Bài giảng Hệ thống đo và điều khiển công nghiệp - Chương 2: Các thiết bị đo lường và chấp hành trong công nghiệp

ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN CÔNG NGHIỆP 1 3/11/2021 BÀI GIẢNG Nguyễn Thị Huế Bộ môn Kĩ thuật đo và Tin học công nghiệp TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 2 3/11/2021 NỘI DUNG MÔN HỌC 1 2 5 Giới thiệu chung và lịch sử phát triển của các hệ thống đo và điều khiển công nghiệp Cơ sở kĩ thuật truyền tin công nghiệp Các thiết bị đo lường và chấp hành trong công nghiệp 3 4 7 Các bộ điều khiển khả trình Các thiết bị giám sát trong công nghiệp Một số hệ thống công nghiệp thực tế 6 Các giao thức công nghiệp tiêu biểu NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 3 3/11/2021 Hệ thống trong công nghiệp NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 4 3/11/2021 2.1.1. Thiết bị đo trong hệ thống tự động 5 3/11/2021 NỘI DUNG CHƯƠNG 2 2.1 Các thiết bị đo lường trong công nghiệp 2.2. Các thiết bị chấp hành trong công nghiệp Các thiết bị đo lường và chấp hành trong công nghiệp 2 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 6 3/11/2021 Tổng quan chung về thiết bị đo trong hệ thống tự động  Nhìn chung các thiết bị đo hiện trường có thể giao tiếp với trung tâm xử lí thông qua các chuẩn truyền số hoặc tương tự 4-20 mA hoặc các NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 7 3/11/2021 Thiết bị đo trong hệ thống tự động giao thức số như profibus, CAN, modbus hoặc giao thức lai là HART protocol.  Đặc tính của thiết bị đo  Cảm biến  Các bộ tranmister  Hiệu chuẩn thiết bị trong công nghiệp NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 8 3/11/2021 Thiết bị đo trong hệ thống tự động  Độ nhạy của thiết bị đo (S)  Khoảng đo Dx = Xmax - Xmin  Ngưỡng nhạy  Khả năng phân ly của thiết bị đo ,  Mở rộng thang đo của thiết bị đo  Độ chính xác của thiết bị đo (sai số)  Thời gian đo của thiết bị  Tổn hao công suất của thiết bị  Cấp chính xác của thiết bị đo.  ... 9 3/11/2021 Tổng quan chung về thiết bị đo trong hệ thống tự động x xR xN NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp Đặc tính của thiết bị đo  Phạm vi đo (range) là sự xác lập các giá trị, qua đó việc đo có thể được thực hiện mà không làm ảnh hưởng đến độ nhạy của thiết bị đo.  Span của thiết bị đo là khoảng cách (hoặc sự chênh lệch) giữa giá trị giới hạn trên và giá trị giới hạn dưới của thang đo ứng dụng  Tín hiệu vào (input range) là tín hiệu tương ứng với giá trị thực cần đo nằm trong span của dải đo .  Tín hiệu ra (output signal) của một transmitter điện tử điển hình là 4 – 20mA tương ứng với 0% - 100% phạm vi đo tín hiệu vào. NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 10 3/11/2021 Phạm vi đo và Span của tín hiệu vào, tín hiệu ra  Khi xem xét dụng cụ đo từ độ chính xác và độ không đảm bảo đo thường bị nhầm lẫn, song chúng là hai khái niệm khác nhau, nhất là đối với thế giới dụng cụ đo hiện đại ngày nay. Trong phạm trù đo lường:  Độ chính xác: thường được biểu thị theo phần trăm toàn dải hoặc giá trị đo và nó cho biết con số khác nhau giữa giá trị đo và giá trị thật. Điểm yếu ĐCX là người ta không thể biết giá trị thật là bao nhiêu.  Độ không đảm bảo đo: thường được biểu diễn là một khoảng giá trị đo được mà giá trị thật tồn tại trong nó với một xác xuất nhất định. NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 11 3/11/2021 ĐỘ CHÍNH XÁC VÀ ĐỘ KHÔNG ĐẢM BẢO ĐO  Thiết bị đo áp  Thiết bị đo dòng điện  Thiết bị đo công suất  Thiết bị đo năng lượng  Thiết bị đo thông số mạch điện  Thiết bị đo tần số  Thiết bị đo Cos(phi) 12 3/11/2021 Các thiết bị đo các đại lượng điện NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp  Đo nhiệt độ  Đo áp suất  Đo lưu lượng  Đo vân tốc  Đo mức  Đo khoảng cách  .... NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 13 3/11/2021 Các thiết bị đo các đại lượng không điện  Qua các thời kỳ phát triển, thiết bị đo các đại lượng không điện hiện đại được xây dựng trên cơ sở vi xử lý (micro processor based) và bắt đầu chuyển sang giai đoạn xây dựng trên cơ sở vi hệ thống (micro system based). 14 3/11/2021 Các thiết bị đo các đại lượng không điện NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp  Tổng quan về transmitter NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 15 3/11/2021 Tổng quan chung về thiết bị đo trong hệ thống tự động  Analog Transmitters  Tín hiệu analog thuần túy (Pure Analog Signal)  4-20 mA or 1-5V or 3-15 psi pneumatic signal (khí nén)  Smart Transmitters  Giao tiếp kỹ thuật số (tín hiệu chẩn đoán - diagnostic signal) được chồng lên tín hiệu tương tự (4-20 mA or 1-5V)  Protocol Transmitters  Modbus  Profibus  NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 16 3/11/2021 Tổng quan về transmitter  Analog Transmitters NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 17 3/11/2021 Tổng quan chung về thiết bị đo trong hệ thống tự động  Smart Transmitters NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 18 3/11/2021 Tổng quan chung về thiết bị đo trong hệ thống tự động Hiệu chuẩn (Calibration) Tập hợp các thao tác trong điều kiện quy định để thiết lập mối quan hệ giữa các giá trị được chỉ bởi PTĐ, hệ thống đo hoặc giá trị được thể hiện bằng vật đọ hoặc mẫu chuẩn và các giá trị tương ứng thể hiện bằng chuẩn. NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 19 3/11/2021 Tổng quan chung về thiết bị đo trong hệ thống tự động Kiểm định (Verification) Là việc xác định và chứng nhận đối với PTĐ đáp ứng đầy đủ các yêu cầu quy định do tổ chức có thẩm quyền hoặc được uỷ quyền kiểm định thực hiện. Nhận xét - Về bản chất kỹ thuật - Về pháp lý + Hiệu chuẩn: tự nguyện + Kiểm định bắt buộc - NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 20 3/11/2021 Tổng quan chung về thiết bị đo trong hệ thống tự động  Hiệu chuẩn, hiệu chỉnh thiết bị đo giúp cho việc đảm bảo quá trình công nghệ vận hành an toàn trong phạm vi kỹ thuật cho phép và tạo ra sản phẩm có chất lượng.  Hiệu chuẩn, hiệu chỉnh là đo và so sánh độ chính xác các giá trị tín hiệu vào và tín hiệu ra với một chuẩn đã biết. Qua sự diễn dải, phân tích các kết quả của việc so sánh, các sai lệch của thiết bị đo có thể được xác định và được hiệu chỉnh  Hiệu chuẩn, hiệu chỉnh dựa theo phép đo của quá trình thực tế, là thao tác được sử dụng để điều chỉnh một thiết bị đo sao cho độ chính xác của nó nằm trong mô tả kỹ thuật của nhà chế tạo NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 21 3/11/2021 Hiệu chuẩn (Calibration)  Hiệu chuẩn phương tiện đo  Hiệu chuẩn là hoạt động cần thiết mang tính tự nguyện của cơ sở sản xuất kinh doanh, nghiên cứu để đánh giá được tình trạng phương tiện đo trong quá trình bảo quản sử dụng nhằm đảm bảo độ chính xác phù hợp với yêu cầu sản xuất kinh doanh, nghiên cứu của cơ sở  Kiểm định là biện pháp quản lý của Nhà nước đối với phương tiện đo, mang tính bắt buộc, được Nhà nước quy định bằng luật pháp NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 22 3/11/2021 Hiệu chuẩn (Calibration) Hiệu Chuẩn, Hiệu Chỉnh là so sánh các giá trị vào ra của thiết bị đo với chuẩn đã biết để đánh giá độ chính xác và có thể chỉnh lại Vận hành thành công một quá trình phụ thuộc vào độ chính xác và đặc tính của từng thiết bị đo trong mạch điều khiển Hiệu Chuẩn, Hiệu Chỉnh thiết bị giúp cho quá trình công nghệ vận hành an toàn trong phạm vi kỹ thuật cho phép NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 23 3/11/2021 Ý NGHĨA CỦA HIỆU CHUẨN HIỆU CHỈNH Hiệu chuẩn, hiệu chỉnh thiết bị đo lường có thể cần thiết khi thay đổi các thông số của quá trình công nghệ hoặc thay đổi thiết bị. Thường xuyên yêu cầu hiệu chuẩn, hiệu chỉnh theo định kỳ để ngăn ngừa các vấn đề trước khi xảy ra hư hỏng Hiệu chuẩn phải được xem là một hoạt động bình thường và cần thiết của mọi cơ sở sản xuất, kinh doanh, để phù hợp với mục tiêu kinh doanh, nghiên cứu của mình. NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 24 3/11/2021 Ý NGHĨA CỦA HIỆU CHUẨN HIỆU CHỈNH  Các thiết bị đo có thể được yêu cầu cân chỉnh lại vì một số lý do  Sau một thời gian vận hành  Trôi các thông số của quá trình công nghệ  Vật liệu và điều kiện môi trường có thể bị thay đổi NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 25 3/11/2021 TẦM QUAN TRỌNG CỦA HIỆU CHUẨN HIỆU  Do đó việc hiệu chuẩn, hiệu chỉnh lại thiết bị đo lường trong hệ thống điều khiển là cần thiết. Việc hiệu chuẩn, hiệu chỉnh thường được thực hiện trong quá trình shutdown nhà máy.  Các thiết bị đo sau khi được sửa chữa và trước khi đưa chúng vào làm việc trở lại cần phải được hiệu chuẩn, hiệu chỉnh.  Các thiết bị đo sau khi hoạt động thường xuyên lâu dài cần phải được hiệu chuẩn, hiệu chỉnh theo chu kỳ: 03 tháng, 06 tháng, 12 tháng NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 26 3/11/2021 TẦM QUAN TRỌNG CỦA HIỆU CHUẨN HIỆU  Độ lệch zero là trường hợp tín hiệu ngõ ra của thiết bị đo cao hơn hoặc thấp hơn giá trị mong đợi khi tín hiệu vào nằm trong dải đo của nó.  Để kiểm tra độ lệch zero, người ta sử dụng một thiết bị thiết bị hiệu chuẩn (calibrator). Thiết bị này cung cấp một tín hiệu vào đã biết và tin cậy cho thiết bị đo cần kiểm tra.  Phương thức kiểm tra là calibrator sẽ tạo ra tín hiệu chuẩn ở 5 điểm.  Kiểm tra 5 điểm là quá trình kiểm tra đơn giản các giá trị output tương tứng với các giá trị input theo 5 điểm đọc theo thang đo NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 27 3/11/2021 NHẬN BIẾT ĐỘ LỆCH ZERO VÀ SAI LỆCH SPAN  Một bảng ghi số liệu hiệu chuẩn, hiệu chỉnh điển hình được trình bày dưới đây, nó được sử dụng để ghi các số liệu được tạo ra trong quá trình thử thiết bị đo. Bởi vì sai lệch zero được quan tâm qua toàn bộ thang đo của thiết bị đo, do đó sai lệch zero có thể được dò dễ dàng nhờ việc sử dụng bảng số liệu này NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 28 3/11/2021 NHẬN BIẾT ĐỘ LỆCH ZERO VÀ SAI LỆCH SPAN  Calibration NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 29 3/11/2021 NHẬN BIẾT ĐỘ LỆCH ZERO VÀ SAI LỆCH SPAN  LỆCH ZERO NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 30 3/11/2021 NHẬN BIẾT ĐỘ LỆCH ZERO VÀ SAI LỆCH SPAN  LỆCH SPAN  Hiệu chỉnh thiết bị áp suất NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 31 3/11/2021 Một sô mạch hiểu chỉnh thiết bị  Hiệu chuẩn thiết bị đo nhiệt độ NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 32 3/11/2021 Một sô mạch hiểu chỉnh thiết bị  What is an Instrument Calibrator? https://www.youtube.com/watch?v=dzQYv2m6ApA  What is Sensor Calibration and Why is it Important? https://www.youtube.com/watch?v=n_lZCIA25aI  DP Flow Transmitter Testing and Recalibration https://www.youtube.com/watch?v=4MzFQtQOl3c NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 33 3/11/2021 Một sô mạch hiểu chỉnh thiết bị NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 34 3/11/2021 Một số cảm biến công nghiệp thường gặp  Đo tiếp xúc  Đo bằng nhiệt điện trở (Pt100. Pt1000, N, W, ...)  Đo bằng cặp nhiệt ngẫu (K, E, J,...)  ......  Đo không tiếp xúc  Đo bằng phương pháp hỏa quang kế  Đo bằng hồng ngoại  ...... 35 3/11/2021 Đo nhiệt độ NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp Nhiệt ngẫu (can nhiệt) ET = KT (tnóng - ttự do) = KT tnóng – KT ttự do  ET: sức điện động nhiệt ngẫu  KT: độ nhạy của cặp nhiệt (µV/ 0C)  tnóng: nhiệt độ đầu nóng (nhiệt độ cần đo)  ttự do: nhiệt độ đầu tự do 36 3/11/2021 Đo nhiệt độ 0 2 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp  Ta phải chỉnh KT thế nào để cho 0 0C ứng với 4 mA và nhiệt độ định mức ứng với 20 mA. Muốn thế ta phải khuếch đại và phải bố trí để có thể định hệ số khuếch đại ứng với các KT mong muốn. 37 3/11/2021 Transmitter nhiệt ngẫu Sơ đồ nguyên lý của transmitter nhiệt ngẫu 7MC1932 của Siemens NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp  Nhiệt kế nhiệt điện trở thường dùng trong công nghiệp, thường được chế tạo bằng Pt, dây đồng, dây Ni và có ký hiệu là: Pt- 100, Cu-100, Ni-100  Quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ cho bởi: 38 3/11/2021 Nhiệt kế nhiệt điện trở  α.t1RR 0t  NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 1- Nhiệt điện trở 2- Modul vào 3- Dòng cung cấp (hằng) 4- Khuếch đại điện áp một chiều 5- Modul ra 6- Điều chỉnh điện áp 39 3/11/2021 Transmitter nhiệt điện trở Sơ đồ nguyên lý của transmitter nhiệt điện trở; (b) Transmitter nhiệt điện trở 7MC2932 của Siemens NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp  Để tránh ảnh hưởng của điện trở đường dây ta phải bố trí để có thể lắp sơ đồ 2 dây, 3 dây, 4 dây.  Điện áp nhiệt điện trở đưa qua A/D biến thành số. Vi xử lý tính toán ra nhiệt độ, sau đó qua D/A thành dòng điện ra 4-20 mA ứng với khoảng đo của nhiệt độ vào. Vi xử lý còn làm nhiệm vụ tuyến tính hóa nhiệt kế. 40 3/11/2021 Transmitter nhiệt điện trở NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp  TDY NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 41 3/11/2021 Một số Transmitter nhiệt độ trong công nghiệp  Tranmitter kết nối theo giao thức MODBUS NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 42 3/11/2021 Một số Transmitter nhiệt độ trong công nghiệp  Tranmitter TMZ NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 43 3/11/2021 Một số Transmitter nhiệt độ trong công nghiệp 44 3/11/2021 Một số Transmitter nhiệt độ trong công nghiệp NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 45 3/11/2021 Một số Transmitter nhiệt độ trong công nghiệp NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 46 3/11/2021 Một số Transmitter nhiệt độ trong công nghiệp  Như trên ta đã thấy thì hiện nay có rất nhiều loại cảm biến đo nhiệt độ khác nhau, và việc lựa chọn chúng phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: độ chính xác, khoảng nhiệt, tốc độ phản ứng, môi trường (hóa học, vật lý, hay điện) và giá thành.  Việc lựa chọn cảm biến không hề dễ dàng, cách an toàn và hay được sử dụng nhất là lựa chọn theo ngành nghề bởi thông thường, mỗi loại cảm biến được thiết kế để phục vụ cho một chuyên ngành riêng. NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 47 3/11/2021 Đo nhiệt độ  Dưới dây là các yêu cầu đặt ra khi lựa chọn 1 loại cảm biến nhiệt và Bảng tổng hợp kinh nghiệm lựa chọn cảm biến nhiệt dựa theo các ngành nghề khác nhau: - Độ chính xác - Sự linh hoạt, có thể lắp ráp dễ dàng - Giới hạn khoảng nhiệt cần đo - Giá thành - Có thể điều chỉnh riêng lẻ hay không - Sự tương thích với môi trường và những ảnh hưởng (nếu có) của các tác nhân bên ngoài môi trường NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 48 3/11/2021 Đo nhiệt độ Áp suất  Cảm biến và sơ đồ khối bộ biến đổi đo áp suất NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 49 3/11/2021 Thiết bị đo các đại lượng không điện pe : Áp suất, biến đầu vào 5 : Khuếch đại đo lường IA, UH : Tín hiệu vào và nguồn cung cấp 6 : Chuyển đổi áp tần 1 : Ống dẫn kết nối 7 : Vi điều khiển 2 : Màng chắn 8 : Chuyển đổi số - tương tự 3 : Chất lỏng để truyền áp suất 9 : Mạch điốt và kết nối với ampemet bên ngoài 4 : Cảm biến điện trở lực căng màng Silic Áp suất  Áp suất đo tác động vào một màng vừa để ngăn cách 2, vừa để truyền áp suất qua một chất truyền áp suất. Áp suất được truyền lên một màng đo. Màng đo là một màng biến dạng, trên ấy có một cầu đo bằng 4 điện trở lực căng bán dẫn. NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 50 3/11/2021 Thiết bị đo các đại lượng không điện 2 pR 0.49 Ed   ε : biến dạng ở tâm màng đàn hồi p : áp suất tác dụng lên màng R : bán kính màng E : modul đàn hồi của màng d : chiều dày màng Áp suất  ∆U này được đưa vào khuếch đại, qua bộ biến đổi U f vào vi điều khiển và một mặt sẽ truyền đi bằng số, một mặt biến thành dòng 4 – 20 mA truyền lên các thiết bị thu thập số đo. NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 51 3/11/2021 Thiết bị đo các đại lượng không điện R k R    CC CCU URU k 2 R 2      CC U Kp U    ∆R/R : biến thiên tương đối của điện trở k : độ nhạy của cảm biến ( k = 50 – 100 đối với Si) ε : biến dạng của màng Áp suất NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 52 3/11/2021 Thiết bị đo các đại lượng không điện Áp suất  Một số cảm biến áp suất của siemen NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 53 3/11/2021 Thiết bị đo các đại lượng không điện Áp suất  Một số cảm biến áp suất của siemen  SITRANS P DS III dải đo 0 – 400 bar  SITRANS P250  SITRANS P200/P210/P220  SITRANS P280  SITRANS P300  SITRANS P500  SITRANS P Compact  SITRANS P MPS  Archive SITRANS P NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 54 3/11/2021 Thiết bị đo các đại lượng không điện  Đo lực  Cảm biến điện trở lực căng  Cảm biến áp điện, áp từ  .... 55 3/11/2021 Thiết bị đo các đại lượng không điện NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp  Đo lực, gia tốc, di chuyển  Cám biến điện cảm, điện dung  Encorder, resolver  Máy phát tốc AC hay DC NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 56 3/11/2021 Thiết bị đo các đại lượng không điện  Thiết bị đo lưu lượng  Cảm biến cảm ứng điện từ  Sử dụng rotor  Cảm biến siêu âm  Đo chênh lệch áp  ......... 57 3/11/2021 Thiết bị đo các đại lượng không điện NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp  Đo mức  Bằng phao nổi  Siêu âm  Quá áp suất thủy tĩnh  ..... 58 3/11/2021 Thiết bị đo các đại lượng không điện NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp  Thiết bị chấp hành Thiết bị đo lường và điều khiển quá trình 59 2.2 Các thiết bị chấp hành  Các thừa hành có nhiệm vụ thực hiện các thao tác tác động vào đối tượng.  Có thể nêu lên các loại thừa hành sau:  Điều khiển ON/OF: Cuộn dây điều khiển các rơle, các công tắc tơ, các khởi động từ, các van vói các điều khiển đóng – mở (on – off) nối vào các đầu ra số (DO) của PLC.  Các bộ điều chỉnh hoặc truyền lực (nối đầu ta tương tự của PLC (AO):  Điều chỉnh tốc độ cho các môtơ: speed controller  Bộ thừa hành tạo di chuyển xác định (positioner): NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 60 3/11/2021 Các thừa hành  Thiết bị bảo vệ  Thiết bị truyền động  Cơ cấu chấp hành cơ  Cơ cấu chấp hành điện  Cơ cấu chấp hành thủy lực  Cơ cấu chấp hành khí nén NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 61 3/11/2021 2.2. Các thiết bị chấp hành  Các thiết bị bảo vệ được nối với đầu ra số (DO) của PLC  Các tiếp điểm của thiết bị bảo vệ thường được nối vào đầu vào số (DI) của PLC  Công tắc phụ của các rơle, thiết bị điện (khởi động từ, công tắc tơ, máy cắt, v.v) cho biết trạng thái đóng - cắt của thiết bị.  Công tắc báo trạng thái của các rơle bảo vệ khi giá trị đo vượt qua giá trị cho phép.  Một số thiết bị bảo vệ  Rơ le  Contactor  Áp to mát  Khởi động từ NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 62 3/11/2021 Thiết bị bảo vệ  Rơ le cũng là một ứng dụng của cuộn dây trong sản xuất thiết bị điện tử, nguyên lý hoạt động của Rơle là biến đổi dòng điện thành từ trường thông qua quộn dây, từ trường lại tạo thành lực 63 3/11/2021 Rơ le NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp cơ học thông qua lực hút để thực hiện một động tác về cơ khí như đóng mở công tắc, đóng mở các hành trình của một thiết bị tự động vv... Rơ le được nối với đầu ra số (DO) của PLC  Các bộ phận (các khối) chính của rơle  Cơ cấu tiếp thu (cuộn dây) Có nhiệm vụ tiếp nhận những tín hiệu đầu vào và biến đổi nó thành đại lượng cần thiết cung cấp tín hiệu phù hợp cho khối trung gian.  Cơ cấu trung gian (nam châm điện) Làm nhiệm vụ tiếp nhận những tín hiệu đưa đến từ khối tiếp thu và biến đổi nó thành đại lượng cần thiết cho rơle tác động.  Cơ cấu chấp hành (hệ thống tiếp điểm) Làm nhiệm vụ phát tín hiệu cho mạch điều khiển. 64 3/11/2021 Rơ le NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp  Công tắc tơ là một loại thiết bị điện dùng để đóng cắt từ xa, tự động hoặc bằng nút ấn các mạch điện lực có phụ tải điện áp đến 500V, dòng điện đến 600A.  Công tắc tơ có hai vị trí là đóng và cắt. Tần số đóng có thể tới 1500 lần một giờ.  Công tắc tơ điện từ có các bộ phận chính như sau: + Hệ thống tiếp điểm chính. + Hệ thống dập hồ quang. + Cơ cấu điện từ. + Hệ thống tiếp điểm phụ. 65 3/11/2021 Contactor NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp Yêu cầu khi chọn công tắc tơ  Điện áp định mức  Dòng điện định mức Iđm  Điện áp cuộn dây Ucdđm  Khả năng đóng và khả năng cắt  Tuổi thọ của công tắc tơ  Tần số đóng cắt  Tính ổn định điện  Tính ổn định nhiệt NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 66 3/11/2021 Contactor  Áp tô mát là thiết bị điện dùng để tự động cắt mạch điện bảo vệ quá tải, ngắn mạch, sụt áp,... hồ quang được dập trong không khí.  Cấu tạo áp tô mát - Tiếp điểm: có hai cấp tiếp điểm (tiếp điểm chính và tiếp điểm hồ quang) hoặc ba cấp tiếp điểm (chính, phụ, hồ quang). - Cơ cấu truyền động cắt áptômát: truyền động cắt áptômát thường có hai cách: bằng tay và bằng cơ điện (điện từ, động cơ điện) - Móc bảo vệ sụt áp: (còn gọi là bảo vệ điện áp thấp) cũng thường dùng kiểu điện từ. Cuộn dây mắc song song với mạch điện chính 67 3/11/2021 Áp to mát NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp  Khởi động từ là một loại thiết bị điện dùng để điều khiển từ xa việc đóng/cắt, đảo chiều và bảo vệ quá tải (nếu có mắc thêm rơle nhiệt) cho các động cơ ba pha rotor lồng sóc.  Khởi động từ khi có một công tắc tơ gọi là khởi động từ đơn, thường dùng để điều khiển đóng cắt động cơ điện.  Khởi động từ có hai công tắc tơ gọi là khởi động từ kép, dùng để khởi động và điều khiển đảo chiều động cơ điện.  Muốn khởi động từ bảo vệ được ngắn mạch phải mắc thêm cầu chảy. 68 3/11/2021 Khởi động từ NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp  Cơ cấu chấp hành Cơ  Cơ cấu chấp hành Điện  Cơ cấu chấp hành Thủy lực  Cơ cấu chấp hành Khí nén 69 3/11/2021 Các cơ cấu truyền lực NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 70 3/11/2021 Các dạng chuyển đổi năng lượng  Hệ thống truyền động thủy lực được ứng rụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp khác nhau, với những dây truyền thiết bị có độ chính xác cao, điều khiển tinh cấp bằng máy tính, công suất lớn. 71 3/11/2021 Cơ cấu chấp hành thủy lực NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 72 3/11/2021 Cơ cấu chấp hành thủy lực Ưu điểm:  Có khả năng truyền động với công suất lớn và áp suất cao.  Cơ cấu đơn giản, hoạt động với độ tin cậy cao, đòi hỏi bảo dưỡng chăm sóc ít.  Có khả năng điều chỉnh vận tốc làm việc tinh cấp hoặc vô cấp.  Kết cấu gọn nhẹ, vị trí các phần tử dẫn và bị dẫn không lệ thuộc với nhau.  Giảm kích thước, khối lượng cả hệ thống bằng cách nâng cao áp suất làm việc.  Nhờ quán tính nhỏ của máy bơm và động cơ, khả năng chịu nén cao của dầu mà hệ thống có thể làm việc với tốc độ cao mà không cần tính toán tới yếu tố va đập như hệ thống điện và cơ khí.  Khâu ra của hệ thống dễ dàng biến đổi từ chuyển động quay - tịnh tiến, tịnh tiến - quay.  Phòng ngừa quá tải nhờ van an toàn. 73 3/11/2021 Cơ cấu chấp hành thủy lực NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp Ưu điểm:  Dễ theo dõi quan sát mạch thủy lực với sự hỗ trợ của áp kế.  Các phần tử được tiêu chuẩn hóa tạo điều kiện thiết kế chế tạo. Nhược điểm  Hiệu suất không cao do mất mát đường ống, sự rò rỉ của các phần tử.  Khi phụ tải thay đổi khó giữ tốc độ làm việc ổn định do tính nén của chất lỏng và độ đàn hổi của đường ống.  Nhiệt độ và độ nhớt thay đổi làm ảnh hưởng đến độ chính xác điều khiển  Khi mới khởi động, nhiệt độ hệ thống thay đổi dẫn tới thay đổi độ nhớt chất lỏng và kéo theo thay đổi vận tốc làm việc 74 3/11/2021 Cơ cấu chấp hành thủy lực NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 75 3/11/2021 Cơ cấu chấp hành thủy lực NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 76 3/11/2021 Cơ cấu chấp hành thủy lực NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp Ưu điểm:  Do đặc điểm chịu đàn hồi tốt của không khí, vì vậy khí nén có thể dễ dàng chứa trong các bình chịu áp.  Có thể truyền năng lượng (khí nén) xa, bởi vì tổn thất áp suất trên đường ống nhỏ và độ nhớt động học của khí nén nhỏ.  Không cần sử dụng đường ống hồi khí nén và đường ống thải khí ra.  Do phần lớn trong các xí nghiệp hệ thống đường ống dẫn khí nén đã có sẵn cho nên chi phí sẽ thấp để tạo ra một hệ thống truyền động bằng khí nén.  Hệ thống phòng ngừa áp suất giới hạn được đảm bảo. 77 3/11/2021 Cơ cấu chấp hành khí nén NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp Nhược điểm:  Lực truyền tải thấp.  Không thể thực hiện được những các thao tác thẳng hoặc quay đều bởi vì khả năng đàn hồi của khí nén lớn. Vì khi tải trọng trong hệ thống thay đổi thì vận tốc cũng thay đổi  Dòng khí nén thoát ra ở đường dẫn khí gây ra tiếng ồn. Ngày nay trong lĩnh vực điều khiển, người ta thường kết hợp hệ thống điều khiển bằng khí nén với điện hoặc điện tử, hoặc hệ thống thủy lực. Cho nên rất khó xác định một cách chính xác,rõ ràng ưu điển của từng hệ thống điều khiển. 78 3/11/2021 Cơ cấu chấp hành khí nén NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp  Hệ thống điều khiển thủy lực – khí nén bao gồm các phần tử điều khiển và cơ cấu chấp hành được kết nối với nhau thành hệ thống hoàn chỉnh để thực hiện những nhiệm vụ theo yêu cầu đặt ra. Hệ thống được mô tả như hình. 79 3/11/2021 Cơ cấu chấp hành thủy lực - khí nén NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp Ở đó:  Tín hiệu đầu vào: nút nhấn, công tắc, công tắc hành trình, cảm biến.  Phần xử lý thông tin: xử lý tín hiệu nhận vào theo một qui tắc logic xác định, làm thay đổi trạng thái của phần tử điều khiển: van logic And, Or, Not, Yes, Flip-Flop, Rơ le,  Phần tử điều khiển: điều khiển dòng năng lượng (lưu lượng, áp suất) theo yêu cầu, thay đổi trạng thái của cơ cấu chấp hành: van chỉnh áp, van đảo chiều, van tiết lưu, ly hợp,  Cơ cấu chấp hành: thay đổi trạng thái của đối tượng điều khiển, đại lượng đầu ra của mạch điều khiển: xy lanh thủy khí, động cơ thủy khí.  Năng lượng điều khiển: bao gồm phần thông tin và công suất 80 3/11/2021 Cơ cấu chấp hành thủy lực – khí nén NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp  Bộ điều khiển phản hồi vòng kín 81 3/11/2021 Cơ cấu chấp hành thủy lực – khí nén NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp  Điều chỉnh tốc độ cho các môtơ  Hiện nay, đó là các Invertor nối với đầu ra tỷ lệ 4 – 20 mA (4 mA ứng với tốc độ bằng 0, 20 mA ứng với tốc độ định mức).  Invertor điều chỉnh tốc độ hiện nay được xây dựng trên cơ sở vi xử lý và IGBT  Bộ thừa hành tạo di chuyển xác định  Trong truyền động điện, trong công nghiệp nhiều khi có yêu cầu các thao tác cơ khí công suất lớn như: nâng hạ cửa cống, điều khiển van bướm, thiết bị nâng hạ. v.v  Để thực hiện việc này, phải sử dụng các bộ thừa hành thực hiện trên nguyên tắc bộ điều chỉnh mạch vòng kín và mạch vòng hở. NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 82 3/11/2021 Cơ cấu chấp hành điện  Dòng ra 4 – 20 mA được đưa vào so sánh với dòng điện phản hồi về do encoder đầu ra gắn với trục động cơ biến đổi trở về dòng điện.  Với mạch điều chỉnh này, góc quay hay số chỉ của encoder tỷ lệ với dòng (4 – 20 mA) đi vào bộ điều chỉnh. Dòng này được lấy từ đầu ra tương tự (AO) của PLC. NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 83 3/11/2021 VD: Bộ thừa hành tạo di chuyển xác định  Nguyên lý hoạt động NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 84 3/11/2021 Biến tần – điều kiển tốc độ Các thiết bị trong cơ cấu truyền lực  Van  Động cơ  Động cơ một chiều  Đông cơ xoay chiều • Một pha hay ba pha • Đồng bộ • Không đồng bộ NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 85 3/11/2021 Các cơ cấu truyền lực Phân loại  Theo loại tín hiệu vào  Van ON/OFF  Van tỷ lệ  Theo điều khiển  Van điện từ  Van servo   Theo kết cấu cổng  NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 86 3/11/2021 Van  Van hoạt động ở 2 trạng thái đóng hoặc mở hoàn toàn. Khi có tín hiệu điện điều khiển van sẽ chuyển trạng thái phu ̣ thuộc vào trạng thái ban đầu của van  Các loại van thường gặp  Van điện từ  Van cơ khí NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 87 3/11/2021 Van ON/OFF  Van thường đóng (NC)  2/2 NC  3/2 NC  Van thường mở  2/2 NO  3/2 NO NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 88 3/11/2021 Van điện từ ON/OFF 1- Thân van 2- Cổng vào 3- Cổng ra 4- Cuộn dây 5- Lõi sắt từ 6- Điều khiển 7- Chốt đẩy 8- Lò xo 9- Khe mở Nguyên lý hoạt động  Cấp 1 nguồn điện vào 2 đầu cuộn dây 6 (tùy thuộc vào điện áp định mức của cuộn dây có thê ̉ là 12, 24, 110, 220 V), cuộn dây được cấp điện sinh ra từ trường, từ trường này đủ mạnh thắng được lực đẩy của lò xo kéo chốt chặn lên, van mở ra, lưu chất đi từ 2 sang 3 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 89 3/11/2021 Van điện từ ON/OFF  Chú ý: Khi chọn van cần chu ́ ý đến các thông sô ́ quan trọng như: Dòng điện, điện áp điều khiển, áp suất tối đa, tối thiểu, nhiệt độ của lưu chất  Van on – off nối với đầu ra số của PLC  Van tỉ lê ̣ nối với đầu ra tương tự của PLC NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 90 3/11/2021 Van điện từ ON/OFF Van điện từ trong thực tế Khái niệm  Van tỷ lệ là van có thê ̉ điều khiển được lưu lượng lưu chất chảy qua nó bằng cách thay đổi dòng điện (điện áp) điều khiển đặt vào cuộn dây, van được nối với đầu ra tương tự (AO) của PLC  Phân loại  Van điện từ  Van tỷ lệ servo  NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 91 3/11/2021 Van tỷ lệ  Van điện từ là van điện được điều khiển bởi dòng điện. Khi có dòng điện chạy qua van tức là chạy qua cuộn dây quấn quanh một lõi kim loại, cuộn dây sẽ sinh ra một từ trường, từ trường này sẽ ảnh hưởng đến trạng thái của van làm cho van đóng hoặc mở.  Van điện từ thường được sử dụng để điều khiển lưu lượng chất khí hoặc chất lỏng. Ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: thủy lợi, hê ̣ thống phun nước, sử dụng trong công nghiệp.  Ưu điểm của van điện từ:  Tác động nhanh, an toàn, độ tin cậy cao, tuổi tho ̣ lâu dài.  Tiêu tốn năng lượng thấp, thiết kê ́ nho ̉ gọn. NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 92 3/11/2021 Van điện từ  Cấu tạo: Van ty ̉ lệ gồm 3 phần  Phần thân vỏ van với lõi con trượt (tương đối giống như valve phân phối thông thường).  Phần cuộn điện từ với phần hồi tiếp điện tử: Nhận biết vị trí của lõi van đưa về bộ điều khiển thông qua que thăm  Card điện tử: Là nơi thu nhận tín hiệu điều khiển từ bên ngoài để cung cấp dòng điện điều khiển cho van tỷ lệ. Nó đồng thời nhận tín hiệu phản hồi từ lõi van để điều khiển chính xác. NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 93 3/11/2021 Van ty ̉ lệ điện từ (Proportional Solenoid Valves)  Cấu tạo NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 94 3/11/2021 Van tỷ lệ kí nén Van thường đóng Van thường mở Van tỷ lệ kí nén Nguyen Ly Lam Viec van khí nén NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 97 3/11/2021 Ví dụ về mô hình điều khiển NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 98 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 99 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 100 3/11/2021  Nhiệm vụ: thông báo trạng thái của các thiết bị công nghệ và điều khiển phục vụ cho việc tự động hóa quá trình sản xuất, thực hiện các chức năng báo động hay chẩn đoán kỹ thuật.  Tất cả các công tắc các loại được xếp vào đối tượng “thông báo”, ký hiệu M.  Công tắc phụ của các rơle, thiết bị điện (khởi động từ, công tắc tơ, máy cắt, v.v) cho biết trạng thái đóng - cắt của thiết bị.  Công tắc báo trạng thái của các rơle bảo vệ khi giá trị đo vượt qua giá trị cho phép. NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 101 3/11/2021 2.2.1 Công tắc thông báo