kỹ thuật đo lường và tự động hóa

BÀI GIẢNG

KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

TS. LÊ NGỌC TRÂN
Email:


HÌNH THỨC ĐÁNH GIÁ

* Nhiệm vụ của sinh viên:
- Dự lớp lý thuyết:
- Thảo luận, bài tập:
- Thi kết thúc tín chỉ thứ nhất:
* Đánh giá:
- Điểm chuyên cần: 20%
- Điểm tiểu luận, thuyết trình: 20%
- Điểm thi: 60%

22 tiết
15 tiết
01 tiết


TÀI LIỆU HỌC TẬP
1. Giáo trình Đo Lường Cảm Biến, Lê Chí Kiên, ĐH Sư Phạm Kỹ
thuật TP. HCM.

2. Giáo trình Kỹ Thuật Cảm Biến, Vũ Quang Hồi, NXB Giáo Dục
Việt Nam.
3. Giáo trình Cơ Sở Về Đo Lường Quá Trình, Trường Đào Tạo

Nhân Lực Dầu Khí Vũng Tàu.
4. Giáo trình Đo Lường và Điều Khiển Dùng Máy Tính, Hồ Đắc
Lộc, NXB Xây Dựng.
5. Giáo trình Mechatronics, Electronic in products and process,
D.A.Bradley, D.Dawson, N.C.Burd and A.J.Loader.


NỘI DUNG MÔN HỌC
PHẦN I: ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN
Chương 1: Tổng quan về đo lường, điều khiển và giám sát tự động
Chương 2: Các khái niệm, định nghĩa, nguyên lý của cảm biến
Chương 3: Cảm biến đo lường và ứng dụng
3.1. Cảm biến nhiệt độ
3.2. Cảm biến áp suất
3.3. Cảm biến mức
3.4. Cảm biến lưu lượng
3.5. Cảm biến khoảng cách
3.6. Cảm biến quang
3.7. Cảm biến độ ẩm
3.8. Cảm biến thành phần khí

PHẦN II: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG QUÁ TRÌNH
Chương 4: Vòng điều khiển và các phần tử trong hệ thống tự động quá trình
Chương 5: Thiết kế hệ thống điều khiển tự động quá trình bằng HT điều khiển tiếp điểm
Chương 6: Thiết kế hệ thống điều khiển tự động QT bằng HT điều khiển lập trình
Chương 7: Phân tích và thiết kế một số hệ thống điều khiển quá trình


Nội dung
Tổng quan về đo lường, điều khiển và giám sát tự

động

ĐO
LƯỜNG
CẢM
BIẾN

Các khái niệm, định nghĩa, nguyên lý của cảm biến

Cảm biến đo lường và ứng dụng


Video dây chuyền sản xuât mì gói tự động


Tổng quan về đo lường, điều khiển và giám sát tự động

Trong dây chuyền công nghiệp, có rất nhiều đại lượng vật lý
quan trọng cần phải được đo đạc như: nhiệt độ, áp suất, lưu
lượng, mức, vị trí, dịch chuyển, độ ẩm, lực, khối lượng,... Mục
đích quan trọng nhất cho việc đo lường các đại lượng này
dùng để điều khiển quy trình. Quy trình ở đây được hiểu là
trình tự các hoạt động được thực hiện để đạt được kết quả cuối
cùng mong muốn. Quy trình có thể được điều khiển bởi con
người hoặc máy móc tự động, trong bài giảng này khái niệm
điều khiển quy trình đề cập là điều khiển hoàn toàn tự động
bằng máy móc.


Tổng quan về đo lường, điều khiển và giám sát tự động

Ví dụ một hệ thống điều khiển nhiệt độ lò sấy trong công nghiệp

Bước 1: Bộ phận cảm biến đo gia trị của đại lượng vật lý liên quan đến đầu ra của quy
trình rồi chuyển đến bộ phận trung tâm gọi là Bộ Điều Khiển.
Bước 2: Bộ ĐK so sánh các giá trị được chuyển về này với các giá trị định trước mà
quy trình phải đạt được rồi gửi tín hiệu điều chính đến bộ phận thi hành còn gọi là Cơ
Cấu Chấp Hành.
Bước 3: Bộ phận thi hành sẽ thay đổi các giá trị đại lượng vật lý trong quy trình cho
phù hợp với mong muốn.


So sánh điều chỉnh bằng tay và điều chỉnh tự động
ĐIỀU KHIỂN BẰNG TAY

 Đáp ứng chậm
 Phụ thuộc vào trạng thái và tâm lý người
thao tác
 Sai số lớn do: sai số của nhiệt kế cơ khí, sai
số mắt người đọc
 Khi hệ thống phức tạp người vận hành khó
vừa thao tác vừa thi hành điều khiển
 Dễ tai nạn lao động

ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

 Đáp ứng nhanh do điều khiển hoàn toàn tự
động
 Đo biến nhiệt độ bằng cảm biến: chuyển
nhiệt độ -> tín hiệu điện -> BĐK (Cảm biến
to = Nhiệt kế + mắt người)

 Sai số cảm biến bé
 Thao tác nhanh tự động và chính xác
 An toàn


Sơ đồ hệ thống điều khiển quá trình
 Hệ thống điều khiển vòng hở
Yêu cầu

Thiết bị
điều khiển

Tác động

Đối tượng
điều khiển

Nhiễu

Kết quả

 HT điều khiển hoạt động đạt độ chính xác
cần thiết bằng cách điều chỉnh trực tiếp
hoạt động ngỏ ra của HT. Không có thông
tin phản hồi đến BĐK để xác định hoặc
hiệu chỉnh tín hiệu ra.
 HT điều khiển dạng này cho tín hiệu ra
với sai số lớn.

 Hệ thống điều khiển vòng kín

Thông tin phản hồi

Yêu cầu

Thiết bị
điều khiển

Thiết bị
đo lường

Tác động

Đối tượng
điều khiển

 HT điều khiển kín, loại bỏ nhiễu bằng
cách đo ảnh hưởng của nhiễu trên tín hiệu
ra hoặc ngõ ra của HT (thông tin phản hồi),
từ đó tính toán các tác động hiệu chỉnh
cần thiết nhằm làm mất tác dụng của nhiễu
Kết quả
để duy trì tín hiệu ra hay sản phẩm ổn định
như mong muốn.
Tín hiệu sai lệch = Giá trị mong muốn – giá trị thực tế

So sánh

Nhiễu

 HT điều khiển dạng này cho tín hiệu ra

có độ chính xác cao.


Ví dụ: Nhận dạng HT điều khiển với máy phay CNC

 Người vận hành xác định trước tốc độ cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt, và sau đó thực hiện
quá trình gia công.
 Nếu như không có nhiễu thì chất lượng và kích thước bề mặt sẽ đạt yêu cầu như dự kiến.
 Những yếu tố nhiễu như độ mòn của dụng cụ, độ cứng thay đổi trên bề mặt chi tiết gia
công,..sẽ làm kết quả gia công không đạt kết quả như mong muốn. Như vậy hệ thống vòng hở
không có khả năng bù trừ các tác động do nhiễu gây ra.


Ví dụ: Nhận dạng HT điều khiển với quá trình cắt


Trình tự các bước điều khiển một quy trình công nghệ
COMPARE

CONTROLLER

SENSOR

ACTUATOR

COLLECT

CORRECT

PROCESS

Một quy trình công nghệ dù phức tạp hay đơn giản, cơ sở điều khiển quá trình của nó là giống
nhau bao gồm các bước cơ bản sau:
 PT cảm biến thu thập thông tin về biến cần theo dõi và gửi đến BĐK.
 Bộ Điều Khiển so sánh thông tin nhận được từ Bộ Cảm biến với điểm setpoint và gửi tín hiệu
đến PT Điều Khiển
 PT chấp hành thực hiện sự hiệu chỉnh cần thiết để điều chỉnh biến thao tác đạt đến điểm
setpoint.


Ví dụ nhận dạng hệ thống điều khiển quá trình sau
COMPARE

CORRECT
COLLECT
Sơ đồ P&ID






Quá trình chuyển vật liệu vào bồn D.
Biến đo lường (biến theo dõi): áp suất bên trong bồn D.
Biến điều khiển: điều khiển áp suất khí nén đóng mở van C.
Kết quả mong muốn: Duy trì áp suất mong muốn trong bồn D theo giá trị setpoint.


Các loại tín hiệu trong HT điều khiển quá trình
Các tín hiệu có thể là 1 trong 3 dạng khác nhau sau đây:

1. Dạng nhị phân (Binary)- chỉ có 2 giá trị ON và OFF.
2. Dạng tương tự (Analog)- cho dải các giá trị không bị gián đoạn
3. Dạng số (Digital)-chuỗi các xung

Analog

Binary

Trong hệ thống điều khiển tự động quá trình, các tín hiệu phải được chuyển đổi cho phù hợp


Các loại tín hiệu trong HT điều khiển quá trình
Trong hệ thống điều khiển tự động quá trình, các tín hiệu phải được chuyển đổi cho phù
hợp.
 Khi Bộ Điều Khiển trong một vòng điều khiển là một máy tính thì dữ liệu vào máy
tính phải là dạng số. Tín hiệu ra điều khiển từ máy tính cũng là dạng số.
 Kết quả đọc từ cảm biến thường là dạng tương tự.
 Thiết bị điều khiển cuối đòi hỏi dạng tín hiệu vào là liên tục là khí nén.
 Các Transducer chuyển đổi các tín hiệu từ dạng này sang một dạng khác để các PT
trong vòng điều khiển có thể truyền thông tin với nhau được.


Các loại tín hiệu trong HT điều khiển quá trình

P/I Transducer: Chuyển đổi tín hiệu khí nén (P) thành
dòng điện tương tự (I).
A/D Converter: Chuyển đổi dòng điện tương tự (I)
thành tín hiệu số (D).
D/A Converter: Chuyển đổi tín hiệu số (D) thành dòng
điện tương tự (I).

I/P Transducer: Chuyển đổi dòng điện tương tự (I)
thành tín hiệu khí nén (P).


Các loại tín hiệu trong HT điều khiển quá trình
Quy ước ký hiệu biểu thị dạng tín hiệu trong sơ đồ P&ID trong HT điều khiển
quá trình


Các phần tử trong hệ thống điều khiển quá trình

COMPARE

CORRECT

COLLECT

PROCESS


Nhận dạng quá trình điều khiển


Nhận dạng quá trình điều khiển