TỔNG QUAN VỀ PLC VÀ CẤU TRÚC HỌ PHẦN CỨNG
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ PLC
Sự phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động hiện đại và công nghệ điều khiển logic khả trình được thúc đẩy bởi sự tiến bộ trong lĩnh vực tin học, đặc biệt là sự phát triển của kỹ thuật máy tính.
Kỹ thuật điều khiển logic khả trình (PLC) đã được phát triển từ những năm 1968 - 1970, ban đầu yêu cầu người sử dụng có trình độ cao trong lĩnh vực điện tử Hiện nay, thiết bị PLC đã trở nên phổ biến và phát triển mạnh mẽ, mang lại nhiều tiện ích cho người dùng.
PLC (Điều khiển Logic Khả trình) là thiết bị cho phép điều khiển linh hoạt các thuật toán số qua ngôn ngữ lập trình, thay vì phải sử dụng mạch số Với chương trình điều khiển tích hợp, PLC trở thành bộ điều khiển nhỏ gọn, dễ dàng thay đổi thuật toán và trao đổi thông tin với các PLC khác hoặc máy tính Để thực hiện chương trình điều khiển, PLC cần có tính năng như máy tính, bao gồm bộ vi xử lý trung tâm (CPU), hệ điều hành, bộ nhớ để lưu trữ chương trình và dữ liệu, cùng các cổng vào ra để giao tiếp với thiết bị bên ngoài Ngoài ra, để phục vụ cho các bài toán điều khiển số, PLC còn cần có các khối hàm chức năng như Timer, Counter và các hàm chức năng đặc biệt khác.
Hình 1.1 Sơ đồ khối của PLC
Các PLC giống như máy tính, nhưng được tối ưu hóa cho nhiệm vụ điều khiển trong môi trường công nghiệp, trong khi máy tính chủ yếu phục vụ cho tính toán và hiển thị Do đó, PLC được thiết kế đặc biệt để đáp ứng các yêu cầu khắt khe của ngành công nghiệp.
- Để chịu được các rung động, nhiệt độ, độ ẩm, bụi bẩn và tiếng ồn
- Có sẵn giao diện cho các thiết bị vào ra
- Được lập trình dễ dàng với ngôn ngữ lập trình dễ hiểu, chủ yếu giải quyết các phép toán logic và chuyển mạch
Bộ điều khiển logic PLC có chức năng tương tự như bộ điều khiển dựa trên rơle và công tắc tơ, cũng như các khối điện tử, nhằm thực hiện các tác vụ điều khiển tự động trong hệ thống.
- Thu thập các tín hiệu vào và các tín hiệu phản hồi từ cảm biến
- Liên kết, ghép nối các tín hiệu theo yêu cầu điều khiển và thực hiện đóng mở các mạch phù hợp với công nghệ
- Tính toán và soạn thảo các lệnh điều khiển đến các địa chỉ thích hợp
1.1.2 Các thành phần cơ bản của một bộ PLC
Hệ thống PLC phổ biến bao gồm năm bộ phận chính: bộ xử lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao diện vào ra và thiết bị lập trình Sơ đồ cấu trúc của hệ thống PLC thể hiện mối liên hệ giữa các thành phần này.
Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống của PLC a Bộ xử lý:
Bộ xử lý còn gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU) là linh kiện chứa bộ vi xử lý
Bộ xử lý tiếp nhận tín hiệu đầu vào và thực hiện các hoạt động điều khiển dựa trên chương trình được lưu trữ trong bộ nhớ CPU, sau đó truyền các quyết định dưới dạng tín hiệu hoạt động đến các thiết bị đầu ra.
Bộ xử lý hoạt động theo nguyên lý tuần tự, bắt đầu bằng việc gọi tên các thông tin lưu trữ trong bộ nhớ chương trình, được kiểm soát bởi bộ đếm chương trình Sau đó, bộ xử lý liên kết các tín hiệu và đưa ra kết quả.
Thời gian quét, hay còn gọi là chu kỳ quét, là khoảng thời gian cần thiết để hoàn thành một vòng quét dữ liệu Thời gian này phụ thuộc vào dung lượng bộ nhớ và tốc độ của CPU Hình 1.3 minh họa chu kỳ một vòng quét.
Hình 1.3 Chu kỳ một vòng quét
Thời gian trễ trong chương trình xảy ra do thao tác tuần tự, với bộ đếm chương trình cần hoàn thành một chu kỳ đầy đủ trước khi bắt đầu lại Để đánh giá thời gian trễ, người ta đo thời gian quét của chương trình dài 1 Kbyte, đây là chỉ tiêu so sánh các PLC Thời gian trễ này có thể lên tới 20ms hoặc hơn, và nếu nó ảnh hưởng đến quá trình điều khiển, cần áp dụng biện pháp như lặp lại các lần gọi quan trọng trong thời gian một lần quét, hoặc điều chỉnh thông tin chuyển giao để giảm bớt các lần gọi không cần thiết Nếu các biện pháp này không hiệu quả, việc chọn PLC với thời gian quét ngắn hơn là cần thiết.
Bộ nguồn có chức năng chuyển đổi điện áp AC thành điện áp thấp cho vi xử lý, thường là 5VDC, và cung cấp điện cho các mạch điện của các module khác, thường là 24V Thiết bị lập trình cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.
Thiết bị lập trình là công cụ quan trọng để tạo ra các chương trình điều khiển, sau đó được chuyển giao cho PLC Các thiết bị này đóng vai trò thiết yếu trong quá trình lập trình và điều khiển hệ thống tự động.
6 chuyên dụng, có thể là thiết bị cầm tay gọn nhẹ, có thể là phần mềm được cài đặt trên máy tính cá nhân d Bộ nhớ:
Bộ nhớ trong hệ thống điều khiển đóng vai trò quan trọng trong việc lưu trữ chương trình, với các loại như RAM, ROM và EPROM Để đảm bảo chương trình không bị mất khi xảy ra mất điện, người ta thường thiết kế nguồn dự phòng cho RAM, thời gian duy trì phụ thuộc vào từng PLC cụ thể Ngoài ra, bộ nhớ có thể được chế tạo thành module linh hoạt, cho phép dễ dàng mở rộng và thích nghi với các chức năng điều khiển khác nhau khi cần thiết.
Giao diện vào là bộ phận quan trọng giúp bộ xử lý nhận thông tin từ các thiết bị ngoại vi như công tắc và cảm biến nhiệt độ, đồng thời truyền thông tin ra ngoài cho các thiết bị như cuộn dây công tắc tơ, rơle và động cơ nhỏ Tín hiệu vào và ra có thể thuộc nhiều loại khác nhau, bao gồm tín hiệu rời rạc, tín hiệu liên tục và tín hiệu logic.
Mỗi điểm vào/ra có một địa chỉ
Hình 1.4 Giao diện vào ra của PLC
Các kênh vào ra được thiết kế với chức năng cách ly và điều hòa tín hiệu, cho phép các bộ cảm biến và bộ tác động kết nối trực tiếp mà không cần thêm mạch điện bổ sung.
GIỚI THIỆU VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN S7-300
Ngành công nghiệp sản xuất đã chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ, với việc kết nối các linh kiện điều khiển như rơle, timer và contactor để tạo thành một hệ thống điện điều khiển Hệ thống này được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu công nghệ khác nhau, nhằm điều khiển dây chuyền và thiết bị máy móc công nghiệp một cách hiệu quả.
Công việc thi công lắp đặt thiết bị thường gặp nhiều phức tạp do yêu cầu thao tác đấu nối tỉ mỉ Quá trình này tiêu tốn nhiều thời gian nhưng hiệu quả không cao, vì một thiết bị có thể cần nhận tín hiệu nhiều lần trong khi số lượng tín hiệu lại rất hạn chế.
Trong quá trình sửa chữa, bảo trì và thay đổi quy trình sản xuất, việc tìm kiếm hư hỏng và đi lại dây gặp nhiều khó khăn Điều này dẫn đến việc tiêu tốn nhiều thời gian và làm giảm rõ rệt năng suất lao động do lượng vật tư cần thiết rất lớn.
Các nhà khoa học và nhà nghiên cứu đang nỗ lực tìm ra giải pháp điều khiển tối ưu nhằm đáp ứng nhu cầu tự động hóa trong ngành công nghiệp hiện đại Giải pháp này không chỉ giảm sức lao động mà còn bảo vệ người lao động khỏi những khu vực nguy hiểm và độc hại, đồng thời nâng cao năng suất lao động lên gấp nhiều lần.
Để lựa chọn một hệ thống điều khiển ưu việt cho ngành công nghiệp hiện đại, cần đảm bảo các yếu tố như tính tự động hóa cao, kích thước và khối lượng nhỏ gọn, giá thành hợp lý, dễ dàng thi công và sửa chữa, cùng với chất lượng làm việc ổn định và linh hoạt.
Hệ thống điều khiển PLC (Programmable Logic Control) ra đời vào năm 1968 bởi Công ty General Motors – Mỹ, tuy nhiên ban đầu còn đơn giản và cồng kềnh, gây khó khăn cho người sử dụng Qua nhiều năm cải tiến và phát triển, bộ điều khiển PLC hiện nay đã khắc phục những nhược điểm trước đây, mang lại nhiều ưu việt trong việc vận hành hệ thống.
- Là bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán điều khiển
- Có khả năng mở rộng các module vào ra khi cần thiết
- Ngôn ngữ lập trình dễ hiểu thích hợp với nhiều đối tượng lập trình
Khả năng truyền thông là quá trình trao đổi thông tin giữa hệ thống và môi trường xung quanh, bao gồm giao tiếp với máy tính, các PLC khác, cũng như các thiết bị giám sát và điều khiển.
- Có khả năng chống nhiễu với độ tin cậy cao và có rất nhiều ưu điểm khác nữa
Hiện nay, nhiều hãng PLC nổi tiếng như Omron, Mitsubishi, Hitachi, ABB và Siemens đang phát triển song song, mỗi hãng có những điểm mạnh riêng phục vụ cho các ngành khác nhau Người dùng sẽ quyết định chọn hãng PLC nào phù hợp với nhu cầu của mình Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu chi tiết về PLC S7-300 của Siemens, một sản phẩm đang được sử dụng phổ biến hiện nay.
Để thực hiện chương trình điều khiển, PLC cần có cấu trúc giống như một máy tính, bao gồm bộ vi xử lý (CPU), hệ điều hành, bộ nhớ để lưu trữ chương trình và dữ liệu, cùng với các cổng vào/ra để trao đổi thông tin với môi trường bên ngoài.
PLC không chỉ là một bộ điều khiển số mà còn tích hợp các bộ Timer, Counter và nhiều loại hàm chuyên dụng khác, tạo nên một hệ thống điều khiển linh hoạt và hiệu quả.
Trong quá trình triển khai các ứng dụng thực tế, mỗi bài toán điều khiển đều có những yêu cầu riêng biệt Do đó, việc lựa chọn loại thiết bị phần cứng cần được cân nhắc kỹ lưỡng để đảm bảo phù hợp với yêu cầu mà không gây lãng phí tài chính.
Việc lựa chọn CPU và thiết bị vào ra trong hệ thống PLC không giống nhau, do đó, PLC được chia thành các module riêng lẻ để linh hoạt trong cấu hình Số lượng module phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của từng bài toán, nhưng tối thiểu cần có module nguồn và module CPU Các module còn lại đảm nhiệm chức năng truyền nhận tín hiệu với môi trường bên ngoài, cùng với các module chuyên dụng như PID, điều khiển mờ, điều khiển động cơ bước và các module phục vụ cho chức năng truyền thông Tất cả các module này được lắp đặt trên một thanh Rack.
Hình 1.10 Miêu tả về cấu hình PLC S7-300
1 Là nguồn nuôi cho PLC
2 Là pin lưu trữ (cho CPU 313 trở lên)
4 Công tắc chọn chế độ làm việc
5 Đèn LED báo trạng thái và báo lỗi
6 Card nhớ (cho CPU 313 trở lên)
7 Cổng truyền thông (RS485) kết nối với thiết bị lập trình
8 Vị trí đấu nối với các thiết bị điều khiển bên ngoài
9 Nắp đậy bảo vệ trong khi làm việc
Module CPU là loại module bao gồm bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, bộ thời gian, bộ đếm và cổng truyền thông RS485 Ngoài ra, module này còn có thể tích hợp một số cổng vào ra số, được gọi là cổng vào ra Onboard.
Trong họ PLC S7-300 có nhiều loại module CPU khác nhau, được đặt tên theo bộ vi xử lý có trong nó như module CPU 312, module CPU 314, module CPU 315,
Hình 1.11 Miêu tả hình dáng của hai CPU 314 và CPU 314IFM
Các module này đều sử dụng chung một bộ vi xử lý, tuy nhiên chúng có sự khác biệt ở cổng vào/ra Onboard và các khối hàm đặc biệt được tích hợp sẵn.
Hệ điều hành cung cấp 17 thư viện phục vụ cho việc sử dụng các cổng vào/ra Onboard, được phân biệt bằng cụm từ IFM (Integrated Function Module) trong tên gọi, như CPU 312IFM, CPU 314IFM, và nhiều loại khác.
PHẦN MỀM LẬP TRÌNH
Ta phải xây dựng cấu hình phần cứng khi tạo một project Dữ liệu về cấu hình sẽ được truyền đến PLC sau đó
1.3.2 Cấu trúc cửa sổ lập trình
Hình 1.20 Cấu trúc cửa sổ lập trình
Bảng khai báo phụ thuộc khối được sử dụng để khai báo biến và tham số trong khối Phần soạn thảo chứa chương trình được chia thành các Network, và các thông số nhập sẽ được kiểm tra lỗi cú pháp.
Nội dung của cửa sổ “Program Element” thay đổi tùy theo ngôn ngữ lập trình mà bạn đã chọn Bạn có thể chèn phần tử lập trình cần thiết bằng cách nhấn đúp vào nó trong danh sách.
39 chúng vào danh sách Cũng có thể chèn các phần tử cần thiết bằng cách nhấn và nhả chuột
Các thanh công cụ thường sử dụng:
- New (File Menu): Tạo mới
- Open (File Menu): Mở file
- Copy (Edit Menu): Sao chép
- Download (PLC Menu): Tải xuống
- Network (Insert): Chèn network mới
- Program Elements (Insert): Mở cửa sổ các phần tử lập trình
- Clear/Reset (PLC): Xóa chương trình hiện thời trong PLC
- LAD, STL, FBD (View): Hiển thị dạng ngôn ngữ yêu cầu
Các phần tử lập trình thường dùng (cửa sổ Program Elements):
- Các lệnh logic tiếp điểm:
- Các lệnh chuyển đổi dữ liệu:
GIỚI THIỆU CÁC HỆ THỐNG PHA TRỘN VÀ THIẾT BỊ
GIỚI THIỆU CÁC HỆ THỐNG PHA TRỘN
Hệ thống pha trộn dung dịch là thiết bị quan trọng dùng để kết hợp nhiều loại nguyên liệu, hóa chất thành một hợp chất đồng nhất Độ đồng đều của sản phẩm sau khi trộn là chỉ tiêu cơ bản để đánh giá chất lượng và hiệu quả của hệ thống pha trộn.
Trong dây chuyền sản xuất bột hỗn hợp, hóa chất và dược phẩm, đặc biệt là trong ngành chế biến thực phẩm và nước uống công nghiệp, việc sử dụng hệ thống pha trộn và máy trộn dung dịch là rất quan trọng Các thành phần được định lượng chính xác từ đầu, nhưng nếu không sử dụng máy trộn hiệu quả, sản phẩm cuối cùng có thể không đạt yêu cầu về tỷ lệ và phân bố đồng đều.
Quá trình pha trộn chỉ đạt hiệu quả khi các mẫu kiểm tra có tỷ lệ thành phần đúng theo công thức Tuy nhiên, thực tế cho thấy nhiều sản phẩm phụ thuộc vào kích thước hạt, độ ẩm và các cơ tính của nguyên liệu, dẫn đến mức đồng đều không thể đạt tuyệt đối trong quá trình trộn.
2.1.2 Một số hệ thống pha trộn
Các hệ thống pha trộn dung dịch lỏng được thực hiện trong các bình ống với chất lỏng chảy qua, sử dụng bơm vận chuyển và các thiết bị trộn, khuấy Những thiết bị này hoạt động nhờ năng lượng cung cấp từ động cơ hoặc khí nén.
Quá trình khuấy trộn hệ lỏng thường dùng trong công nghiệp: công nghiệp hóa chất, công nghiệp thực phẩm, công nghiệp luyện kim, công nghiệp vật liệu xây dựng,
2.1.2.1 Hệ thống pha trộn dầu DO và dầu thực vật
Năng lượng là vấn đề thiết yếu cho sự sống của nhân loại, trong khi các nguồn năng lượng hóa thạch như dầu mỏ, than đá và khí thiên nhiên đang bị khai thác quá mức và dần cạn kiệt Trong bối cảnh này, năng lượng sinh học đã nổi lên như một nguồn năng lượng mới đầy tiềm năng và đang phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây.
Việc kết hợp năng lượng sinh học với các nguồn năng lượng hóa thạch như xăng và dầu nhằm tạo ra sản phẩm mới có hiệu suất cao, tiết kiệm chi phí và thân thiện với môi trường đang trở thành một yêu cầu cấp thiết cho các hệ thống năng lượng hiện nay.
Hình 2.1 Mô hình phối trộn dầu thực vật và dầu DO
2.1.2.2 Hệ thống pha màu a Pha màu sơn
Sơn là nguyên vật liệu quan trọng trong ngành xây dựng, chủ yếu được sử dụng để phủ bề mặt, bảo vệ các đối tượng và đồng thời mang lại giá trị thẩm mỹ Do đó, màu sắc của sơn trở thành yếu tố hàng đầu mà người tiêu dùng quan tâm.
Với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, các ngành công nghiệp kỹ thuật đã có những bước phát triển vượt bậc Nhiều kỹ thuật pha phế sơn mới được áp dụng trong ngành công nghiệp và xây dựng, giúp nâng cao năng suất lao động, giảm giá thành sản phẩm và cải thiện chất lượng sơn.
Hình 2.2 Sơ đồ bình trộn sơn
Sơ đồ chỉ ra ba đường ống dẫn ba màu sơn nguyên liệu, tạo nền tảng cho việc pha trộn màu sơn theo ý muốn Bằng cách áp dụng các công thức pha màu khác nhau, chúng ta có thể sử dụng thêm nhiều loại màu để tạo ra gam màu mong muốn trong ngành công nghiệp nhuộm.
Dáng vẻ và màu sắc của sản phẩm ảnh hưởng mạnh mẽ đến tâm lý người tiêu dùng, quyết định chất lượng và độ bền của sản phẩm, từ đó tác động đến quyết định mua hàng Đặc biệt, khách hàng công nghiệp yêu cầu tất cả sản phẩm cùng loại phải đồng nhất về tiêu chuẩn chất lượng.
Trong một loạt sản phẩm, có 46 màu sắc được yêu cầu phải đồng nhất Sự khác biệt về màu sắc trong cùng một loạt sản phẩm thường bị coi là dấu hiệu của chất lượng kém.
2.1.2.3 Hệ thống pha trộn hóa chất
Ngành hóa trong công nghiệp hiện đại đóng vai trò quan trọng và đang ngày càng được tự động hóa Máy trộn trong lĩnh vực dược phẩm là công nghệ hóa chất phổ biến, với xu hướng nâng cao tính tự động hóa ngày càng mạnh mẽ.
Hình 2.3 Máy trộn hành tinh sử dụng trong ngành dược
Hình 2.4 Mô hình nguyên lý máy trộn
2.1.2.4 Máy phối trộn nước ngọt có gas
Máy pha chế đồ uống được thiết kế để sản xuất các loại nước giải khát, bao gồm nước ngọt có gas Dây chuyền sản xuất hoạt động dựa trên quy trình pha trộn nước, siro và khí CO2, với vỏ máy làm từ thép không gỉ chất lượng cao, đảm bảo tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm.
Máy sử dụng hệ thống cảm biến và PLC để điều khiển áp lực, chiều cao và bề mặt chất lỏng trong bình Khi phát hiện dấu hiệu bất thường, bộ phận cảm biến sẽ ngay lập tức thông báo cho người giám sát để có biện pháp xử lý kịp thời.
Máy trộn được thiết kế với công nghệ hiện đại, đảm bảo chu kỳ trộn đều và chính xác Với cấu trúc chắc chắn và dễ vận hành, máy rất an toàn, phù hợp cho việc trộn nước giải khát có gas trong dây chuyền sản xuất của các doanh nghiệp lớn, vừa và nhỏ.
Hình 2.5 Quy trình công nghệ sản xuất nước ngọt có gas
GIỚI THIỆU THIẾT BỊ TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRẠM TRỘN
PLC S7-300 cấu trúc dạng module gồm các thành phần sau:
- CPU các loại khác nhau: 312IFM, 312C, 313, 313C, 314, 314IFM, 314C, 315, 315-2 DP, 318-2
- Module tín hiệu SM xuất nhập tín hiệu tương đồng/số: SM321, SM322, SM323, SM331, SM332, SM334, SM338, SM374
- Module ghép nối IM: IM360, IM361, IM365
Các module được lắp đặt trên thanh ray, tối đa 8 module SM/FM/CP có thể được kết nối bên phải CPU, tạo thành một rack Chúng liên kết với nhau thông qua bus connector được gắn ở mặt sau của từng module.
Hình 2.8 Module phía sau Siamtic
Các CPU 312IFM, 314IFM, 31xC có tích hợp sẵn một số module mở rộng
- CPU 312IFM, 312C: 10 ngõ vào số địa chỉ I124.0 I124.7, I125.1; 6 ngõ ra số Q124.0 Q124.5
- CPU 313C: 24DI I124.0 I126.7; 16DO Q124.0 Q125.7; 5 ngõ vào tương đồng AI địa chỉ 725 761; 2 ngõ ra AO 752 755
- CPU 314IFM: 20 ngõ vào số I124.0 I126.7; 16DO Q124.0 Q125.5;
16 ngõ ra số Q124.0 Q125.7; 4 ngõ vào tương đồng PIW128, PIW130, PIW132, PIW134; 1 ngõ ra tương đồng PQW128
Các module CPU khác nhau có chức năng khác nhau, vận tốc xử lý lệnh
Hình 2.9 Sơ đồ module CPU
Các vùng nhớ của CPU:
Vùng nhớ chương trình (load memory) là nơi lưu trữ chương trình người dùng, không bao gồm địa chỉ ký hiệu và chú thích, có thể nằm trong RAM, EEPROM, CPU hoặc trên thẻ nhớ.
- Vùng nhớ làm việc (working memory) là RAM, chứa chương trình do vùng nhớ chương trình chuyển qua, chỉ các phần chương trình, ví dụ block header, data block
- Vùng nhớ hệ thống (system memory) phục vụ cho chương trình người dùng, bao gồm timer, counter, vùng nhớ dữ liệu M, bộ nhớ đệm xuất nhập
PLC thực hiện chương trình theo chu kỳ vòng lặp, được gọi là vòng quét Mỗi vòng quét bắt đầu bằng việc đọc dữ liệu từ các cổng vào vùng đệm ảo, sau đó tiến hành thực hiện chương trình.
Chương trình 53 quét được bắt đầu bằng lệnh đầu tiên và kết thúc bằng lệnh MEND, sau đó chuyển sang giai đoạn truyền nội dung bộ đệm ảo tới các cổng Trong quá trình thực hiện lệnh vào/ra, lệnh không tương tác trực tiếp với cổng mà thông qua bộ đếm ảo, do CPU quản lý Khi gặp lệnh vào/ra, hệ thống sẽ tạm dừng mọi công việc khác Nếu sử dụng các chế độ như bộ phận của chương trình, chương trình xử lý ngắt chỉ thực hiện trong vòng quét khi có tín hiệu báo ngắt và có thể xảy ra bất kỳ lúc nào trong vòng quét.
2.2.2 Giới thiệu về cảm biến mức
Cảm biến là thiết bị chuyển đổi các đại lượng vật lý và không điện thành đại lượng điện có thể đo được, đóng vai trò quan trọng trong hệ thống đo lường và điều khiển tự động Trong vài thập kỷ qua, cảm biến đã trở thành thành phần thiết yếu trong kỹ thuật và công nghiệp, đặc biệt trong các ứng dụng đo lường, kiểm tra và tự động hóa Nhờ vào tiến bộ công nghệ, cảm biến ngày càng nhỏ gọn, chức năng cải thiện và phạm vi ứng dụng mở rộng Chúng hiện diện trong nhiều lĩnh vực như hệ thống tự động phức tạp, robot, kiểm tra chất lượng, tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường, cũng như trong giao thông vận tải và sản xuất hàng tiêu dùng.
Việc trang bị kiến thức cơ bản về cảm biến là rất quan trọng đối với các cán bộ kỹ thuật, đặc biệt trong ngành sản xuất ôtô và thực phẩm.
2.2.2.2 Các cảm biến mức thường dùng trong công nghiệp a Bộ điều khiển kiểm tra mức 61F của hãng OMROM
Tự động điều khiển hệ thống cấp thoát nước:
- Thích hợp cho kiểm tra mức của bất kỳ chất lỏng dẫn điện nào
- Có các loại thông dụng và các loại gắn trên bảng panel
- Có bộ chống xung và chống sét cảm ứng
- Nhiều loại để lựa chọn: Loại truyền xa, độ nhạy cao hoặc thấp, loại 2 dây,
- Đèn LED giúp kiểm tra hoạt động nhanh
- Theo tiêu chuẩn EMC/IEC (61F-GP-N/-N8/-GPN-V50)
- Đã được UL/CSA duyệt (51F-GP-N8/-GPN-V50)
Hình 2.10 Điều khiển kiểm tra mức 61F hãng OMRON
Nguyên lý hoạt động của điều khiển mức 61F hãng OMRON:
Khác với các loại kiểm tra mức thông thường sử dụng phao nổi, thiết bị điều khiển mức 61F áp dụng điện cực để phát hiện mức chất lỏng dẫn điện Hình ảnh dưới đây minh họa nguyên lý hoạt động đơn giản của thiết bị này.
Hình 2.11 Khi không có dòng điện giữa E1 và E3
Khi điện cực E1 không tiếp xúc với chất lỏng dẫn điện, mạch điện sẽ hở và không có dòng điện giữa E1 và E3, dẫn đến rơ le X không hoạt động, giữ các tiếp điểm thường đóng ở vị trí b Tuy nhiên, khi chất lỏng chảy vào bể và tiếp xúc với điện cực E1, mạch điện sẽ đóng lại, kích hoạt rơ le X và làm cho các thiết bị điện kết nối với tiếp điểm thường mở ở vị trí a bắt đầu hoạt động.
Hình 2.12 Khi có dòng điện giữa E1 và E3
Bơm được kết nối qua contactor đến các tiếp điểm đầu ra của bộ điều khiển, cho phép bộ điều khiển mức tự động khởi động máy bơm nhằm điều chỉnh mức chất lỏng trong thùng.
Trong thực tế, việc sử dụng chỉ 2 điện cực có thể gây ra gợn sóng trên bề mặt chất lỏng, dẫn đến việc bộ điều khiển khởi động hoạt động không ổn định và làm giảm tuổi thọ của máy bơm và các thiết bị khác Để khắc phục vấn đề này, cần thêm một điện cực nữa, E2, được nối song song với E1, nhằm tạo ra một mạch tự giữ.
Hình 2.13 Khi thêm điện cực E2 nối song song với E1
Khi rơ le mạch giữ hoạt động, tiếp điểm a2 thường mở sẽ đóng lại, tạo thành mạch điện qua chất lỏng và các điện cực Mạch này được duy trì bởi E2 và E3, ngay cả khi mức chất lỏng giảm xuống dưới E1, tiếp điểm a2 vẫn giữ trạng thái đóng.
- Khi mức chất lỏng xuổng dưới E2, mạch tạo ra qua điện cực hở, rơ le X không hoạt động, vì thế tiếp điểm thường đóng của rơ le X đóng lại
Bộ điều khiển mức 61F có ứng dụng đa dạng, không chỉ trong việc điều khiển mức chất lỏng mà còn trong phát hiện rò rỉ, phân biệt kích cỡ vật thể và nhiều bài toán khác.
Cấu hình cơ bản của điều khiển mức 61F hãng OMRON:
- Để sử dụng một điều khiển mức 61F, cần thiết phải có bộ 61F, bộ giữ điện cực và các điện cực
Hình 2.14 Cấu hình cơ bản của điều khiển mức 61F hãng OMRON Ứng dụng điển hình của điều khiển mức 61F hãng OMRON:
- Điều khiển thoát và cấp nước tự động với báo động nước tăng không bình thường
Hình 2.15 Ứng dụng để thoát nước
Hình 2.16 Ứng dụng để cấp nước b Cảm biến tiệm cận loại điện dung phát hiện mức nước của AUTONIC Đặc điểm:
- Có thể phát hiện sắt, kim loại, nhựa, nước, đá, sỏi, gỗ,
- Tuổi thọ dài và độ tin cậy cao Có mạch bảo vệ chống nối ngược cực nguồn, bảo vệ quá áp
- Dễ dàng điều chỉnh khoảng cách phát hiện của cảm biến bằng volume điều chỉnh độ nhạy gắn trên thân cảm biến
- Có thể kiểm tra hoạt động của cảm biến bởi LED chỉ thị hoạt động được gắn trên thân
Hình 2.17 Cảm biến loại điện dung
- Cảm biến tiệm cận loại điện dung có 2 loại chính là loại DC 3 dây và
AC 2 dây Trong đó, mỗi loại này lại được chia thành các loại có đường kính khác nhau và khoảng cách phát hiện khác nhau
Loại 3 dây, nguồn cấp 12 ÷ 24VDC
Loại này có 2 ngõ ra là NPN và PNP
Có 2 loại là Φ18 và Φ30 (Đường kính trục)
Khoảng cách phát hiện: 8 hoặc 15mm
Loại 2 dây, điện áp cấp 100 ÷ 220VAC
Loại này có 2 ngõ ra là thường đóng hoặc thường mở
Có 2 loại là Φ18 và Φ30 (Đường kính trục)
Khoảng cách phát hiện: 8 hoặc 15mm
Sơ đồ ngõ ra điều khiển:
Hình 2.20 Sơ đồ kết nối ngõ ra loại NPN và PNP
Hình 2.21 Sơ đồ kết nối ngõ ra loại AO
61 Ứng dụng của cảm biến tiệm cận loại điện dung trong công nghiệp:
Cảm biến tiệm cận điện dung được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp nhờ vào khả năng phát hiện không chỉ các vật liệu kim loại mà còn nhiều loại vật liệu khác như nước, gỗ, giấy và nhựa.
- Một số ứng dụng của cảm biến tiệm cận loại điện dung:
Phát hiện mức chất lỏng bên trong chai từ bên ngoài
Phát hiện sữa bên trong hộp giấy
Phát hiện vị trí của vật
Hình 2.22 Phát hiện chất lỏng trong chai thuỷ tinh
Hình 2.23 Phát hiện chất lỏng trong chai giấy
Theo yêu cầu điều khiển của trạm trộn, các xí nghiệp hiện đang sử dụng hai loại van điện từ: van dùng khí nén và van dùng thủy lực.
2.2.3.1 Các van khí nén a Các van điều khiển hướng (solenoide)
Các van điều khiển hướng là thiết bị quan trọng trong việc điều chỉnh dòng khí, cho phép khí lưu thông qua các ống dẫn, ngắt các dòng khí khi cần thiết và phóng thích không khí ra môi trường qua cổng thoát.