xung(PWM). Dạng sóng mong muốn được tạo lên bởi sự
đóng cắt ở đầu ra của các transistors. MM440 sử dụng các IGBTs (Insulated Gate
14

Bipolar Transistor) ở mạch nghịch lưu, điện áp xoay chiều mong muốn đựơc tạo ra
bằng cách thay đổi tần số đóng cắt của các IGBTs. Điện áp xoay chiều ở đầu ra là
sự tổng hợp của hàng loạt các xung vuông với các giá trị khác nhau ở đầu ra của các
IGBTs.
1.2.2.Các tính chất.
 Các đặc điểm chính.
- Dễ dàng lắp đặt, đặt thông số và vận hành.
- Thời gian tác động lặp đến các tín hiệu điều khiển nhanh.
- Các thông số hỗn hợp cho phép thực hiện được nhiều ứng dụng.
- Đấu nối cáp đơn giản.
- Có các đầu ra rơ le.
- Có các đầu ra tương tự (0 _ 20mA)
- 6 cổng vào số cách ly NPN/PNP
- 2 cổng vào tương tự
- AIN1: 0-10V, 0-20mA và (-10V) – (+10V)
- AIN2: 0-10V, 0-20 mA.
- 2 đầu vào tương tự có thể dùng như cổng vào số 7 và 8.
- Thiết kế các module với cấu hình cực kỳ linh hoạt.
- Tần số chuyển mạch cao làm giảm độ ồn của động cơ khi làm việc. Những

chọn lựa ngoài cho truyền thông với PC, panel vận hành cơ bản (BOP), panel điều
khiển cấp cao (AOP) và module kết nối mạng Profibus.
 Các đặc tính làm việc
- Điều khiển dòng từ thông để cải thiện tác động và điều khiển động cơ động.
- Giới hạn dòng điện nhanh để làm việc với phần cơ khí dừng tự do.
- Kết hợp hãm dùng dòng điện DC.
- Hãm kết hợp để cải thiện việc hãm động cơ.
- Với chương trình điều khiển thời gian khởi động / dừng động cơ mềm.
- Sử dụng chức năng điều khiển vòng kín PI.

 Các đặc tính bảo vệ
- Bảo vệ cho cả biến tần và động cơ.
- Bảo vệ quá áp và thấp áp.
- Bảo vệ quá nhiệt biến tần.
- Bảo vệ lỗi nối đất.
- Bảo vệ ngắn mạch.
- Bảo vệ nhiệt động cơ

15


1.2.3. Các thông số kỹ thuật của biến tần MM440.
Bảng 1.2. Các thông số kỹ thuật của biến tần MM 440.
Điện áp vào và công suất

200V đến 240V 1 AC ± 10% 0.12 - 3kW
200V đến 240V 3 AC ± 10% 0.12 - 45kW
380V đến 480V 3 AC ± 10% 0.37 - 75kW
200V đến 240V 1 AC ± 10% 0.75 + 75kW

Tần số điện vào

47 đến 63Hz

Tần số điện ra

0 đến 650Hz

Hệ số công suất

0.7

Hệ suất chuyển đổi

96 đến 97%

Khả năng quá tải

Quá dòng 1,5X với dòng định mức trong
60 giây ở mỗi 300 giây hay 2X dòng định
mức trong 3 giây ở mỗi 300 giây

Dòng điện vào khởi động

Thấp hơn dòng điện vào định mức

Tần số điều chế xung(PWM)

2kHz đến 16kHz

Tần số cố định

15, tùy đặt

Dải tần số nhảy

4, tùy đặt

Độ phân giải điểm đặt

10 bit analog, 0.01 Hz giao tiếp nối tiếp,
0.01Hz digital

Các đầu vào số

6 đầu vào số lập trình được, cách ly. Có
thể chuyển đổi PNP/NPN

Các đầu vào tương tự

2, 0 tới 10V, 0 tới 20mA và -10 tới +10V,
0 tới 10V, 0 tới 20mA

Các đầu vào rơ le

3, tùy chon chức năng 30VDC/5A,
250VAC/2A

Các đầu ra tương tự

2, tùy chọn chức năng; 0.25 - 20mA

Cổng giao tiếp nối tiếp

RS-485, vận hành với USS protocol

Hãm

Hãm DC, Hãm tổ hợp

Dải nhiệt độ làm việc

CT - 10°c đến +50°c
VT - 10°c đến +40°c

Nhiệt độ bảo quản

- 40°c đến +70°c

Chức năng bảo vệ

Thấp áp, quá áp, chạm đất, ngắn mạch,
chốn kẹt, bảo vệ quá nhiệt động cơ, quá
nhiệt biến tần, khóa tham số PIN
16


1.2.4.Một số ứng dụng của biến tần MM 440.
- Chiết áp xung (MOP).
- Tần số cố định (FF), tạo các tần số cố định đế động cơ làm việc.
- Chạy nhấp, tạo ra tần số cố định để chạy nhấp thử động cơ.
- Bộ phát hàm tạo độ dốc (RFG), xác định tần số nhảy để tránh các ảnh hưởng của
hiện tượng cộng hưởng cơ học và khử các tần số trong khoảng ± P1101 (dải nhảy
tần số).
- Các thông số về tần số quy chiếu / giới hạn.
- Các thông số về bảo vệ bộ biến tần, như bảo vệ quá tải cho biến tần, cảnh báo
nhiệt độ cho biến tần.
- Bảo vệ nhiệt cho động cơ. Ngoài việc bảo vệ quá nhiệt cho động cơ, nhiệt độ
động cơ cũng được tính toán trong quá trình hiệu chỉnh dữ liệu sơ đồ mạch tương
đương của động cơ.

- Cần nối một nguồn điện áp ngoài 24V
- Encoder, sử dụng môdun encoder để phản hồi tốc độ động cơ trong các hệ thống
vòng kín ổn định tốc độ.
- Điều khiển v/f, chế độ điều khiển “đặc tính v/f ’ - tỷ số giữa điện áp ra của biến
-

tần với tần số ra của biến tần.
Điều khiển định hướng từ trường (FCC).
Điều khiển vectơ không sensor (SLVC).
Điều khiển vectơ có encoder (VC).
Khởi động bám (Flying start - FS).

-

Khởi động từ.
Phanh hãm cơ khí của động cơ.
Hãm một chiều (DC).
Hãm hỗn hợp.
Hãm động năng
Bộ điều khiển Vdc.
Các khối chức năng tự do (FFB).
Tập dữ liệu lệnh và truyền động.
Thông số chuẩn đoán.

1.3.Động cơ không đồng bộ ba pha.
1.3.1.Cấu tạo động cơ không đồng bộ ba pha
Động cơ điện không đồng bộ được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế. Ưu điểm
nổi bật của loại này là: cấu tạo đơn giản, đặc biệt là động cơ rôto lồng sóc; so với
17

động cơ một chiều, động cơ không đồng bộ có giá thành hạ; vận hành tin cậy, chắc
chắn. Ngoài ra động cơ không đồng bộ dùng trực tiếp lưới điện xoay chiều ba pha
nên không cần trang bị thêm các thiết bị biến đổi kèm theo.
Tuy nhiên, nhược điểm của động cơ không đồng bộ là điều chỉnh tốc độ và
khống chế các quá trình quá độ khó khăn; riêng đối với động cơ rôto lồng sóc có
các chỉ tiêu khởi động xấu hơn.
Xét về mặt cấu tạo, người ta chia động cơ không đồng bộ làm hai loại: Động
cơ rôto dây quấn và động cơ rôto lồng sóc.
Cấu tạo động cơ không đồng bộ được trình bày trên (hình 1.5) gồm hai bộ
phận chủ yếu là stato và rôto, ngoài ra còn có vỏ máy, nắp máy và trục máy.
1: Lõi thép stato
2: Dây quấn stato
3: Nắp máy
4: Ổ bi
5: Trục máy
6: Hộp đầu cực
7: Lõi thép rôto
8: Thân máy
9: Quạt gió làm mát
10: Hộp quạt
Hình 1.5: Cấu tạo động cơ không đồng bộ ba pha
 Stato (phần tĩnh):
Stato gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn stato, ngoài ra còn có vỏ
máy và nắp máy.
- Lõi thép: Lõi thép stato có dạng hình trụ, làm bằng các lá thép kỹ thuật điện,
được dập rãnh bên trong rồi ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo hướng
trục. Lõi thép được ép vào trong vỏ máy.
- Dây quấn stato: Dây quấn stato thường được làm bằng dây đồng có bọc cách
điện và đặt trong các rãnh của lõi thép. Dòng điện xoay chiều ba pha chạy trong

dây quấn ba pha stato sẽ tạo nên từ trường quay.
- Vỏ máy: Vỏ máy gồm có thân và nắp, thường làm bằng gang.
 Rôto (phần động):
Rôto là phần quay gồm lõi thép, dây quấn và trục máy:
- Trục: Làm bằng thép, dùng để đỡ lõi sắt rôto.
18


- Lõi thép: Gồm các lá thép kỹ thuật điện giống như lõi thép stato, lõi thép được ép
trực tiếp lên trục, bên ngoài lõi thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn.
- Dây quấn rôto: Gồm hai loại là loại rôto dây quấn và loại rôto lồng sóc.
Loại rôto kiểu dây quấn (Hình 1.6): Dây quấn rôto giống dây quấn stato và có
số đôi cực bằng số cực stato. Dây quấn ba pha của rôto thường được đấu hình sao
(Y). Ba đầu kia nối vào ba vòng trượt bằng đồng đặt cố định ở đầu trục. Thông qua
chổi than và vòng trượt, đưa điện trở phụ vào mạch rôto nhằm cải thiện tính năng
mở máy và điều chỉnh tốc độ.

a)

b)

Hình 1.6: Rôto kiểu dây quấn (a) và sơ đồ mạch điện tương ứng
Loại rôto kiểu lồng sóc(hình 1.7): Loại dây quấn này khác dây quấn stato. Mỗi
rãnh của lõi sắt được đặt một thanh dẫn bằng đồng hoặc nhôm và được nối tắt lại ở
hai đầu bằng hai vòng ngắn mạch bằng đồng hoặc bằng nhôm, làm thành một cái
lồng, người ta gọi đó là lồng sóc.

Hình 1.7: Rôto kiểu lồng sóc
1.3.2.Nguyên lý làm việc
Nối dây quấn stato của động cơ không đồng bộ ba pha vào lưới điện xoay

chiều ba pha, dòng xoay chiều ba pha sẽ sinh ra một từ trường quay, quay với tốc
độ:
n1 

60. f 1
p

Trong đó: f1 là tần số của điện áp nguồn đặt vào stato
P là số đôi cực từ của động cơ
19


Từ trường này quét qua dây dẫn rôto và cảm ứng trong dây dẫn rôto một sức
điện động E2 và sinh ra dòng điện I2 chạy trong dây quấn rôto. Chiều của dòng điện
I2 và sức điện động E2 được xác định theo quy tắc bàn tay phải.
E2 = 4,44.f1.w2.kdq2.Φmax
Trong đó:

w2, kdq2 là số vòng dây và hệ số dây quấn của rôto.
Φmax là giá trị lớn nhất của từ thông trong mạch từ.

Dây dẫn rôto có dòng I2 nằm trong từ trường quay stato sẽ sinh ra lực điện từ
được xác đinh theo quy tắc bàn tay trái. Tạo mômen quay kéo rôto quay cùng chiều
với n1 với tốc độ n < n1 gọi là động cơ không đồng bộ.
Đặc trưng cho động cơ không đồng bộ ba pha là hệ số trượt s được tính theo
biểu thức sau:

s

n1  n

n1

(0 < s < 1, thường thì s = 0,02 ÷ 0,06)
Trong đó: n là tốc độ quay của rôto
n1 là tốc độ quay của từ trường (tốc độ đồng bộ của động cơ)
1.4.Bơm thủy lực
Bơm thủy lực là bơm chuyển tích cực được sử dụng để tạo áp lực chất lỏng
để các chất lỏng có thể làm việc bằng cách hoạt động piston trong hệ thống bơm
thủy lực. Bơm thủy lực có rất nhiều loại khác nhau như bơm bánh răng, bơm cánh
gạt, bơm piston.
1.4.1. Bơm bánh răng
 Đặc trưng cơ bản :
- Cấu tạo đơn giản nhưng tạo ra áp suất lớn.
- Kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ.
- Ít bị hỏng hóc, dễ dàng khi sửa chữa và bảo trì.
- Giá thành thấp.
Bơm bánh răng ăn khớp ngoài thường được sử dụng trong cần trục. Khi bánh
răng quay, tạo ra một áp suất chân không tại nơi mà hai bánh răng tách rời nhau, và
chất lỏng bị hút theo đường đó đưa vào bên trong vỏ bơm. Chất lỏng này điền đầy
vào khoảng trống của bánh răng đi theo vòng tròn bên trong vỏ bơm và được đẩy ra
bên ngoài theo miệng đẩy. Áp suất tại đầu ra có thể đạt đến 210 kg/cm².

20


Hình 1.8.Bơm bánh răng
1.4.2.Bơm piston
 Đặc trưng cơ bản:
- Có hiệu suất cao vì tổn thất lưu lượng nhỏ.
- Có thể thay đổi thể tích làm việc, với cùng một tốc độ quay có thể thay đổi lưu

lượng khác nhau.
- Phù hợp khi cần có áp suất cao.
- Giá thành cao.
- Giảm được sự dao động trong mạch thủy lực khi làm việc ở áp suất cao.

Hình 1.9.Bơm Piston
Bơm hướng trục với đĩa cam cố định thường được sử dụng trong cần trục.
Trong một bơm hướng trục, dầu được hút và đẩy bằng piston. Trong bơm piston
hướng trục, piston có hành trình làm việc lớn trong xylanh. Đó chính là lý do làm
cho hiệu suất làm việc của bơm lớn, do đó loại bơm này rất thích hợp khi cần bơm
với áp suất lớn. Khi khoảng cách giữa trục quay và đĩa cam lớn, thì tại đây chất lỏng
sẽ được hút vào bên trong xylanh, khi trục quay thì chất lỏng bên trong xylanh bị
nén lại ( vì khi này khoảng cách giữa trục quay và đĩa cam ngắn lại).
21


1.4.3.Bơm cánh gạt
 Đặc trưng cơ bản:
- Hoạt động nhanh.
- Dùng trong hệ thống có áp suất thấp và trung bình.
- Giá thành thấp.

Hình 1.10. Bơm cánh gạt
Khi rotor quay, làm cho cánh gạt chuyển động tịnh tiến trong rotor, và làm
cho thể tích không gian giữa các cánh gạt thay đổi, tạo ra một hoạt động bơm. Bơm
cánh gạt làm việc không gây ồn nhờ sử dụng bộ đều áp ở đầu ra. Bơm cánh gạt có 2
loại : lưu lượng điều chỉnh lưu lượng được và lưu lượng cố định.
1.5.Van thủy lực
1.5.1.Van điều khiển bằng tay.
Là loại van ta có thể thay đổi được lưu lượng áp suất đi qua nó.

Hình 1.11.Van điều chỉnh bằng tay.
1.5.2.Van an toàn.
Có tác dụng bảo vệ bơm, đường ống, cảm biến nếu áp suất vượt quá ngưỡng
cho phép. Có thể thay đổi được điểm bảo vệ phù hợp với thông số kỹ thuật của các
thiết bị cần bảo vệ.
22


Hình 1.12.Van an toàn.
1.6.Một số thiết bị linh kiện sử dụng để thiết kế bộ điều khiển
1.6.1. IC Lm 324

Lm 324 là một IC khuếch đại thuật toán, công suất thấp bao gồm 4 bộ
khuếch đại thuật toán (Op-Amp) trong nó.

Hình 1.13.Hình ảnh và sơ đồ chân LM 324
 Thông số kỹ thuật IC LM 324:
- Điện áp cung cấp: Nguồn cung cấp cho LM324 tầm từ 5V~32V.
- Áp tối đa ngõ vào: từ 0~32V đối với nguồn đơn và cộng trừ 15V đối với nguồn
đôi.
- Công suất của Lm324 loại chân cắm (Dip): khoảng 1W
- Điện áp ngõ ra: từ 0 ~ (Vcc - 1,5V).
+Dòng ngõ ra khi mắc theo kiểu đẩy dòng (dòng Sink): dòng đẩy tối đa đạt
được 20mA.
+Dòng ngõ ra khi mắc theo kiểu hút dòng (dòng Souce): dòng hút tối đa có thể
lên đến 40mA.
- Tần số hoạt động của LM324: 1MHz
- Độ lợi khuếch đại điện áp DC của LM324 tối đa khoảng 100 Db.
23

1.6.2.PLC S7 – 300.
- Cấu trúc PLC S7-300
PLC là thiết bị điều khiển logic khả trình (Programmable Logic Control) là
loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một
ngôn ngữ lập trình. PLC là một bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và
đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quanh ( với PLC khác hoặc với
máy tính). Toàn bộ chương trình điều khiển được lưu trong bộ nhớ của PLC dưới
dạng các khối chương trình ( Khối OB, FC hoặc FB) và được thực hiện theo chu kỳ
vòng quét.Để có thể thực hiện được một chươg trình điều khiển, tất nhiên PLC phải
có tính năng như một máy tính, nghĩa là phải có bộ vi xử lý (CPU), một hệ điều
hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển và tất nhiên phải có cổng vào/ ra để
giao tiếp được với đối tượng điều khiển và để trao đổi thông tin với môi trường
xung quanh. Bên cạnh đó, nhằm phục vụ bài toán điều khiển số, PLC cần phải có
thêm các khối chức năng đặc biệt khác như bộ đếm (Counter), bộ thời gian
(Timer)và những khối hàm chuyên dụng.
 Các module của PLC S7-300
Thông thường để tăng tính mềm dẻo trong ứng dụng thực tế mà ở đó phần lớn
các đối tượng điều khiển có số tín hiệu đầu vào/ra khác nhau mà các bộ điều khiển
PLC được thiết kế không được cứng hoá về cấu hình. Chúng được chia nhỏ thành
các module. Số các module được chia nhiều hay ít tuỳ theo từng bài toán, song tối
thiểu phải có một module chính là module CPU. Các module còn lại là các module
nhận/truyền tín hiệu với tín hiệu điều khiển, các module chức năng chuyên dụng
như các module PID, điều khiển động cơ....Chúng được gọi chung là modul mở
rộng. Tất cả các module được gá trên những thanh ray (Rack).

Hình 1.14.Cấu trúc một thanh Rack của PLC S7-300
24

- Module CPU

Hình 1.15. Hình ảnh module CPU 312C
Modul CPU là modul có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ thời
gian, bộ đếm, cổng truyền thông (RS 485)... và có thể còn có một vài cổng vào/ra
số. Các cổng vào/ra số có trên modul CPU được gọi là cổng vào/ra onboard.
Trong họ PLC S7-300 có nhiều loại CPU khác nhau. Nói chung chúng được
đặt tên theo bộ vi xử lý có trong nó như modul 312, modul 314, modul 315...
Những modul cùng sử dụng một loại bộ vi xử lý, nhưng khác nhau về cổng
vào/ra onboard cũng như các khối hàm đặc biệt được tích hợp sẵn trong thư viện
của hệ điều hành phục vụ cho việc sử dụng các cổng vào/ra onboard này sẽ được
phân biệt với nhau trong tên gọi bằng thêm cụm chữ cái IFM (Intergrated Function
Module). Ví dụ modul 312 IFM, modul 314 IFM...
Ngoài ra còn có các loại modul CPU với hai cổng truyền thông, trong đó cổng
truyền thông thứ hai có chức năng chính là phục vụ việc nối mạng phân tán. Tất
nhiên kèm theo cổng truyền thông thứ hai này là những phần mềm tiện dụng thích
hợp cũng đã được cài sẵn trong hệ điều hành. Các loại CPU được phân biệt với
những modul CPU khác bằng thêm cụm từ DP (Distributed Port) trong tên gọi. Ví
dụ modul 315-DP, 315-2DP
- Module mở rộng
Module mở rộng được chia thành 5 loại chính :

Hình 1.16.Hình ảnh thực tế các module mở rộng của PLC S7-300
25