GIỚI THIỆU VỀ PLC
TỔNG QUAN VỀ PLC
1.1.1 Giới thiệu về PLC (Programmable Logic Control) (Bộ điều khiển logic khả trình)
Hình thành từ nhóm các kỹ sƣ hãng General Motors năm 1968 với ý tưởng ban đầu là thiết kế một bộ điều khiển thoả mãn các yêu cầu sau:
- Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ hiểu
- Dễ dàng sửa chữa thay thế
- Ổn định trong môi trường công nghiệp
Thiết bị điều khiển logic khả trình (PLC - Programmable Logic Control) là thiết bị cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển số một cách linh hoạt thông qua ngôn ngữ lập trình, thay vì sử dụng mạch số để thể hiện thuật toán.
Tương đương một mạch số
PLC là bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ dàng thay đổi thuật toán và giao tiếp hiệu quả với môi trường xung quanh, bao gồm các PLC khác và máy tính Chương trình điều khiển được lưu trữ trong bộ nhớ PLC dưới dạng các khối chương trình như OB, FC hoặc FB, và thực hiện lặp lại theo chu kỳ vòng quét.
Thiết bị điều khiển logic khả trình (PLC) hoạt động như một máy tính, bao gồm bộ vi xử lý (CPU), hệ điều hành, bộ nhớ để lưu trữ chương trình điều khiển và dữ liệu, cùng với các cổng vào/ra để giao tiếp với đối tượng điều khiển và môi trường xung quanh Để thực hiện các bài toán điều khiển số, PLC còn cần các khối chức năng đặc biệt như bộ đếm (Counter), bộ định thì (Timer) và những khối hàm chuyên dụng khác.
Hình 1 2: Hệ thống điều khiển sử dụng PLC
Hình 1.3 : Hệ thống điều khiển dùng PLC
PLC đƣợc phân loại theo 2 cách:
- Hãng sản xuất: Gồm các nhãn hiệu nhƣ Siemen, Omron, Misubishi, Alenbrratly
Ví dụ: PLC Siemen có các họ: S7-200, S7-300, S7-400, Logo
PLC Misubishi có các họ: Fx, Fxo, Fxon
1.1.3 Các bộ điều khiển và phạm vi ứng dụng
Ta có các bộ điều khiển: Vi xử lý, PLC và máy tính
1.1.3.2 Phạm vi ứng dụng a Máy tính
- Dùng trong những chương trình phức tạp đòi hỏi độ chính xác cao
- Có giao diện thân thiện
- Tốc độ xử lý cao
- Có thể lưu trữ với dung lượng lớn b Vi xử lý
- Dùng trong những chương trình có độ phức tạp không cao (vì chỉ xử lý 8 bit)
- Giao diện không thân thiện với người sử dụng
- Tốc độ tính toán không cao
- Không lưu trữ hoặc lưu trữ với dung lượng rất ít c PLC
- Độ phức tạp và tốc độ xử lý không cao
- Giao diện không thân thiện với người sử dụng
- Không lưu trữ hoặc lưu trữ với dung lượng rất ít
- Môi trường làm việc khắc nghiệt
1.1.4 Các lĩnh vực ứng dụng PLC
PLC đƣợc sử dụng khá rộng rãi trong các ngành: Công nghiệp, máy công nghiệp, thiết bị y tế, ôtô (xe hơi, cần cẩu)
1.1.5 Các ƣu điểm khi sử dụng hệ thống điều khiển với PLC
- Không cần đấu dây cho sơ đồ điều khiển logic nhƣ kiểu dùng rơ le
- Có độ mềm dẻo sử dụng rất cao, khi chỉ cần thay đổi chương trình (phần mềm) điều khiển
- Chiếm vị trí không gian nhỏ trong hệ thống
- Nhiều chức năng điều khiển
- Công suất tiêu thụ nhỏ
- Không cần quan tâm nhiều về vấn đề lắp đặt
- Có khả năng mở rộng số lƣợng đầu vào/ra khi nối thêm các khối vào/ra chức năng
- Tạo khả năng mở ra các lĩnh vực áp dụng mới
Nhờ vào những ưu thế vượt trội, PLC hiện đang được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động, giúp nâng cao năng suất sản xuất, cải thiện chất lượng và sự đồng nhất của sản phẩm Việc sử dụng PLC còn tăng hiệu suất làm việc, giảm tiêu thụ năng lượng, đồng thời nâng cao mức độ an toàn và tiện nghi trong lao động Hơn nữa, nó còn góp phần nâng cao tính cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường.
1.1.6 Giới thiệu các ngôn ngữ lập trình
PLC S7-300 hỗ trợ năm ngôn ngữ lập trình cơ bản, phục vụ cho nhiều đối tượng sử dụng khác nhau Các loại PLC thường cung cấp đa dạng ngôn ngữ lập trình để đáp ứng nhu cầu của người dùng.
- Ngôn ngữ “hình thang”, ký hiệu là LAD (Ladder logic) Đây là ngôn ngữ đồ hoạ thích hợp với những người quen thiết kế mạch logic
Ngôn ngữ "liệt kê lệnh" (STL - Statement list) là một loại ngôn ngữ lập trình phổ biến được sử dụng trong máy tính Chương trình được xây dựng từ nhiều câu lệnh theo một thuật toán cụ thể, với mỗi lệnh chiếm một dòng riêng biệt Cấu trúc chung của mỗi lệnh bao gồm "tên lệnh" và "toán hạng".
Ngôn ngữ "hình khối" hay còn gọi là FBD (Function Block Diagram) là một ngôn ngữ đồ họa lý tưởng cho những ai có kinh nghiệm trong việc thiết kế mạch điều khiển số.
Ngôn ngữ GRAPH là một ngôn ngữ lập trình đồ họa cấp cao với cấu trúc chương trình rõ ràng và ngắn gọn Nó rất phù hợp cho những người làm trong ngành cơ khí, đặc biệt là những ai đã quen thuộc với giản đồ Grafcet trong lĩnh vực khí nén.
Hình 1.4 : Ngôn ngữ lập trình GRAPH
Hình 1.5 : Ngôn ngữ lập trình High GRAPH.
CẤU TRÚC PHẦN CỨNG PLC HỌ S7
1.2.1 Các tiêu chuẩn và thông số kỹ thuật họ S7-200
PLC Simentic S7-200 có các thông số kỹ thuật sau: Đặc trƣng cơ bản của các khối vi xử lý CPU212 và CPU214 đƣợc giới thiệu trong bảng:
1.2.2 Các tính năng của PLC S7-200
- Hệ thống điều khiển kiểu Module nhỏ gọn cho các ứng dụng trong phạm vi hẹp
- Có nhiều Module mở rộng
- Có thể mở rộng đến 7 Module
- Bus nối tích hợp trong Module ở mặt sau
- Máy tính trung tâm có thể truy cập đến các Module
- Không quy định rãnh cắm
- Phần mềm điều khiển riêng
- Tích hợp CPU, I/O nguồn cung cấp vào một Module
- Micro PLC với nhiều chức năng tích hợp
Hình 1.7 : Cấu trúc các đầu đấu nối của CPU 214
* Tích hợp CPU, I/O nguồn cung cấp vào một Module, có nhiều loại CPU: CPU212, CPU 214, CPU 215, CPU 216 Hình dáng CPU 214 thông dụng nhất đƣợc mô tả trên (hình 1.6)
* Các Module mở rộng (EM) (Etrnal Modules)
- Module ngõ ra Digital: 24V DC, ngắt điện từ
- Module ngõ vào Analog: áp dòng, điện trở, cấp nhiệt
- Module ngõ ra Analog: áp, dòng
Hình 1.8: Các module đƣợc tích hợp trong CPU 214
* Module liên lạc xử lý (CP) (Communiation Processor)
Module CP242-2 có thể dùng để nối S7-200 làm chủ Module giao tiếp
AS Kết quả là, có đến 248 phần tử nhị phân đƣợc điều khiển bằng 31 Module giao tiếp AS Gia tăng đáng kể số ngõ vào và ngõ ra của S7-200
Bus nối dữ liệu (Bus connector)
* Các đèn báo trên CPU
Các đèn báo trên mặt PLC cho phép xác định trạng thái làm việc hiện hành của PLC:
SF (đèn đỏ): Khi sáng sẽ thông báo hệ thống PLC bị hỏng
RUN (đèn xanh): Khi sáng sẽ thông báo PLC đang làm việc và thực hiện chương trình được nạp vào máy
STOP (đèn vàng): Khi sáng thông báo PLC đang ở chế độ dừng Dừng chương trình đang thực hiện lại
Ix.x (đèn xanh): Thông báo trạng thái tức thời của cộng PLC: Ix.x (x.x 0.0 - 1.5) đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng
Qy.y (đèn xanh): Thông báo trạng thái tức thời của cổng ra PLC: Qy.y(y.y=0.0 - 1.1) đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng
* Công tắc chọn chế độ làm việc của CPU:
Công tắc này có 3 vị trí: RUN - TERM - STOP, cho phép xác lập chế độ làm việc của PLC
Chế độ RUN cho phép LPC hoạt động theo chương trình đã lưu trong bộ nhớ Khi PLC ở chế độ RUN, nếu xảy ra sự cố hoặc lệnh STOP được kích hoạt, PLC sẽ tự động chuyển từ chế độ RUN sang chế độ STOP.
Chế độ STOP trên PLC cho phép người dùng dừng chương trình đang chạy và thực hiện hiệu chỉnh hoặc nạp chương trình mới.
- TERM: Cho phép máy lập trình tự quyết định chế độ làm việc của CPU hoặc ở chế độ RUN hoặc STOP
1.2.4 Giới thiệu cấu tạo phần cứng các KIT thí nghiệm S7-200
- Hệ thống bao gồm các thiết bị:
1 Bộ điều khiển PLC- Station 1200 chứa:
- CPu-214: AC Power Supply, 24VDC Input, 24VDC Output
- Digital Input / Output EM 223: 4x DC24V Input, 4x Relay Output
- Analog Input/ Output EM 235: 3 Analog Input, 1 Analog Output 12 bit
9 Các dây nối với chốt cắm 2 đầu
- Mô tả hoạt động của hệ thống:
1 Các lối vào và lối ra CPU cũng nhƣ của các khối Analog và Digital đƣợc nối ra các chốt cắm
2 Các khối PLC STATION - 1200, ĐV - 804 và PS - 800 sử dụng nguồn 220VAC
3 Khối RELAY - 16 dùng các RELAY 24VDC
4 Khối đèn LL - 16 dùng các đèn 24V
5 Khối AM - 1 dùng các biển trở 10 kilô ôm
Sử dụng dây nối có chốt cắm 2 đầu, tùy thuộc vào từng bài toán cụ thể, để kết nối các lối vào/ra của CPU 214, khối Analog Em235, khối Digital Em222 cùng với đèn, contact, Relay, biến trở và khối chỉ thị DCV Điều này cho phép thiết lập nhiều bài thực tập, giúp người học làm quen với hoạt động của hệ thống PLC và lập trình cho hệ PLC.
Hình 1.9 : Cấu hình vào ra của S7-200 CPU224 AC/DC/Relay
NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH STEP7
Cấu hình phần cứng Để cài đặt STEP7 yêu cầu tối thiểu cấu hình nhƣ sau:
- 80486 hay cao hơn, đề nghị Pentium
- Đĩa cứng trống: Tối thiểu 300MB
- Ram: > 32MB, đề nghị 64MB
- Giao tiếp: CP5611, MPI card hay tiếp hợp PC để lập trình với mạch nhớ
- Hệ điều hành: Windows 95/98/NT
Tại Việt Nam, có nhiều phiên bản của bộ phần mềm STEP7, trong đó phiên bản 4.2 và 5.0 được sử dụng phổ biến nhất Phiên bản 4.2 phù hợp với PC có cấu hình trung bình nhưng yêu cầu phải có bản quyền, trong khi phiên bản 5.0 yêu cầu cấu hình PC mạnh và có thể chạy ở chế độ không cài bản quyền với một số hạn chế.
Hầu hết các đĩa gốc của STEP7 đều hỗ trợ tính năng tự động cài đặt (autorun), cho phép người dùng chỉ cần chèn đĩa và làm theo hướng dẫn Ngoài ra, người dùng cũng có thể khởi động quá trình cài đặt bằng cách chạy chương trình setup.exe có trên đĩa Quá trình cài đặt STEP7 tương tự như cài đặt các phần mềm ứng dụng khác như Windows hay Office.
Tuy nhiên, so với các phần mềm khác thì việc cài đặt STEP7 sẽ có vài điểm khác biệt cần đƣợc giải thích rõ thêm
Để cài đặt phần mềm STEP7, người dùng cần khai báo mã hiệu sản phẩm, được in trên đĩa chứa bộ cài Khi cửa sổ yêu cầu mã hiệu sản phẩm xuất hiện, hãy điền đầy đủ thông tin vào tất cả các mục trong ô cửa sổ để tiếp tục quá trình cài đặt.
Đăng ký bản quyền STEP7 được thực hiện qua một đĩa mềm riêng, thường có màu vàng hoặc đỏ Người dùng có thể cài đặt bản quyền trong quá trình cài đặt phần mềm hoặc sau khi cài đặt xong bằng cách chạy chương trình đăng ký AuthorsW.exe có trên đĩa CD cài đặt.
Chương trình STEP7 hỗ trợ việc ghi chương trình ứng dụng lên thẻ EPROM cho PLC Nếu máy tính của bạn có thiết bị đốt EPROM, hãy thông báo cho STEP7 khi cửa sổ hiển thị trên màn hình xuất hiện.
Chọn giao diện PC/PLC là bước quan trọng để cài đặt chương trình trên PG/PC, hỗ trợ soạn thảo cấu hình phần cứng và chương trình cho PLC Phần mềm STEP7 không chỉ cho phép quan sát quá trình thực hiện chương trình của PLC mà còn yêu cầu tạo bộ giao diện ghép nối giữa PC và PLC để truyền thông tin và dữ liệu Người dùng có thể lựa chọn nhiều loại giao diện khác nhau để kết nối PC và PLC trong cửa sổ cài đặt.
Sau khi chọn bộ giao diện, cần cài đặt tham số làm việc thông qua cửa sổ hiển thị bằng cách chọn mục “Set PG/PC Interface ” Việc đặt tham số làm việc là bước quan trọng để đảm bảo giao diện hoạt động hiệu quả.
Sau khi cài đặt STEP7, biểu tượng phần mềm sẽ xuất hiện trên màn hình desktop và trong menu Start của Windows sẽ có thư mục Simatic chứa tất cả các thành phần liên quan, bao gồm phần mềm trợ giúp, phần mềm cài đặt cấu hình và chế độ làm việc của STEP7.
1.3.2 Trình tự các bước thiết kế chương trình điều khiển
Hình 1.10: Trình tự các bước thiết kế chương trình
1.3.3 Viết chương trình điều khiển
Ta phải xây dựng cấu hình phần cứng khi tạo một project Dữ liệu về cấu hình sẽ đƣợc truyền đến PLC sau đó
1.3.3.2 Cấu trúc cửa sổ lập trình
Hình 1.11: Cấu trúc cửa sổ lập trình
- Bảng khai báo phụ thuộc khối Dùng để khai báo biến và tham số khối
- Phần soạn thảo chứa một chương trình, nó chia thành từng Network Các thông số nhập đƣợc kiểm tra lỗi cú pháp
Nội dung của cửa sổ “Program Element” phụ thuộc vào ngôn ngữ lập trình được chọn Người dùng có thể chèn các phần tử lập trình vào danh sách bằng cách nhấn đúp vào phần tử trong danh sách hoặc sử dụng thao tác nhấn và nhả chuột để thêm các phần tử cần thiết.
* Các Menu công cụ thường dùng
- 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) Xoá 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 loại counter
* Các lệnh chuyển đổi dữ liệu: * Các lệnh so sánh:
Ta phải thiết lập sẵn sàng sự kết nối đến PLC (hình 1.3) để đổ chương trình
Hình 1.12: Sơ đồ đổ chương trình trong CPU 214
1.3.3.4 Giám sát hoạt động của chương trình Để quan sát trạng thái hoạt động hiện thời của PLC ta dùng chức năng kiểm tra và quan sát
Trong chế độ kiểm tra, các phần tử trong LAD/FBD hiển thị với các màu sắc khác nhau, có thể được định dạng thông qua menu Opton -> Customize Để kích hoạt chức năng kiểm tra và quan sát, người dùng chỉ cần nhấp vào biểu tượng kính mắt trên thanh công cụ hoặc truy cập vào menu Debug -> Monitor.
Khi đó trong chương trình có các đặc điểm:
- Trạng thái đƣợc thực hiện có màu xanh lá và liền nét
- Trạng thái không thực hiện có dạng đường đứt nét
* Chú ý: Ở chế độ kiểm tra, sự thay đổi trong chương trình là không thể thực hiện đƣợc
NGHIÊN CỨU VỀ MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN MỨC
TỔNG QUAN VỀ ĐO 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 thiết bị đo và hệ thống 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 đo lường, kiểm tra và điều khiển tự động Nhờ vào tiến bộ khoa học và công nghệ, cảm biến ngày càng nhỏ gọn, chức năng được cải thiện và phạm vi ứng dụng mở rộng Chúng hiện diện trong các hệ thống tự động phức tạp, robot, kiểm tra chất lượng sản phẩm, tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường Ngoài ra, cảm biến cũng được ứng dụng rộng rãi trong giao thông vận tải, sản xuất hàng tiêu dùng, bảo quản thực phẩm và sản xuất ô tô, do đó việc trang bị kiến thức cơ bản về cảm biến là rất cần thiết cho các cán bộ kỹ thuật.
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO CHẤT LƯU
Phương pháp này sử dụng chỉ số đo cảm biến cấp là hàm liên tục, phản ánh chiều cao của lưu chất trong bình chứa Chỉ số này không bị ảnh hưởng bởi tính chất điện của lưu chất, mà chủ yếu phụ thuộc vào khối lượng riêng của nó.
Các hình dưới đây biểu diễn ba cách khác nhau của phương pháp đo thủy tĩnh:
Cảm biến áp suaát vi sai h p 0
Hình 2.1: Cảm biến mức chất lưu theo phương pháp thủy tĩnh
Cách thứ nhất: một phao nổi trên mặt chất lưu được gắn bằng dây
(qua một ròng rọc) với một cảm biến vị trí ( hình 2.1a) Cảm biến vị trí sẽ cho tín hiệu tỷ lệ với mức của lưu chất
Cách thứ hai để thực hiện đo lường là sử dụng một vật hình trụ được nhúng trong lưu chất, với chiều cao của hình trụ phải bằng hoặc lớn hơn mức chất lỏng Hình trụ này được treo trên một cảm biến đo lực, và trong quá trình đo, cảm biến sẽ chịu tác động của một lực F tỷ lệ thuận với chiều cao của chất lỏng.
Công thức F = p - Sh (2-1) diễn tả mối quan hệ giữa trọng lực (p), tiết diện mặt cắt ngang (S) và chiều cao phần ngập trong chất lỏng (h) của hình trụ Trong đó, p là trọng lượng, S là tiết diện, h là chiều cao phần ngập, và khối lượng riêng của chất lỏng được ký hiệu là ρ, với g là gia tốc trọng trường.
Lực đẩy Archimede tác động lên hình trụ được biểu thị qua số hạng Sh trong công thức Tín hiệu từ cảm biến sẽ tương ứng với chiều cao h của chất lỏng còn lại trong bình.
Cách thứ ba: sử dụng cảm biến áp suất vi sai đặt ở đáy bình chứa
(hình 2.1c) Tại đáy bình áp suất đƣợc biểu diễn bởi biểu thức: p = p0 + gh (2-2)
Với p0 là áp suất ở đỉnh của bình chứa gh là áp suất thủy lực tại đáy bình khối lƣợng riêng của chất lỏng g là gia tốc trọng trường
Cảm biến mức là thiết bị trung gian với màng mỏng, một mặt chịu áp suất p và mặt còn lại chịu áp suất p0, dẫn đến biến dạng của màng Biến dạng này tạo ra tín hiệu cơ, được chuyển đổi thành tín hiệu điện tỷ lệ với chiều cao h của chất lỏng trong bình theo phương pháp thủy tĩnh Cảm biến này có độ chính xác cao, có khả năng đo các bình có dung tích lớn và hình dáng đa dạng như bình thẳng đứng, bình nằm ngang hay bình cầu Nó đáp ứng nhanh ngay cả khi bình đang hoạt động, có thể làm việc trong môi trường áp suất, chân không hoặc bình kín, hở.
Trên thị trường hiên nay hãng Uehling Instrument giới thiệu một loại
Hình 2.2: Cảm biến loại THE TANK-O-METER loại”S”
2.2.2 Phương pháp điện. Đây là phương pháp phải sử dụng đến cảm biến đặc thù Các cảm biến này chuyển đổi trực tiếp mức thành tín hiệu điện Tuy thế, yêu cầu đặt ra là đầu đo phải có cấu tạo đơn giản và dễ chế tạo
Cảm biến loại này chỉ dùng cho chất lưu dẫn điện ( ~ 50 Scm -1 ), không có tính ăn mòn và không lẫn thể vẩn cách điện, thí dụ dầu nhờn
Đầu đo bao gồm hai điện cực hình trụ, trong đó nếu bình chứa bằng kim loại thì bình sẽ đóng vai trò là một cực, và chỉ cần thêm một cực hình trụ nữa Để tránh hiện tượng phân cực của các điện cực, đầu đo được cung cấp nguồn điện xoay chiều khoảng 10V.
Trong chế độ đo liên tục, đầu đo được đặt ở vị trí thắng đứng và chiều dài của đầu đo bao trùm toàn bộ dải mức đo Dòng điện giữa các điện cực có biên độ tỷ lệ với chiều dài của điện cực bị ngập trong chất lưu, và độ lớn tín hiệu còn phụ thuộc vào độ dẫn của chất lưu.
Trong chế độ phát hiện theo ngưỡng, điện cực được đặt theo phương nằm ngang với chiều dài ngắn, giúp duy trì dòng điện I có biên độ ổn định Vị trí của mỗi điện cực ảnh hưởng đến hiệu suất phát hiện, với các thông số h_min, h_max và a) b) c) cần được xem xét kỹ lưỡng.
Hình 2.3: Cảm biến đo dẫn đo mức chất lưu a) sơ đồ hai điện cực b) sơ đồ một điện cực c) phát hiện theo mức
Chất lỏng có thể hoạt động như chất cách điện và tạo tụ điện khi được đặt giữa hai điện cực hình trụ hoặc một điện cực kết hợp với thành bình kim loại Trong trường hợp này, chất điện môi giữa hai điện cực bao gồm chất lỏng ở phần ngập và không khí ở phần khô.
Việc đo mức lưu chất được thực hiện thông qua việc đo điện dung của tụ điện, với điện dung thay đổi theo mức chất lưu trong bình chứa Để áp dụng phương pháp này, hằng số điện môi của chất lưu cần phải lớn hơn hằng số điện môi của không khí, thường là gấp đôi.
Trong thiết bị đo mức, sự phụ thuộc điện dung của phần tử nhạy cảm là yếu tố chính của bộ chuyển đổi chất lỏng Phần tử nhạy cảm điện dung có thể được thiết kế dưới dạng các điện cực hình trụ tròn đồng trục hoặc các điện cực phẳng song song Cấu tạo của các phần tử thụ cảm điện dung được xác định dựa trên tính chất hóa lý của chất lỏng Đối với các chất lỏng có điện dẫn suất nhỏ hơn 10 -6 simen/m, sơ đồ của các phần tử chỉ thị sẽ tương ứng như hình 2.4.
Hình 2.4: Cảm biến đo mức chất lỏng cách điện
Phần tử thụ cảm bao gồm hai điện cực đồng trục được đặt trong một chất lỏng có chiều cao h, trong khi không gian phía trên chứa hỗn hợp hơi khí Để giữ cố định vị trí của các điện cực, người ta sử dụng chất cách điện Điện dung của tụ điện hình trụ được xác định bằng phương trình liên quan đến hằng số của điện môi giữa hai điện cực.
0 – hằng số điện môi của chân không
D,d – đường kính ngoài và trong của điện cực Đối với tụ điện hình trụ tròn hình 2.4a có hằng số điện môi khác nhau, điện dung của tụ là:
C= C0+C1+C2 (2-4) Ở đây C 0 – điện dung của cách điện xuyên qua nắp
C1 – điện dung giữa hai điện cực có chứa chất lỏng
C2 – điện dung của không gian có chứa hơi và khí
Nếu tính giá trị của C theo (2-4) thì: d D h
Vì rằng đối với hơi và khí r =1, còn C0= hằng số nên:
Phương trình (2-5) mô tả đặc tính tĩnh của phần tử nhạy điện dung trong môi trường cách điện, với giá trị L phụ thuộc vào nhiệt độ Để loại trừ ảnh hưởng của nhiệt độ chất lỏng lên kết quả đo, người ta sử dụng một tụ bù (hình 2.4c) được đặt dưới phần tử thụ cảm và hoàn toàn chìm trong chất lỏng Trong một số trường hợp, khi chất lỏng đã ổn định, tụ bù có thể được thay thế bằng một tụ cố định.
Trong trường hợp chất lưu dẫn điện, chỉ cần một điện cực bên ngoài có lớp phủ vật liệu cách điện, lớp phủ này hoạt động như điện môi của tụ điện, trong khi điện cực thứ hai là lưu chất Để đo mức các chất lỏng dẫn điện có điện dẫn suất lớn hơn 10^-4 siemen/m, người ta sử dụng phần tử thụ cảm có cách điện bên ngoài, với các điện cực kim loại được phủ cách điện và ngâm trong chất lỏng Điện cực thứ hai có thể là thành bể chứa (nếu bằng kim loại) hoặc một điện cực riêng Điện dung toàn phần của phần tử nhạy cảm được tính toán dựa trên cấu trúc này.
C (2-7) Ở đây C 0 – điện dung của cách điện xuyên qua nắp
C1 – điện dung của điện cực 1 và bề mặt chất lỏng trên giới hạn có cách điện
C 2 – điện dung của tụ điện tạo bởi bề mặt chất lỏng trên mặt giới hạn cách điện cà thành bể
Thiết bị chuyển đổi phần tử thụ cảm điện dung thành tín hiệu điện là cầu đo Cấp chính xác của dụng cụ đo mức là 0,5; 1,0; 2,5
MỘT SỐ CẢM BIẾN MỨC THƯỜNG DÙNG TRONG CÔNG NGHIỆP
2.3.1 Bộ điều khiển kiểm tra mức 61F của OMRON
Tự động điều khiển hệ thống cấp thoát nước:
Thích hợp cho kiểm tra mức của bất kì chất lỏng dẫn điện nào
Có bộ chống xung và chống sét cảm ứng
Nhiều loại để lựa chọn: Loại truyền xa, độ nhạy cao hoặc thấp… Đèn led giúp kiểm tra hoạt động dễ dàng
Hình 2.7: Bộ điều khiển kiểm tra mức 61F
Cấu hình cơ bản của điều khiển mức 61F: Để sử dụng điều khiển mức 61F, cần phải có bộ điều khiển 61F, bộ giữ điện cực và các điện cực
Hình 2.8: Cấu hình cơ bản
Hình 2.9: Kết nối của 61F Ứng dụng của 61F: Điều khiển thoát và cấp nước tự động với báo động nước tăng không bình thường
Hình 2.10: Ứng dụng để thoát nước
Hình 2.11: Ứng dụng để cấp nước
2.3.2 Cảm biến tiệm cận loại điện dung phát hiện mức nước cuả AUTONIC a 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 ngƣợc 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 đƣợc gắn trên thân b Phân loại
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 1
Hình 2.12: Cảm biến loại điện dung
* 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
Hình 2.14: Loại AC 2 dây c Sơ đồ ngõ ra điều khiển
Hình 2.15: Sơ đồ kết nối ngõ ra loại NPN và PNP
Loại AC_2 dây: d 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 khả năng phát hiện nhiều loại vật liệu khác nhau Ngoài việc nhận diện các vật có từ tính như kim loại, cảm biến này còn có thể phát hiện nước, gỗ, giấy và nhựa, mang lại tính linh hoạt cao trong các ứng dụng công nghiệp.
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 2.17: Phát hiện chất lỏng trong chai thuỷ tinh
THIẾT KẾ HỆ THỐNG BƠM VÀ TRỘN DUNG DỊCH
ĐẶT VẤN ĐỀ
Qua 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…
Quá trình khuấy trộn diễn ra trong các bình ống chứa chất lỏng, tại các bơm vận chuyển và trong các thiết bị khuấy trộn Những thiết bị này hoạt động nhờ năng lượng cơ học được cung cấp bởi động cơ hoặc khí nén, đảm bảo hiệu quả trong việc khuấy trộn chất lỏng.
Quá trình khuấy trộn cơ học nhằm mục đích:
Tạo ra các hệ đồng chất từ các hệ thể tích lỏng - lỏng, lỏng - khí, lỏng - rắn có tính chất thành phần khác nhau
Tăng cường trao đổi nhiệt
Tăng cường quá trình trao đổi chất bao gồm chuyển đổi khối và các quá trình hóa học Để xây dựng một hệ thống hoạt động thông minh, hiệu quả và tối ưu không phải là điều dễ dàng Trong đồ án này, nhiệm vụ của tôi là thiết kế mô hình hệ thống bình trộn tự động.
1 Thiết kế cảm biến có khả năng phát hiện mức
2 Thiết kế mạch nguồn ổn áp một chiều cung cấp cho động cơ bơm, động cơ trộn và hệ thống cảm biến mức
3 Thiết kế hệ thống điều khiển lập trình điều khiển hệ thống bằng PLC S7-200
MÔ TẢ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG
Hệ thống bình trộn tự động được điều khiển thông qua hai nút Start và Stop, cho phép người dùng kích hoạt hoặc dừng hệ thống một cách linh hoạt vào bất kỳ thời điểm nào.
Khi ấn Start khởi động hệ thống thì D1 bắt đầu bơm dung dịch từ bình B1 vào BT
Trường hợp nếu khởi động hệ thống mà không có dung dịch ở bình chứa dung dịch B1 hoặc B2 thì không bơm nào hoạt động
Khi nhấn nút Start để khởi động hệ thống, bơm D1 sẽ bắt đầu bơm dung dịch từ bình B1 vào bình BT Mức dung dịch trong bình BT sẽ tăng dần, và khi đạt đến mức E2, tín hiệu báo sẽ được kích hoạt Bơm D1 vẫn tiếp tục hoạt động trong khi tín hiệu E2 điều khiển để khởi động bơm D2.
Sau khi dung dịch đạt mức E3, hệ thống điều khiển khởi động động cơ D4 để trộn dung dịch, trong khi D1 và D2 tiếp tục bơm Khi mức dung dịch đạt E4, D1 và D2 dừng lại, nhưng động cơ D4 vẫn tiếp tục trộn thêm 5 giây Sau đó, hệ thống kích hoạt động cơ bơm D3 để bơm dung dịch từ bình BT ra ngoài vào hai bình B1 và B2 Khi mức dung dịch trong bình BT giảm xuống E5, hệ thống sẽ dừng động cơ bơm D3 và khởi động lại động cơ D1, tiếp tục chu trình.
Khi nhấn nút Stop, hệ thống có thể dừng bất cứ vị trí nào để kiểm tra cũng nhƣ lúc xảy ra sự cố.
THIẾT KẾ MẠCH KIỂM TRA MỨC TRONG MÔ HÌNH
Qua việc tìm hiểu nguyên lý hoạt động và ứng dụng của bộ điều khiển 61F của OMRON và cảm biến tiệm cận điện dung của AUTONIC, tôi nhận thấy rằng nguyên lý hoạt động không quá phức tạp nhưng giá thành lại cao Dựa trên điều này, tôi đã nghiên cứu và chế tạo mạch cảm biến mức nước, và qua thực nghiệm, cảm biến này đã hoạt động ổn định, có khả năng thay thế các cảm biến công nghiệp với chi phí thấp hơn nhiều Sơ đồ thiết kế được trình bày trong hình 3.2.
Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của cảm biến mức Đặc điểm:
* Có thể phát hiện mức chất lỏng
* Chống nối ngƣợc cực nguồn
* Dễ dàng thay đổi đƣợc các mức cần phát hiện
* Kiểm tra tình trạng hoạt động của các mức nhờ led hiển thị
3.3.2 Thuyết minh nguyên lý hoạt động của sơ đồ
Chân COM được cấp điện áp 12V DC, khi mức dung dịch đạt E1, dòng điện vào chân B của transistor T1 C828 khiến transistor T1 dẫn, cho phép dòng chảy qua rơle RL1, đóng tiếp điểm và gửi tín hiệu vào đầu vào PLC I0.2 Khi dung dịch lên đến mức E2, transistor T2 kích hoạt rơle RL2, đóng tiếp điểm và truyền tín hiệu vào PLC I0.3 Tương tự, khi dung dịch đạt mức E3, transistor T3 kích hoạt rơle RL3, đóng tiếp điểm và gửi tín hiệu vào PLC I0.4.
Cách tính chọn điện trở qua transister C828, U be = 5V I ce =0.5mA từ đó tính ra đƣợc điện trở R phải dùng 1k ohm
3.3.3 Sơ đồ mạch in và bố trí linh kiện
Hình 3.3: Sơ đồ mạch in và bố trí linh kiện
Nguyên lý hoạt động của cảm biến mức nhƣ sau:
Khi cấp điện 12VDC vào cuộn hút của rơle, rơle không hoạt động ngay lập tức do transistor C828 chưa dẫn Transistor chỉ dẫn khi chân COM kết nối với một trong các chân E2, E3, E4, từ đó kích hoạt các rơle RL1, RL2, RL3 Cụ thể, khi chân COM nối với chân E1, chân B của transistor C828 nhận nguồn điện từ điện trở, tạo dòng điện qua cuộn hút của rơle RL1, khiến RL1 hoạt động và đóng tiếp điểm thường mở để đưa tín hiệu vào PLC Để đáp ứng yêu cầu về mức khác nhau, các điện cực được chế tạo từ Inox hoặc đồng, có thể điều chỉnh độ dài và ít bị oxi hóa trong môi trường làm việc.
* Dễ dàng thay đổi mức
* Điện cực không bị ôxi hoá bởi môi trường hoạt động
* Thiết kế chƣa đƣợc thẩm mỹ
* Mạch in bị oxy hoá
* Dòng qua rơle hút chƣa đƣợc chắc chắn.
THIẾT KẾ BỘ NGUỒN MỘT CHIỀU CHO HỆ THỐNG
Để vận hành động cơ trộn nhiên liệu và cảm biến mức trong mô hình, cần sử dụng nguồn điện ổn định với điện áp 24VDC và 12VDC Do đó, một bộ nguồn cung cấp điện áp 24VDC và 12VDC là cần thiết để đảm bảo hoạt động hiệu quả cho cả động cơ và cảm biến mức.
Sơ đồ nguyên lý khối nguồn một chiều:
Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn một chiều
Sơ đồ chân IC LM7812
Hình 3.5: Sơ đồ chân IC LM7812
Chân số 1: Là chân nhận điện áp một chiều đầu vào, điện áp một chiều này phải lớn hơn hoặc bằng điện áp đầu ra của IC
Chân số 2: Đƣợc nối với GND
Chân số 3: Là chân xuất điện áp ra một chiều đã đƣợc ổn áp
IC ổn áp 78xx là IC ổn định điện áp dương:
78_ tạo ra điện áp dương
Ví dụ: IC 7812 tạo ra điện áp +12VDC
Chức năng các phần tử trong sơ đồ:
BA: Biến áp nguồn có chức năng tạo ra điện áp thích hợp cấp cho mạch chỉnh lưu
CL: Cầu chỉnh lưu có tác dụng chỉnh lưu điện áp xoay chiều ra điện áp một chiều cấp cho mạch điều khiển
C1, C3, C4: Tụ một chiều có tác dụng lọc điện áp một chiều sau cầu chỉnh lưu để tạo ra điện áp một chiều bằng phẳng hơn
C2: Tụ xoay chiều có tác dụng lọc thành phần sóng bậc cao
IC7824: có tác dụng ổn áp tạo ra điện áp chuẩn 24VDC
IC7812: có tác dụng ổn áp tạo ra điện áp chuẩn 12VDC
Mạch nguồn ổn áp hoạt động bằng cách giảm điện áp 220VAC xuống 20VAC qua biến áp, sau đó chuyển đổi thành điện áp một chiều UCL thông qua cầu chỉnh lưu, với giá trị UCL khoảng 28VDC Điện áp này được cung cấp vào đầu vào của IC7824, và đầu ra của IC7824 tiếp tục được đưa vào đầu vào của IC7812.
Sơ đồ mạch in và bố trí linh kiện:
Hình 3.6: Sơ đồ mạch in và bố trí linh kiện của khối nguồn.
MẠCH ĐIỀU KHIỂN CÁC ĐỘNG CƠ CỦA HỆ THỐNG BÌNH TRỘN50 3.6 THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN NẠP VÀO PCL S7-200 ĐỂ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG
Hình 3.7: Sơ đồ mạch tổng quát hệ thống bình trộn
Hình 3.8: Sơ đồ mạch điều khiển
3.6 THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN NẠP VÀO PCL S7-
200 ĐỂ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG
3.6.1 Phân công các tín hiệu vào ra của PLC a) Các tín hiệu vào
Nút Start: dùng để khởi động hệ thống
Nút Stop: dùng để dừng hệ thống
Các cảm biến mức E1, E2, E3, E4, E5, E6 cung cấp tín hiệu đầu ra cho các thiết bị chấp hành Động cơ D1 và D2, mỗi động cơ có công suất 5W và tốc độ 500 vòng/phút, được điều khiển bởi rơle R1 và R2 Động cơ D3 có công suất 15W và tốc độ 1200 vòng/phút, được điều khiển bởi rơle R3 Cuối cùng, động cơ D4 có công suất 3W và tốc độ 300 vòng/phút, được điều khiển bởi rơle R4.
Các rơ le RL1, RL2, RL3… điện áp hút 12VDC, dòng tiếp điểm 5A Các rơle R1, R2, R3, R4 điện áp hút 24VDC, dòng tiếp điểm 5A
3.6.2 Phân công biến vào ra ở bảng 1 và bảng 2.
I0.0 Start _ Bắt đầu hoạt động
I0.1 Stop_ Dừng hệ thống để kiểm tra I0.2 Mức nước thấp E2
3.6.3 Lưu đồ thuật toán của chương trình điều khiển.
3.6.4 Chương trình phần mềm trong PLC.