Tập bài giảng Thiết bị điều khiển (Phần 2)

4 : Rơle chốt - B05 : Rơle xung - B06 : Cổng NOT - B07 : Đn chiếu sáng 3) Nguyên lý - Khi ấn nút I1 thì khối B02 có đầu ra = “1” sẽ điều khiển khối B01 có đầu ra = “1” làm đèn Q1 sáng. Sau thời gian trễ l 60 giây của Off –Delay đèn sẽ tắt. Do nút được ấn trong thời gian ngắn nên lúc đó khối B03 không hoạt động, đồng thời khối B05 đang có đầu Reset l Q1 = “1” nên rơle xung cũng không cho ra mức “1” để điều khiển Rơle chốt B04. - Khi ấn nút I1 hai lần thì lần đầu giống như nguyên lý trên làm Q1 được sáng, lúc đó B05 có đầu Reset là Q1 = “0” nên không còn tác dụng Reset. Nhờ đó, lần ấn I1 thứ 2 thì khối B05 có đầu ra lên mức “1” để điều khiển Set cho khối B04. Rơle chốt sẽ điều khiển khối B01 ra mức (On Delay ) tác động sẽ có đầu ra mức “1” điều khiển reset đồng thời cả 2 khối B02 (Off Delay ) và B04 (rơle chốt) làm cho khối B01 (Cổng OR) có đầu ra mức “0”, đèn Q1 tắt. 154 3.4.2. Chuông báo giờ trong trường học Yêu cầu: Chuông báo giờ hoạt động ba lần trong ngày: đầu buổi học, giữa buổi học và cuối buổi học. Mỗi lần hoạt động khoảng 2 giây. Chuông chỉ hoạt động từ thứ hai đến thứ sáu trong tuần. Ngõ Q1 được dùng để điều khiển chuông. Chương trình: 3.4.3. Tưới cây trong nhà kính Yêu cầu: LOGO! có thể sử dụng cho việc điều khiển tưới cây trong nhà kính. Có 3 loại cây khác nhau. Loại 1 sống trong nước, cần phải duy trì mực nước trong 1 khoảng cố định. Loại 2 cần được tưới nước trong khoảng 3 phút vào mỗi buổi sáng và tối. Loại 3 tưới vào mỗi tối cách nhau 2 ngày. Giải pháp: Đối với loại 1: ta dùng 2 ngõ I1 và I2 để nhận biết mức cao và thấp của mực nước. Đối với loại 2: ta dùng hàm “định ngày giờ trong tuần” để cài đặt thời gian (cho tất cả các ngày) như sau: Buổi sáng: ON 6:00 OFF 6:03 Buổi tối : ON 20:00 OFF 20:03 Đối với loại 3: ta cũng dùng I3 để cảm nhận buổi tối (dùng cảm biến ánh 155 sáng). Các biến dùng trong LOGO như sau: I1: cảm biến mức cao của mực nước (công tắc thường đóng) I2: cảm biến mức thấp của mức nước ( công tắc thường hở) I3: cảm biến ánh sáng (công tắc thường hở). I4: Switch chọn chế độ tự động; Q1: Điều khiển van selenoid cho mực nước cho loại 1; Q2: Điều khiển van selenoid cho việc tưới nước loại 2; Q3: Điều khiển van selenoid cho việc tưới nước loại 3. Chương trình: 3.4.4. Chiếu sáng nhà hàng, khách sạn, siêu thị, cửa hàng Hệ thống chiếu sáng này có thể chia ra làm 4 nhóm như sau: Nhóm 1: Chiếu sáng thường trực trong suốt thời gian làm việc trong ngày, tùy theo ngày trong tuần. Nhóm 2: Chiếu sáng tăng cường vào buổi tối. Khi không làm việc nhóm 2 vẫn sáng (Thí dụ: các đèn chiếu sáng bên ngoài, chiếu sáng bảo vệ) Nhóm 3: Chiếu sáng các lối đi chính vào ban đêm khi hết giờ làm việc. 156 Nhóm 4: Đèn chiếu sáng các bảng chào, khẩu hiệu khi có khách ra vào. (Thí dụ: “Kính Cho Quý Khách” , “Hẹn Gặp Lại” , “Thượng Lộ Bình An” .). 1) Sơ đồ I1 : Bộ cảm biến quang điện, trời sáng I1 = “0” , trời tối I1 = “1” . I2 : Nút ấn On I3 : Nút ấn thử đèn (Test) I4 : Bộ cảm biến quang đặt ở lối ra vào, khi có người đi ngang qua thì I1 = “1” . B03 : Đồng hồ thời gian thực có 3 chương trình gồm : N01 : Điều khiển mở Q1 từ 7h đến 22h trong các ngày thứ 2 đến thứ 6 hàng tuần. N02 : Điều khiển mở Q1 từ 8h đến 0h ngày thứ 7 . N03 : Điều khiển mở Q1 từ 8h đến 12h ngày chủ nhật B04 : khối thời gian Off- Delay dạng cho nút thử I3. 157 2) Nguyên lý Những khoảng thời gian trung với các thời gian cài đặt trong 3 chương trình N01, N02, N03 của đồng hồ thời gian thực thì ngoài ra của khối B03 có mức “1”, qua khối B02 cổng OR cũng có mức “1”. Nếu bật nút On I2 thì khối B01 có đầu ra mức “1” và nhóm đèn Q1 sáng trong suốt thời gian làm việc. Trong thời gian làm việc trên, khi trời tối thì bộ cảm biến quang điện I1 có mức “1” nên khối B07 cổng AND có đầu ra mức “1”, qua khối B06 cổng OR và khối B05 cổng AND cũng có đầu ra mức “1”, nhóm đèn Q2 sáng tăng cường vào buổi tối. Vào các khoảng thời gian không làm việc và khi trời tối nhóm Q1 không sáng nên đầu ra khối B11 cổng NOT có mức “1”, qua khối B10 cổng AND, khối B09 cổng OR, khối B08 cổng AND có mức “1” nhóm đèn Q3 sáng các đèn trên lối đi chính để phục vụ công tác kiểm tra bảo vệ. Khi có người ra vào cổng thì bộ cảm biến quang điện I4 có mức “1” nên qua khối B14 Off - Delay, khối B13 cổng OR và khối B12 cổng AND có đầu ra mức “1” làm nhóm đèn Q4 sáng các khẩu hiệu chúc mừng. Sau thời gian trễ 30s thì nhóm đèn Q4 tự tắt. Để kiểm tra các hệ thống chiếu sáng có làm việc tốt không, có thể ấn nút thử I3. Khi ấn I3 thì khối B04 có đầu ra mức “1” để diều khiển cả 4 nhóm đèn đều sáng. Sau thời gian trễ 30s của Off-Delay của B04 thì cả 4 nhóm đèn đều tắt. 3.4.5. Hệ thống tự động bơm nước cung cấp 1) Yêu cầu - Khi mực nước trong hồ giảm xuống dưới mức thấp thì động cơ được cấp điện để bơm nước từ giếng, hay từ hệ thống nước thủy cục, v hồ chứa. - Khi mực nước trong hồ tăng lên đến mức cao thì động cơ bị cắt điện và ngừng bơm. - Động cơ bơm có thể hoạt động ở chế độ tự động hay điều khiển bằng tay. 158 2) Sơ đồ điều khiển - I1 : tiếp điểm báo mực nước cao, khi mức nước cao thì I1 = “0”. - I2 : tiếp điểm báo mức nước thấp, khi mức nước thấp thì I2 = “0”. - I3 : Công tắc chọn chế độ tự động hay bằng tay. Nếu I3 = “0” (hở) thì chạy tự động. Nếu I3 = “1” (đóng) thì chạy ở chế độ bằng tay. 3) Nguyên lý - Khi mực nước xuống dưới mức thấp thì I2 = “0”, qua khối B04 cổng NOT có ng ra bằng “1” lúc đó I1 cũng có mực nước thấp nên I1 =”1” làm khối B03 cổng AND có đầu ra mức “1” sẽ Set khối B02 làm Rơle chốt lên mức “1” và qua cổng OR của khối B01 lên mức “1” điều khiển động cơ bơm nước. - Khi mực nước lên cao hơn mức thấp thì I2 đổi trạng thái, nhưng khối RS đã được chốt và động cơ vẫn còn bơm nước. - Khi mực nước lên khỏi mức cao thì I1 = “0”, qua khối B05 cổng NOT lên mức “1” sẽ Reset khối B02, điều khiển động cơ ngừng bơm. - Muốn bơm nước ở chế độ bằng tay thì đóng I3 lên mức “1” sẽ qua khối B01 cổng OR điều khiển động cơ bơm nước. 3.4.6. Hệ thống phun sương trong nhà kính 1) Yêu cầu Một số loại cây trồng được yêu cầu tưới nước mỗi ngày 2 lần vào buổi sáng và buổi tối, mỗi lần tưới trong 2 phút. 159 Một số loại khác lại yêu cầu tưới nước cách ngày, 2 ngày 1 lần vào buổi tối, mỗi lần tưới trong 2 phút. 2) Sơ đồ điều khiển dùng Logo. - I1 : Công tắc chọn chế độ tự động theo thời gian hay chọn chế độ bằng tay. I1 = “0” ở chế độ tự động. - I2 : Tiếp điểm của bộ cảm biến quang điện, khi trời sáng I2 = “0”, khi trời tối I2 = “1” - Động cơ bơm nước Q1 được điều khiển bởi 2 khối là : B02 đồng hồ thời gian thực và cổng OR. Hai công tắc thời gian được dùng là N chọn các ngày từ thứ hai (M0) đến chủ nhật (Su) với thời gian mở là 7 giờ sáng và tắt là 7 giờ 5 phút , N02 chọn các ngày từ thứ hai đến chủ nhật với thời gian mở là 19h và tắt là 19h15. Nếu I1 đóng là động cơ bơm nước ở chế độ bằng tay. - Động cơ bơm nước Q2 được điều khiển bởi rơ-le chốt đầu Set điều khiển bởi khối B05 l rơ-le thời gian ON-delay với thời gian trễ l 5 phút . 3) Giải thích nguyên lý hoạt động của Q2 - Khi ngày thứ nhất trời bắt đầu tối thì I2= “1” điều khiển rơ-le xung cho ra mức ‘1’ và đầu Set của rơ-le chốt và động cơ Q2 bắt đầu bơm nước. Lúc đó, khối BO 5 cũng bắt đầu tính thời gian trễ và sau 2 phút thì đầu ra = “1” , vào đầu Reset làm động cơ Q2 ngừng bơm. Khi trời sáng thì I2 = “0” nhưng rơ-le xung 160 vẫn có đầu ra = “1”.Tuy nhiên, do đó có lệnh reset cho nên rơ le chốt vẫn đang cho ra mức “0”. - Khi ngày thứ hai trời tối thì I2 lại có mức ‘1’ và lần nay chỉ làm đầu ra của rơ-le xung xuống mức ‘0’ nên cũng không điều khiển được rơ-le chốt và động cơ Q2 cũng không bơm nước . - Khi ngày thứ ba trời tối thì I2 có mức ‘1’ và bây giờ rơ-le xung sẽ cho ra mức ‘1’ vào đầu Set của rơ-le chốt, động cơ Q2 bắt đầu bơm nước. Tương tự, sau 2 phút của khối BO5 thì động cơ cũng ngừng bơm, vì có mức ‘1’vào đầu Reset. - Như vậy, hai ngày động cơ Q2 mới được điều khiển bơm nước một lần. 3.4.7. Điều khiển động cơ theo thời gian 1) Sơ đồ tiếp điểm Hình 3.19. Sơ đồ mạch điện điều khiển động cơ theo thời gian 2) Sơ đồ điều khiển dùng Logo - I1 : Nút OFF nhưng bình thường hở. - I2 : Nút ON - I3 : Rth1 nhưng bình thường hở. - I4 : Rth2 nhưng bình thường hở. - Q1 ,Q2 : K1, K2. Off On Rth1 Rth2 K1 K2 K1 (I1) K1 (I3) (i4) 161 KHỐI NGUỒN KHỐI CHỈNH LƯU LOGO KHỐI CHẤP HÀNH Khi I2 = “1” thì rơle chốt RS (B01) ra = “1” điều khiển Q1 chạy. Sau thời gian trễ 5s của B04 thì rơle chốt (B03) được điều khiển ra = “1” và Q2 chạy. Khi I1 hay I3 = “1” thì sẽ Reset cả hai khối B01, B03 làm Q1, Q2 ngừng. Khi I4 = “1” thì chỉ có B03 bị Reset và chỉ có Q2 ngừng. 3) Sơ đồ khối a) Khối nguồn Vì các thiết bị sử dụng cấp điện áp thấp mà điện áp mạng điện là điện áp cao, do đó ta phải sử dụng máy biến áp để hạ điện áp xuống điện áp phù hợp với điện áp của phụ tải. Có nhiều loại máy biến áp (MBA), MBA tự ngẫu, MBA cảm ứng. Do yêu cầu cấp điện áp và an toàn của mạch điện, nguồn cấp được chọn lấy từ MBA cảm ứng. Chọn MBA cảm ứng có các thông số kỹ thuật sau: I=5A; u1 =220v; u2 =5V, 24V 162 Hình 3.20: Sơ đồ cấu tạo máy biến áp cảm ứng b) Khối chỉnh lưu Để cấp nguồn nuôi cho thiết bị LOGO và mạch phần cứng cần phải có bộ chỉnh lưu để chuyển nguồn xoay chiều từ MBA thành nguồn một chiều 5v, 24v... Cầu chỉnh lưu được lắp ráp từ Diode bán dẫn loại D 4007 Hình 3.21: Sơ đồ kết nối MBA với cầu chỉnh lưu Iron core Terminals Secondary winding Insulation Laminated iron core Primary winding N P Secondary winding N S LoadSupply 163 c) Khối Logo Hình 3.22: Sơ đồ kết nối phần tử vào ra với thiết bị LOGO 3.4.8. Điều khiển đèn giao thông tại nút giao thông ngã tư (giao thông 6 đèn) +) Dùng để lập trình và điều khiển hệ thống đèn giao thông. Chương trình điều khiển được nạp vào bộ nhớ nhờ sự trợ giúp của một máy tính hay có thể dùng các phím bấm để lập trình trực tiếp trên logo. +) Sử dụng giao tiếp ngoài bằng rơ le, kết nối các LED hiển thi đèn giao thông nguồn nuôi 5v, lấy tín hiệu đầu ra LOGO để điều khiển LED. 1)Yêu cầu công nghệ +) Đèn phải sáng luân phiên Đỏ-Xanh-Vàng và phải điều khiển cho phù hợp 2 hướng ngược nhau. +) Thời gian hoạt động 164 - Từ thứ 2 đến thứ 6 đèn hoạt động từ 6h sáng -> 21h15’ sáng theo thứ tự, qua 21h15’ thì đèn Vàng chớp tắt đến thời gian đặt của ngày hôm sau thì tự động hoạt động trở lại (sáng theo thứ tự) . - Thứ 7 đèn hoạt động từ 6h15’ sáng -> 23h sáng theo thứ tự, qua 23h thì đèn Vàng chớp tắt đến thời gian đặt của ngày hôm sau thì tự động hoạt động trở lại (sáng theo thứ tự). - Chủ nhật đèn hoạt động từ 7h sáng -> 22h sáng theo thứ tự, qua 22h thì đèn Vàng chớp tắt đến thời gian đặt của ngày hôm sau thì tự động hoạt động trở lại (sáng theo thứ tự). - Khi gặp sự cố giao thông (tắc đường, tai nạn) thì có thể ấn nút dừng hệ thống và người cảnh sát giao thông sẽ trực tiếp tham gia điều khiển phân luồng giao thông. 2) Giản đồ thời gian Chú thích : + Đèn xanh sáng trong 25s . + Đèn vàng sáng trong 5s . + Đèn đỏ sáng trong 30s . ĐÈN XANH 1 ĐÈN VÀNG 1 ĐÈN ĐỎ 1 ĐÈN XANH 2 ĐÈN VÀNG 2 ĐÈN ĐỎ 2 Hình 3.23. Giản đồ thời gian hoạt động đèn giao thông tại ngã tư 165 3) Sơ đồ kết nối Hình 3.24. Sơ đồ kết nối LOGO với phần tử vào ra đèn giao thông tại ngã tư L1 : Nguồn +24vDC; N : Mass 0v; M : Nút mở hệ thống; D : Nút dừng hệ thống; X1 : Đèn xanh 1 X2 : Đèn xanh 2 V1 : Đèn vàng 1 V2 : Đèn vàng 2 Đ1 : Đèn đỏ 1 Đ2 : Đèn đỏ 2 L1 N L1 N R R R R R R Ð1X1 V1 X2 V2 Ð2 M D 166 4) Chương trình điều khiển I1: Nút bấm điều khiển “Mở” hệ thống, bình thường khi không ấn I1 = “0” . I2: Nút bấm điều khiển “Dừng” hệ thống, bình thường khi không ấn I2 = “0”. Q1: Đèn xanh ở luồng 1 Q2 : Đèn vàng ở luồng 1 Q3 : Đèn đỏ ở luồng 1 Q4 : Đèn xanh ở luồng 2 Q5 : Đèn vàng ở luồng 2 167 Q6 : Đèn đỏ ở luồng 2 c. Nguyên lý làm việc - Ban đầu nếu muốn mở hệ thống ta ấn nút M (I1 = “1”) . - Khối BOO2 (off-delay) nhận tín hiệu là mức “1” và bắt đầu hoạt động, lúc này đầu ra của BOO2 lên mức “1” => Q1 lên mức “1” (xanh luồng 1 sáng). Sau 25s BOO2 sẽ xuống mức “0” do hết thời gian đặt => Q1 xuống mức “0” (xanh luồng 1 tắt). - Khối BOO3 (on-delay) cũng hoạt động đồng thời với BOO2. BOO3 nhận tín hiệu là mức “1” và bắt đầu hoạt động, sau 25s đầu ra của BOO3 lên mức “1”. Lúc này BOO4 (off-delay) bắt đầu nhận tín hiệu là mức “1” và hoạt động, đầu ra của BOO4 lên mức “1” => Q2 lên mức “1” (vàng luồng 1 sáng). Sau 5s BOO4 sẽ xuống mức “0” do hết thời gian đặt => Q2 xuống mức “0” (vàng luồng 1 tắt). - Khối BOO5 (on-delay)hoạt động đồng thời với khối BOO4. Khối BOO5 nhận tín hiệu là mức “1” và bắt đầu hoạt động, Sau 5s BOO5 sẽ lên mức “1” do hết thời gian đặt. Lúc này BOO6 (off-delay) bắt đầu nhận tín hiệu là mức “1” v hoạt động, đầu ra của BOO6 lên mức “1” => Q3 lên mức “1” (đỏ luồng 1 sáng). Sau 30s BOO6 sẽ xuống mức “0” do hết thời gian đặt => Q3 xuống mức “0” (đỏ luồng 1 tắt). - Khối BO10 (on-delay) hoạt động đồng thời với khối BOO2 và BOO3. Khối BO10 nhận tín hiệu là mức “1” từ Q6 và bắt đầu hoạt động, Sau 5s BO10 sẽ lên mức “1” do hết thời gian đặt. Khối BO10 đưa mức “1” vào BO11 (cổng AND) để cấp cho BO12 (off-delay) nhưng BO12 vẫn chưa hoạt động, bởi lúc này đầu ra BOO6 vẫn đang ở mức “0”. Khi đầu ra BOO6 lên mức “1” và đưa vào BO11, lúc này đầu ra BO11 lên mức “1”. BO12 bắt đầu nhận tín hiệu là mức “1” và bắt đầu hoạt động, lúc này đầu ra của BO12 lên mức “1” => Q4 lên mức “1” (xanh luồng 2 sáng). Sau 25s BO12 sẽ xuống mức “0” do hết thời gian đặt => Q4 xuống mức “0” (xanh luồng 2 tắt). - Khối BO13 (on-delay) bắt đầu nhận tín hiệu là mức “1” từ BO12 và hoạt động, sau 25s đầu ra của BO13 lên mức “1”. Lúc này BO14 (off-delay) bắt đầu 168 nhận tín hiệu và hoạt động, đầu ra BO14 lên mức “1” => Q5 lên mức “1” (vàng luồng 2 sáng). Sau 5s BO14 sẽ xuống mức “0” do hết thời gian đặt => Q5 xuống mức “0” (vàng luồng 2 tắt). - Ban đầu khối BOO9 (NOT) lấy tín hiệu từ khối BOO6 là mức “0” rồi đảo và đưa vào BOO8 (AND). Khi khối BOO2 (off-delay) nhận tín hiệu là mức “1” và bắt đầu hoạt động, lúc này đầu ra của BOO2 lên mức “1” đồng thời đưa vào BOO8 (AND) => đầu ra BOO8 lên mức “1” => Q6 lên mức “1” (đỏ luồng 2 sáng). Sau 25s BOO2 đưa tín hiệu ra là mức “0” vào BOO8 => đầu ra BOO8 xuống mức “0” => BOO7 nhận tín hiệu và hoạt động. Sau 5s BOO7 sẽ xuống mức “0” do hết thời gian đặt => Q6 xuống mức “0” (đỏ luồng 2 tắt). - Quá trình được lặp lại liên tục. - Muốn dừng hệ thống ta ấn nút D (I2 = “1”) - Khối Weekly timer làm nhiệm vụ đặt thời gian . + Từ thứ 2 đến thứ 6 đèn hoạt động từ 6h sáng -> 21h15’ sáng theo thứ tự, qua 21h15’ thì đèn Vàng chớp tắt đến thời gian đặt của ngày hôm sau thì tự động hoạt động trở lại (sáng theo thứ tự) . + Thứ 7 đèn hoạt động từ 6h15’ sáng -> 23h sáng theo thứ tự, qua 23h thì đèn Vàng chớp tắt đến thời gian đặt của ngày hôm sau thì tự động hoạt động trở lại (sáng theo thứ tự) . + Chủ nhật đèn hoạt động từ 7h sáng -> 22h sáng theo thứ tự, qua 22h thì đèn Vàng chớp tắt đến thời gian đặt của ngày hôm sau thì tự động hoạt động trở lại (sáng theo thứ tự) . 169 CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG Câu hỏi 1) Trình bày khái quát về chức năng thiết bị điều khiển lập trình 2) Trình bày cấu trúc đặc điểm hoạt động của thiết bị LOGO 3) Trình bày các chức năng cơ bản trong Co ( Connectors) 4) Trình bày các chức năng cơ bản của GF (General Functions) 5) Trình bày các chức năng đặc biệt mới trong Logo 6) Nghiên cứu phương pháp thực hiện điều khiển các đối tượng sử dụng bị lập trình LOGO Bài tập 1) Cho một động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha và thiết bị lập trình điều khiển LOGO. Hãy vẽ mạch kết nối động cơ với LOGO, thiết lập chương trình điều khiển động cơ khi làm việc quay theo một chiều và khi dừng hãm tự do. 2) Cho một động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha và thiết bị lập trình điều khiển LOGO. Hãy vẽ mạch kết nối động cơ với LOGO, thiết lập chương trình điều khiển động cơ có thể thực hiện đảo chiều quay và khi dừng thực hiện hãm tự do. 3) Cho một động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha và thiết bị lập trình điều khiển LOGO. Hãy vẽ mạch kết nối động cơ với LOGO, thiết lập chương trình điều khiển động cơ có thể thực hiện đảo chiều quay và khi dừng thực hiện hãm động năng 4) Cho một động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha khi làm việc cuộn dây stator đấu tam giác và thiết bị lập trình điều khiển LOGO. Hãy vẽ mạch kết nối động cơ với LOGO, thiết lập chương trình điều khiển động cơ thực hiện khởi động sao tam giác, khi dừng thực hiện hãm động năng. 5) Cho một động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha khi làm việc cuộn dây stator đấu tam giác và thiết bị lập trình điều khiển LOGO. Hãy vẽ mạch kết nối động cơ với LOGO, thiết lập chương trình điều khiển động cơ thực hiện 170 khởi động sao tam giác có thể đảo chiều quay, khi dừng thực hiện hãm động năng. 6) Cho hai động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha và thiết bị lập trình điều khiển LOGO. Hãy vẽ mạch kết nối động cơ với LOGO, thiết lập chương trình điều khiển hai động cơ khởi động tuần tự và dừng tuần tự. 7) Cho hệ thống chiếu sáng đèn và thiết bị lập trình điều khiển LOGO. Hãy vẽ mạch kết nối hệ thống đèn chiếu sáng với LOGO, thiết lập chương trình điều khiển hệ thống đèn đường theo thời gian quy định của từng mùa. 8) Cho hệ thống chuông báo giờ học của trường từng ngày trong tuần và thiết bị lập trình LOGO. Hãy vẽ mạch kết nối hệ thống chương với thiết bị LOGO, thiết lập chương trình điều khiển chuông báo giờ theo quy định của Nhà trường. 171 Chương 4 THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN KHÁC 4.1. Khái quát thiết bị lưu điện (Uninterruptible Power Supply- UPS) 4.1.1. Chức năng của thiết bị lưu điện Vào cuối thế kỷ 20, độ tin cậy cung cấp điện của các nước công nghiệp phát triển vào khoảng 99.9%, tương ứng khoảng thời gian mất điện trong một năm là 8 giờ mà phổ biến dưới dạng mất điện trong một vài phút. Điều này không thành vấn đề đối với hệ thống chiếu sáng hoặc hệ thống điện cơ, với kỹ thuật tương tự (analog), chất lượng điện chỉ bao gồm hai chỉ tiêu quan trọng nhất là điện áp và tần số. Nhưng đối với hệ thống kỹ thuật số (Digital) vấn đề không đơn giản như vậy. Đặc biệt với các thiết bị trong lĩnh vực công nghệ thông tin được ứng dụng từ công nghệ kỹ thuật số luôn được xem là bước đệm quan trọng trong việc làm giáa tăng sản phẩm, giảm thiểu chi phí sản xuất và tạo sự ổn định bền vững cho xã hội. Độ tin cậy cung cấp điện của các hệ thống có máy tính cần phải tăng lên rất nhiều, vì mất điện dù chỉ trong một vài mili giây sẽ có nguy cơ mất hết thông tin hoặc làm rối loạn quá trình trao đổi dữ liệu máy tính và các yêu cầu hệ thống kỹ thuật số phải khởi động lại. Chính vì những yêu cầu này mà UPS ra đời. UPS (Uninterruptible Power Supply) là một thiết bị có thể cung cấp tạm thời điện năng nhằm duy trì sự hoạt động của thiết bị sử dụng điện lưới gặp sự cố (mất điện, sụt giảm điện áp quá thấp, sự cố khác...) trong một khoảng thời gian với công suất giới hạn theo khả năng của nó. 4.1.2. Phân loại thiết bị lưu điện Từ yêu cầu của các thiết bị về mức độ nguồn điện liên tục và chất lượng, UPS được phân thành các dòng sản phẩm chính về công nghệ như sau: UPS Offline đơn thuần, UPS Offline công nghệ Line-interactive, UPS Online - UPS online : Hoạt động theo nguyên tắc chuyển đổi kép: từ AC sang DC sau đó chuyển ngược DC sang AC. Do đó nguồn điện cung cấp cho tải hoàn toàn 172 do UPS tạo ra đảm bảo ổn định cả về điện áp và tần số. Điều này làm cho các thiết bị được cung cấp điện bởi UPS hầu như cách ly hoàn toàn với sự thay đổi của lưới điện. Vì vậy, nguồn do UPS online tạo ra là nguồn điện sạch (lọc hầu hết các sự cố trên lưới điện), chống nhiễu hoàn toàn. Điện áp ra hoàn toàn hình SIN. - UPS offline : Khi có nguồn điện lưới UPS sẽ cho điện lưới thẳng tới phụ tải. Khi mất điện, tải sẽ được chuyển mạch cấp điện từ ắc quy qua bộ inverter. Dạng điện áp ra của bộ invertor loại này thường là (dạng xung chữ nhật, không SIN). Phạm vi áp dụng UPS loại này thường cho các thiết bị đơn giản, công suất nhỏ, ít nhạy cảm lưới điện, đòi hỏi độ tin cậy thấp. Đa số các UPS ngày nay đều có Software kèm theo giáao tiếp với máy tính qua cổng COM hoặc USB. Software này cho phép kiểm soát các trạng thái hoạt động của UPS (Điện áp vào/ra, tải tiêu thụ ...).Ngoài ra bạn còn có thể lập thời khoá biểu tự động (Mở /shutdown máy tính theo ngày, giờ, tuần,tháng) Được sử dụng nhiều nhất hiện nay có lẽ là các loại UPS offline bởi giá thành của chúng rẻ hơn nhiều so với các loại UPS cùng loại. Nếu bạn đang sử dụng một chiếc UPS thì nhiều khả năng thuộc loại này, có phải rằng tôi đã chủ quan khi nói điều đó? bởi vì tôi biết rằng người đọc blog ở Việt Nam (thông qua sự thống kê của geovisit mà tôi đang dùng trên blog) thường chưa hiểu rõ về các UPS và các loại của chúng nên lựa chọn theo cảm tính và giá rẻ là phần nhiều. 4.1.3. Nguyên tắc hoạt động của UPS +) UPS Offline - Ở trạng thái lưới điện ổn định thì nguồn tiêu thụ sử dụng điện trực tiếp của lưới điện. - UPS lúc này chỉ sử dụng một bộ nạp (charger) để nạp điện một cách tự động cho ắc quy mà thôi. Nguồn điện lưới lúc này không cung cấp điện trực tiếp cho các thiết bị, mà chúng được biến đổi thành dòng điện một chiều tương ứng với điện áp của ắc quy. Ở đây trong mạch đã thể hiện sự cung cấp điện từ ắc quy và chính từ lưới điện đến bộ inverter để biến đổi thành điện áp đầu ra phù hợp với thiết bị sử dụng. Như vậy, có thể thấy rằng trong bất kỳ sự cố nào về lưới điện thì UPS online cũng có thể cung cấp điện cho thiết bị sử dụng mà không có một thời gian trễ nào. Điều này làm cho thiết bị sử dụng rất an toàn, và ổn định. 173 UPS online sẽ luôn luôn ổn định điện áp đầu ra bởi cũng theo mạch thì điện áp đầu vào lúc này được biến đổi xuống mức điện áp ắc quy và chúng có công dụng như một ắc quy có dung lượng lớn vô cùng (nếu không bị sự cố lưới điện), mạch inverter [3] sẽ đóng vai trò một bộ ổn định điện áp. Vì vậy chỉ với các loại UPS online mới có công dụng ổn áp một cách triệt để. Hình 4.1. Sơ đồ kết nối thiết bị lưu điện UPS -Offline +) UPS Online Hình 4.2. Sơ đồ kết nối thiết bị lưu điện UPS -Online 174 - Khi điện áp lưới điện không đảm bảo (quá cao, quá thấp) hoặc mất điện thì lúc này mạch điện chuyển sang dùng điện cung cấp ra từ ắc quy và bộ inverter.. - Thời gian chuyển mạch từ khi sự cố điện lưới cho đến khi nguồn pin cung cấp cho thiết bị tiêu thụ được hiểu một cách đơn giản thế này: Công tắc ngắt điện khỏi nguồn lưới để chuyển sang dùng điện từ pin phải đảm bảo khi ngắt hoàn toàn ra khỏi lưới điện mới được phép cung cấp điện từ bộ inverter (trên thực tế thì các UPS này có đến hai "công tắc chuyển mạch" kiểu như trên dược điều khiển cùng lúc - trong kỹ thuật thường gọi là "rơ le") bởi nếu không dòng điện cung cấp từ pin sẽ phải cấp cho cả lưới điện địa phương - và cũng như máy phát điện, hệ thống sẽ hư hỏng vì quá tải. 4.2. Bộ điều khiển chuyển đổi nguồn tự động (Automatics transfer Switches ATS) ATS là một hệ thống chuyển đổi nguồn tự động có tác dụng khi nguồn chính bị mất thì ATS sẽ khởi động và chuyển sang nguồn dự phòng. Có ATS chuyển đổi giữa nhiều nguồn và giữa hai nguồn, tuy nhiên phổ biến thường dùng loại chuyển đổi giữa hai nguồn, nguồn dự phòng thông thường là máy phát điện. khi mất nguồn chính (điện lưới mất) ATS sẽ khởi động và kiểm soát khởi động máy phát điện. Chuyển tải sang sử dụng nguồn điện dự phòng là máy phát điện. Tại nhà máy điện cũng dùng ATS để kết nối nguồn dự phòng. Ngoài ra ATS được chế tạo dưới dạng tủ chuyển đổi nguồn tự động còn có chức năng bảo vệ khi lưới điện và điện máy phát bị sự cố như mất pha, mất trung tính, thấp áp, thời gian chuyển đổi có thể điều chỉnh được, bên cạnh còn có chức năng như là bộ định thời theo thời gian thực. Để đảm bảo nhu cầu vào các thời gian ca nghỉ, ngày nghỉ nếu có mất nguồn điện chính hệ thống sẽ khởi động máy phát điện mini nhằm đáp ứng hệ thống chiếu sáng thông thường, hệ thống sẽ không khởi động hệ thống máy phát điện chính gây lãng phí nhiên liệu, vào những ca làm việc thì ATS vẫn chuyển sang nguồn dự phòng nếu mất điện lưới. 175 Hình 4.3. Sơ đồ đấu nối ATS- Máy phát điện Về nguyên tắc các bộ ATS đã tự động chuyển mạch, tuy nhiên nếu để ATS chuyển mạch tự nhiên có rất nhiều hạn chế và nguy hiểm cho thiết bị và nguồn điện. Do vậy, khi sử dụng ATS người ta phải ráp mạch điều khiển nó chuyển mạch theo các yêu cầu cụ thể. Mạch điều khiển ATS thực ra không khó, tuy nhiên việc ráp mạch tốn thời gian, không phải ai cũng làm được và thiết bị rời cũng không rẻ. Bộ điều khiển ATS hiệu MCU nhằm thay thế việc ráp mạch rời bằng 1 thiết bị chuyên dùng với các chức năng cơ bản nhất cho phép chuyển mạch bằng tay hoặc tự động và thời gian chuyển mạch của mỗi nguồn điện. Mục đích chính của bộ điều khiển ATS hiệu MCU là : - Đáp ứng đủ các yêu cầu cơ bản nhất của việc điều khiển chuyển mạch ATS. - Giá thành rẻ nhưng độ ổn định và tin cây cao. Nếu so với mạch ráp bằng thiết bị rời thì cũng không đắt hơn là bao. 176 - Lắp ráp và điều chỉnh dễ dàng không cần kiến thức chuyên môn vẫn ráp mạch chạy tốt được. - Nhỏ gọn, mẫu mã đẹp thích hợp với các tủ nhỏ và vừa. Sơ đồ đấu dây : Hình 4.4. Sơ đồ đấu nối ATS hiệu MCU 4.3. Bộ đo tốc độ quay bằng xung tỷ lệ (Incremental rotary encoders) 4.3.1. Bộ mã hóa Encoder Encoder là thiết bị dùng để đo lượng dịch chuyển thẳng hoặc góc đồng thời chuyển vị trí thẳng hoặc vị trí góc đó thành tín hiệu nhị phân và nhờ tín hiệu đó ta có thể xác định vận tốc và vị trí của đối tượng trên trục. Nếu phân loại encoder theo cách thức chuyển động thì ta có 2 loại: encoder thẳng và encoder quay. Nếu phân loại theo phương pháp mã hóa thì ta có: encoder tương đối và 177 encoder tuyệt đối. Encoder trong động cơ servào được sử dụng là loại encoder tương đối, cấu tạo, nguyên lý hoạt động của loại encoder này . a. Cấu tạo của encoder tương đối Cấu tạo của encoder quay nói chung gồm có bốn thành phần chính: nguồn phát quang, đĩa phát xung, bộ nhận quang và mạch tạo xung. LED phát Phototransistor thu Trục Đĩa quay Code track Hình 4.5 Nguyên lí hoạt động của Encoder Đĩa phát quang được làm bằng các vật liệu trong suốt hoặc bằng các vật liệu chắn sáng. Nếu đĩa làm bằng vật liệu trong suốt thì đĩa sẽ được mã hóa bởi các thành phần hình quạt sáng và tối xen kẽ nhau. Nếu đĩa làm từ các vật liệu chắn sáng thì đĩa sẽ được mã hóa bằng cách đục lỗ. Đĩa phát xung được lắp trên trục và chuyển động quay cùng với trục. Với loại encoder tương đối, đĩa phát xung thường có lỗ định vị và hai vòng lỗ: vòng lỗ 1 và vòng lỗ 2. Vị trí góc của các lỗ vòng 1 và các lỗ vòng 2 lệch nhau 90º. Các cạnh của lỗ vòng 2 nằm ngay giáữa các lỗ vòng 1 và ngược lại. b. Nguyên lý hoạt động của encoder tương đối Khi động cơ quay, đĩa phát xung sẽ quay theo. Khi đĩa quay tới vòng có lỗ thì ánh sáng từ nguồn phát quang có thể xuyên qua, ngược lại nếu đĩa quay tới vòng không có lỗ thì ánh sáng sẽ bị chặn lại. Ở phía bên kia của đĩa phát xung ta đặt các bộ nhận quang (phototransitor). Cứ mỗi lần phototransitor nhận được ánh sáng thì encoder sẽ tăng một đơn vị trong biến đếm. Bộ nhận quang thứ nhất sẽ nhận ánh sáng từ vòng lỗ 1, tín hiệu từ bộ nhận quang 1 sẽ được truyền ra cổng A của encoder. Bộ nhận quang thứ hai sẽ nhận ánh sáng từ vòng lỗ thứ 2, 178 tín hiệu từ bộ nhận quang này sẽ đưa ra cổng B của encoder. Và bộ nhận quang cuối cũng sẽ nhận ánh sáng từ lỗ định vị tín hiệu từ bộ nhận quang này sẽ đưa ra cổng Z của encoder. Tuy nhiên, trong thực tế thay vì làm hai vòng encoder và dùng hai đèn LED đặt thẳng hàng, thì người ta chỉ cần làm một vòng lỗ và đặt hai đèn LED lệch nhau. Loại encoder được cấu tạo theo phương pháp này cũng có 3 đầu ra cơ bản: A, B và Z. Để xác định chiều quay của động cơ ta có thể căn cứ vào tín hiệu đầu ra ở cổng A và B của encoder. Nếu xung tại cổng A lên 1 trước xung tại cổng B thì encoder đang quay theo chiều thuận. Ngược lại, nếu xung tại cổng A lên 1 sau xung tại cổng B thì encoder đang quay theo chiều ngược. Khi xung Z lên 1 thì encoder đó quay được một vòng. Hình 4.6. Encoder tương đối c. Phương pháp xác định vận tốc Đựa vào xung gửi về từ encoder ta dùng một bộ counter có chức năng đếm số xung gửi về, bên cạnh đó ta sử dụng một bộ timer để trích mẫu. Ta có: thời gian trích mẫu là Tm(s), số xung đếm được trong thời gian Tm là N, độ phân giải của encoder là NO (xung/vòng). Trong Tm(s) đếm được N xung  trong 1 phút đếm được 60N/Tm xung Trong một vòng đếm được NO xung  Tốc độ quay thực: 60N/Tm. NO. d. Phương pháp xác định quãng đường chuyển động Ta có encoder có bán kính là R  chu vi của encoder là C = 2πR.Khi encoder phát ra 1 xung thì quãng đường dịch chuyển của đối tượng: L = 2πR/ 179 NO. Vậy nếu encoder phát ra số xung là N1 thì đối tượng sẽ đi được quãng đường: L1 = N1 2πR/ NO. 4.4. Bộ điều khiển nhiệt độ (Temperature conútrollers) Bộ điều khiển nhiệt độ được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp, là những dụng cụ khởi đầu và quan trọng cho sự điều khiển nhiệt độ để nhận được kết quả mong muốn trong ngành công nghiệp. Bộ điều khiển nhiệt độ 4 kênh, 3 chế độ. Chúng ta nghiên cứu 2 phương pháp ON/OFF, PID và đối tượng điều khiển là lò nhiệt độ a) Sơ đồ khối mạch đo nhiệt độ Hình 4.7. Sơ đồ khối chi tiết của mạch đo nhiệt độ Hình 4.8. Sơ đồ nguyên lý mạch đo nhiệt độ dùng AD 595 180 a) Nguyên lý đo Thermocouple loại K biến đổi thông số nhiệt thành đại lượng điện sau đó đưa vào mạch chế biến tín hiệu (gồm: Bộ cảm biến, hệ thống khuếch đại, xử lý tín hiệu). Bộ chuyển đổi tín hiệu số ADC (Analog Digital Converter) làm nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số và kết nối với khối sử lý trung tâm. Khối này có nhiệm vụ thực hiện những phép tính và xuất ra những lệnh trên cơ sở trình tự những lệnh chấp hành đó được lập trình trước đó. Khối giao tiếp máy tính dùng Max232 để truyền nhận dữ liệu từ máy tính và có thể điều khiển cài đặt thông số qua giao diện máy tính. Khối công suất dùng SSR(Solid State Relay) để cung cấp năng lượng nung điện trở đốt lò. Khối hiển thị dùng LCD20x4 để thông báo nhiệt độ đặt, nhiệt độ đo và chế độ điều khiển. AD 595 là một IC chuyên dụng để khuếch đại cho Thermocouple loại K cho đầu ra tuyến tính 10mv/0C. Tín hiệu nhiệt độ được đo qua đầu dò nhiệt (Thermocouple loại K) sau đó được đưa vào IC khuếch đại AD 595, tín hiệu từ bộ khuếch đại sau đó được đưa vào đầu vào bộ chuyển đổi ADC b) Các phương pháp điều khiển +) Phương pháp điều khiển ON/OFF * Điều khiển ON/OF: Là phương pháp điều khiển đơn giản dễ thiết kế và giá thành rẻ, nhưng điều khiển sẽ bị dao động quanh nhiệt độ đặt chứ không ổn định. Phương pháp này thường dùng cho đối tượng cho phép khoảng nhiệt độ rộng. Tín hiệu được thu vào từ đầu dò sẽ qua mạch khuếch đại, sau đó vào chân ADC của vi điều khiển ATMEGA32. Tại đây tín hiệu này sẽ được sử lý (Bằng chương trình đó được lập trình và nạp vào trước đó) để đưa ra nhiệt độ hiện tại. Từ nhiệt độ hiện tại vi điều khiển sẽ tính toán và xuất ra tín hiệu điều khiển dựa vào những phương thức điều khiển được lựa chọn như ON/OFF, PID. Tín hiệu này được đưa đến khối công xuất gồm bộ OPTO PC817. Khi nhiệt độ đo nhỏ hơn nhiệt độ đặt OPTO dẫn điện làm kích bộ SSR (Solid State – Relay bán dẫn) và sẽ cung cấp nguồn để nung điện trở nhiệt bên trong lò. Nhiệt độ của lò cũng như phương thức điều khiển sẽ được cài đặt thông qua khối bàn phím giao tiếp người dùng. Khối LCD dùng để hiển thị tất cả những thông số cài đặt và thông số điều khiển. 181 Lưu đồ giải thuật điều khiển ON/OF Hình 4.9. Lưu đồ giải thuật điều khiển ON/OF Kết quả điều khiển ON/OFF 60 T%=10 80 T%=15 100 T%=10 150 T%=4 Thời gian đặt 8 minute 8 minute 10 minute 13 minute Độ vọt lố 5 6 3 4 Thời gian ổn định None None None None Sai số nhiệt ± 5 ± 5 ± 5 ± 5 182 Hình 4.10. Đồ thị đáp ứng nhiệt độ lò theo phương pháp điều khiển ON/OF Từ hình trên thấy nhiệt độ không ổn định ở nhiệt độ đặt mà giao động quanh điểm đặt, tuy nhiên vẫn nằm trong vùng sai số cho phép. +) Phương pháp điều khiển PID Hệ thống điều khiển vòng kín là hệ thống sẽ xác định sai khác giữ trạng thái mong muốn và trạng thái thực (sai số) và tạo ra lệnh điều khiển để loại bỏ sai số này. Hệ thống điều khiển có thể sử dụng P, PI, PD hoặc PID để hiệu chỉnh sai số. Nhìn chung vấn đề ở đây là “hiệu chỉnh” hệ thống bằng cách lựa chọn những giá trị thích hợp trong 3 cách nêu trên. Lưu đồ giải thuật PID 183 0 0 ( ) ( ). t de t e t dt KD y dt   Hình 4.11. Lưu đồ giải thuật điều khiển PID Phương trình trong miền thời gian: y(t) = KP.e(t)+KI. Hàm truyền G(s)=KP+KI/s+KD.s 184 Kết quả điều khiển PID 60 Tck=1 Kp=400 Ki=80 Kd=42 100 Tck=1 Kp=400 Ki=80 Kd=42 150 Tck=1 Kp=400 Ki=80 Kd=42 150 Tck=1 Kp=400 Ki=80 Kd=44 Thời gian đặt 7 minute 12 minute 14 minute 25 minute Độ vọt lố 5 5 2 None 1 Thời gian ổn định 12 minute 10 minute 8 minute 7 minute Sai số nhiệt ± 2 ± 2 ± 2 ± 2 Hình 4.12. Đồ thị đáp ứng nhiệt độ lò theo phương pháp điều khiển PID Trên hình trên ta thấy: - Với thông số như trên độ vọt lố gần như không có và thời gian tăng trưởng chấp nhận được. - Đáp ứng tốt nếu thông số PID hợp lý độ vọt lố có thể điều khiển đến mức thấp nhất bằng cách giảm thông số Kd. - Có thể thay đổi thời gian tăng trưởng của hệ bằng cách điều chỉnh Kp. - Hệ nhanh ổn định sau thời gian xác lập. 4.5 Màn hình giao diện điều khiển (programmable terminal) 4.5.1 Tổng quan về HMI Ngày nay trên thế giới các hệ thống tự động hóa, các robot đều được tích 185 hợp các hệ thống giao tiếp người và máy rất thông minh. Hệ thống này, không những cho phép con người có thể điều khiển một cách dễ dàng các thiết bị mà nó còn cung cấp các thông tin cần thiết cho người điều khiển một cách trực quan nhất. Một hệ thống thông minh thì không thể thiếu được hệ giao tiếp này. Hình 4.13. Màn hình HMI trong công nghiệp Để thực hiện được hệ thống này, người ta thường dùng các loại màn hình hiển thị sau đó sử dụng các phím bấm phản hồi lại hệ thống hay robots. Tuy nhiên phương pháp này chưa tối ưu về mặt kỹ thuật và thẩm mỹ. Khi sử dụng một lúc màn hình và nút bấm, bạn sẽ mất rất nhiều không gian lắp đặt đồng thời sự hoạt động cơ học của nút bấm không được đảm bảo an toàn kỹ thuật. Ngày nay, với sự ra đời của các màn hình cảm ứng công nghiệp và máy tính công nghiệp có tích hợp màn hình cảm ứng là giải pháp tốt nhất cho các hệ thống HMI. Hình 4.14. Màn hình HMI 186 4.5.2. Khái niệm HMI (Human Machine Interface) là giao diện giữa người và máy, là một hệ thống để người dùng giao tiếp, thông tin qua lại với hệ thống điều khiển thông qua bất kỳ mọi hình thức. HMI cho phép người dùng theo dõi, ra lệnh điều khiển toàn bộ hệ thống. HMI có giao diện đồ họa, giúp cho người dùng có cái nhìn trực quan về tình trạng của hệ thống. Ví dụ, như những chương trình nhập liệu, báo cáo, văn bản, hiển thị led, khẩu lệnh bằng giọng nói... bất cứ cách nào mà con người “giao diện” với một máy móc thì đó là một HMI. Cảm ứng trên lò viba của bạn là một hệ thống HMI, hệ thống số điều khiển trên máy giặt, bảng hướng dẫn lựa chọn phần mềm hoạt động từ xa trên TV đều là HMI. Màn hình HMI được ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp. Màn hình gồm nhiều chủng loại khác nhau của các hãng như Mitsubishi, Siemen, Omron, Delta,... Mỗi hãng sản xuất đều có một số tính năng như bộ lập trình bằng tay, giám sát quá trình sản xuất, truy nhập các thông số, dữ liệu cài đặt... Hình 4.15. Kết nối màn hình HMI trong công nghiệp 187 4.5.3. Cấu trúc HMI Cấu trúc HMI gồm 2 phần: - Đầu vào: cho phép người sử dụng thao tác hệ thống, là các giá trị, dữ liệu thu thập từ bộ điều khiển (giá trị trong các thanh ghi của PLC như các giá trị thực tế của quá trính sản xuất, giá trị đặt mặc định...) hay từ các thiết bị nối trực tiếp để lưu trữ, hiển thị... - Đầu ra: truyền tín hiệu từ bộ điều khiển nối kèm bộ điều khiển thực hiện tác vụ điều khiển. HMI đơn thuần chỉ là giao tiếp không thế thực hiện công việc điều khiển. Các thành phần của HMI + Phần cứng + Màn hình + Các phím bấm + Chip: CPU, ROM, RAM, EPROM/FLASH... + Phần Firmware + Các đối tượng + Các hàm và lệnh + Phần mềm phát triển + Các công cụ xây dùng HMI + Các công cụ kết nối, nạp chương trình và gỡ rối + Các công cụ mô phỏng + Truyền thông: các cổng truyền thông và các phương thức truyền thông Các thông số đặc trưng của HMI + Độ lớn màn hình: quyết định thông tin cần hiển thị cùng lúc của HMI + Dung lượng bộ nhớ chương trình, bộ nhớ dữ liệu, Flash dữ liệu: quyết định số lượng tối đa biến số và dung lượng lưu trữ thông tin + Số lượng các phím và các phím cảm ứng trên màn hình: khả năng thao tác vận hành 188 + Chuẩn truyền thông, các giao thức hỗ trợ + Số lượng các đồi tượng, hàm lệnh và HMI hỗ trợ + Các cổng mở rộng: Printer, USB, CF, PCMSIA, PC100... 4.5.4. Nhiệm vụ cơ bản của HMI - Hiển thị quá trình: quá trình được hiển thị trên thiết bị HMI. Màn hình trên thiết bị HMI được cập nhật một cách năng động. Điều này được dựa trên các chuyển tiếp quá trình - Điều khiển vận hành của quá trình: người vận hành có thể điều khiển quá trình bới HMI. Ví dụ, người vận hành có thể đặt trước các giá trị tham khảo cho điều khiển hay khởi động một động cơ. - Hiển thị các cảnh báo: các quá trình nghiêm trọng tự động khởi phát báo động. Ví dụ khi giá trị đặt được vượt quá. - Lưu trữ các giá trị và cảnh báo quá trình: hệ thống HMI có thể ghi lại các cảnh báo và giá trị quá trình. Tính năng này cho phép bạn lưu trữ các dữ liệu quá trình và lấy các dữ liệu của sản xuất từ trước. - Ghi chép các cảnh báo và các giá trị quá trình: hệ thống HMI có thể đưa ra các cảnh báo quá trình và các giá trị. Tính năng này cho bạn in ra các dữ liệu sản xuất ở cuối ca làm việc. - Quản lý thông số máy móc và quá trình: hệ thống HMI có thể lưu giữ các thông số của các quá trình và máy múc dưới dạng công thức. Ví dụ bạn có thể download những thông số trên một đường dẫn từ thiết bị HMI tới PLC để thay đổi kiểu sản xuất của sản phẩm Để lập trình giao diện thông báo và điều khiển trong công nghiệp, đối với Siemens thì có các modul panel HMI như OP3, OP73, OP37... Chức năng là để quản lý và giám sát các trạng thái hoạt động trong công nghiệp, Các HMI Panel sẽ liên kết với PLC lấy các Tag để hiển thị và hoạt động. 189 Hình 4.16. Các Modul Panel lập trình HMI Phần mềm để thiết kế và lập trình giao diện cho HMI Panel là Protool hoặc WinCC flexible. Hiện nay hầu hết dùng WinCC flexible. 4.5.5. Màn hình HMI của một số hãng 1) Màn hình HMI OMRON - NP3-MQ001B: Màn hình đơn sắc 3.8", 6 phím chức năng - Hiển thị: LCD Monochrome 8 grayscale levels - Độ phân giải: 320 px (H) x 240 px (V) - Góc nhọn: Trỏi / phải ±30°, Trên 10°, Dưới 30° - Bộ nhớ: 3MB - Hỗ trợ: Thẻ nhớ USB (FAT32) - Tuổi thọ màn cảm ứng: 1 000 000 lần nhấn tối tháiểu - Có sẵn cổng RS232C, RS422/RS485, USB - Nguồn cấp: 24VDC - Tiêu chuẩn: EC Directives, cULus (UL508) 190 - Giao tiếp PLC các hãng: OMRON, Allen Bradley, LG (LS), Mitsubishi, Modbus, Modicon, Siemens 2) Màn hình SIMATIC TP270 của Siemen - Màu sắc: 256 màu - Giao tiếp với PLC: S5, S7-200, S7300/400 và các loại PLC khác - Công cụ lập trình: Pro Tool, WinCC Flexible - Cổng giao tiếp: 2RS232, RS422, RS485 - Nguồn điện: 24VDC 3) Màn hình HMI F940GOT-LWD-E của Mitsubishi - Điện áp nguồn cung cấp: 24 VDC - Loại màn hình: 5.7”, monochrome STN LÚCD - Màn hình hiển thị: 2 màu (trắng/đen) - Độ phân giải: 320 x 240 - Bộ nhớ: 512KB - Hỗ trợ nhiều cổng giao tiếp PLC: RS-232, RS-422 4.5.6. Một số hệ điều khiển giám sát sử dụng HMI 1) Hệ điều khiển giám sát truyền động điện xoay chiều ổn định tốc độ qua mạng truyền thông với HMI 191 Inverter (Biến tần) PLC trạm chủ Người vận hành PLC trạm tớ Màn hình HMI Bộ tạo tải Đo lường tốc độ Mạng công nghiệp Mạng công nghiệp Hình 4.17. Sơ đồ khối hệ điều khiển giám sát ổn định tốc độ truyền động điện xoay chiều qua mạng công nghiệp với HMI Thành phần của hệ thống gồm: - Hạt nhân cơ bản của hệ thống l biến tần của hãng SIEMENS. - Động cơ không động bộ 3pha kết hợp bộ tạo tải. - PLC S7300 của hãng SIEMENS kết nối mạng Simatic Net. - Mn hình HMI của hãng SIEMENS. - Encorder đo tốc độ động cơ. Màn hình HMI cho phép người sử dụng điều khiển động cơ từ màn hình bằng cách thiết lập các thông số như tần số đặt, thông số của bộ điều khiển từ màn hình xuống PLC trạm chủ, từ PLC truyền xuống biến tần điều khiển động cơ. Với giao diện này người dùng có thể đọc được tốc độ động cơ trong ô tốc độ và quan sát được dạng đặc tuyến tốc độ trong quá trình tăng, giảm tốc độ của động cơ, thời gian cập nhật tốc độ là 200µs. 1) Tổng hợp và đặc điểm hệ điều khiển vị trí hệ TĐĐ xoay chiều qua mạng truyền thông công nghiệp với HMI 192 Inverter (Biến tần) PLC trạm chủ Người vận hành PLC trạm tớ Màn hình HMI Bộ tạo tải Đo lường tốc độ, vị trí Mạng công nghiệp Mạng công nghiệp Hình 4.18. Sơ đồ khối hệ điều khiển giám sát vị trí qua mạng công nghiệp với HMI Thành phần của hệ thống gồm: - Hạt nhân cơ bản của hệ thống là biến tần của hãng SIEMENS. - Động cơ không động bộ 3pha kết hợp bộ tạo tải. - PLC S7300 của hng SIEMENS kết nối mạng Simatic Net. - Màn hình HMI của hãng SIEMENS. Giao điện điều khiển được xây dựng trên nền Wincc flexible hiển thị trên màn hình HMI cho phép người sử dụng điều khiển động cơ từ màn hình bằng cách thiết lập các thông số như tần số đặt, tọa độ đặt, thông số của bộ điều khiển từ màn hình xuống PLC trạm Master, các thông số này được gửi từ Master sang Slaver qua mạng truyền thông công nghiệp Simatic net, từ PLC Slaver thông tin điều khiển truyền xuống biến tần điều khiển động cơ. Với giao diện này người dng có thể đọc được tốc độ động cơ trong ô tốc độ và quan sát được dạng đặc 193 tuyến tốc độ trong quá trình tăng, giảm tốc độ của động cơ. Ngoài ra với thời gian cập nhật 200µ. Dựa trên thuật toán quy đổi từ số xung đọc về từ encoder, chương trình PLC sẽ xử lý số xung nhận được qua cổng đếm xung tốc độ cao để tính toán ra tọa độ hay vị trí của đối tượng cần điều khiển. Tọa độ của đối tượng cần điều khiển sẽ được hiển thị trên màn hình điều khiển. 3) Điều khiển giám sát tọa độ qua mạng truyền thông công nghiệp Profibus với HMI . a) Yêu cầu điều khiển +) Phần chương trình điều khiển trên các trạm PLC - Thiết lập cấu hình phần cứng cho cc trạm. - Thiết lập cấu hình mạng Profibus cho 2 trạm Master v Slaver. - Lưu đồ thuật toán điều khiển - Chương trình điều khiển trên các trạm PLC +) Phần giao diện điều khiển trên màn hình HMI - Hai nút ấn quay thuận và quay ngược để điều khiển động cơ theo hai chiều quay thuận nghịch. - Cửa sổ nhập giá trị tốc độ đặt và hiển thị tốc độ phản hồi. - Các đèn báo trạng thái làm việc của động cơ. +) Phần cài đặt biến tần - Cài đặt biến tần với chức năng điểm đặt cố định. - Biến tần được cấp tín hiệu điều khiển từ PLC qua các đầu ra tương tự. b) Mô tả hệ thống Chương trình được lập trình trên PC sau đó được load xuống PLC thông qua PC Adapter (MPI). Sau khi PLC được load chương trình sẽ gửi lệnh xuống biến tần, sau đó biến tần sẽ xử lý thông tin để thực hiện yêu cầu công nghệ được lập trình đồng thời gửi các thông số hoạt động về PLC. 194 Động cơ là đối tượng điều khiển đóng vai trị là cơ cấu chấp hành nhận lệnh điều khiển từ Biến tần. Hệ truyền động: - Hệ vít me bi với tải dịch chuyển là bàn dao của máy CNC - Hộp giảm tốc với hệ số 27:1. - Hệ thống phanh. - Encoder: E40-S-6 – 2000 – 3 – N – 24 - Cảm biến từ tiệm cận. Khi động cơ quay với một tần số xác định qua hộp số sẽ làm giảm số vòng quay 27 lần và đây là tốc độ để quay vít me bi. Khi vít me quay sẽ làm bàn gá dao tịnh tiến, tùy theo chiều quay của động cơ mà bàn dao sẽ được tịnh tiến sang trái hoặc sang phải. Ba cảm biến từ tiệm cận để cảm nhận vị trí giữa hành trình, đầu hành trình và cuối hành trình. Gốc tọa độ được lấy ở giữa, từ đó bàn dao có thể dịch chuyển sang trái hoặc sang phải. Encoder được gắn ở trục tốc độ cao của động cơ nhằm giám sát, số vòng quay của động cơ. Khi ta muốn dịch chuyển bàn dao một khoảng cách bất kỳ, dựa vào hệ số giảm tốc của hộp số và bước vít của vít me bi ta sẽ biết được động cơ cần phải quay bao nhiêu vòng, từ đó encoder sẽ giám sát số vòng quay đó và đưa tín hiệu về PLC để dừng động cơ. Hệ thống phanh đĩa sẽ hỗ trợ để dừng động cơ. Động cơ được điều khiển dừng thông qua Biến tần. Biến tần có thể dừng chính xác động cơ thông qua việc cài đặt thời gian giảm tốc qua tham số P1120. Nếu ta đặt thời gian giảm tốc là 0s thì khi Biến tần nhận lệnh dừng động cơ sẽ dừng ngay lập tức đảm bảo độ chính xác. Phanh chỉ đóng vai trị hoạt động trong trường hợp khẩn cấp như cuối hành trình hay đầu hành trình của vít me hệ thống cảm biến bị lỗi hay ngắt truyển thông thì ta cần dùng phanh để đảm bảo an toàn cho thiết bị. 195 CPU 314C-2DP Cảm biến từ tiệm cận Biến tần Vít me Bàn gá Nguồn điện Thiết bị an toàn Trạm nguồn Encoder Hình 4.19. Mô tả hệ thống điều khiển vị trí cấp trường c) Yêu cầu công nghệ Hành trình của vít me được giới hạn bởi các cảm biến là cảm biến đầu, cảm biến giữa và cảm biến cuối. Nhiệm vụ của cảm biến đầu và cảm biến giữa là dừng động cơ để đảm bảo tính an toàn của vít me. Cảm biến giữa như là gốc để bàn gá bắt đầu hành trình. - Lần đầu khởi động bàn gá ở gốc tọa độ sau đó theo yêu cầu điều khiển mà bàn gá sẽ được dịch chuyển sang trái hay sang phải bao nhiêu mm. - Encoder có nhiệm vụ giám sát số vòng quay của động cơ ba pha. Thông qua số xung đếm được trên một vòng quay ta có thể tính được số vòng quay của động cơ ba pha từ đó tính được quãng đường di chuyển của vít me. - Với một bài toán xác định vị trí thì yêu cầu về độ chính xác luôn được đặt lên hàng đầu. Do phần tử truyền động là động cơ không đồng bộ ba pha với thuộc tính điều khiển phức tạp vì vậy việc dừng chính xác động cơ là rất quan trọng. 196 d) Các bước thực hiện +) Chương trình điều khiển trên các trạm PLC - Thiết lập cấu hình phần cứng - Chương trình PLC cần phải xử lý đọc xung từ encoder để xác định tọa độ của bàn chạy dao. Việc đọc xung này chương trình PLC cần thiết lập tương tự như bài thí nghiệm 2. - Phương pháp xác định giá trị nhập xung: Với cc số liệu: Encoder đếm được: 2000 xung/vòng. Hộp giảm tốc có tỉ số truyền 1:27 Bước vít: 6(mm) Vậy muốn vít me di chuyển một quãng đường S = 5mm thì ta tính như sau: Với bước vít là 6mm thì trục vít me quay được 1 vòng và làm cho bàn gá di chuyển 1 quãng đường là 6mm thì động cơ phải quay 54 vòng như vậy số xung Encoder đếm được là 54000 xung (do động cơ quay 1 vòng thì Encoder đếm được 2000 xung). Vậy ta có công thức tính xung cần để cho Encoder đếm là: Trong đó: X: Số xung mà Encoder cần đếm để vít me di chuyển qung đường S. V: Số xung vítme đếm được khi vítme quay được một vịng. S: Qung đường cần vít me di chuyển. B: Bước vít của vít me. Ví dụ: Cần Vít me di chuyển một quãng đường là S=5mm thì số xung cần nhập là: 197 Yes No No No No No YesYes YesYes Bắt đầu Điều kiện truyền thông Động cơ quay thuận? YesNo Động cơ quay ngược Động cơ quay thuận Kiểm tra điều kiện chạy ngược Kiểm tra điều kiện chạy thuận Kiểm tra nút dừng Đủ tọa độ đặt ?Đủ tọa độ đặt ? Dừng động cơ No Yes Hình 4.20.Lưu đồ thuật toán điều khiển vị trí 198 +) Giao diện điều khiển giám sát Hình 3.41.Lưu đồ thuật toán điều khiển vị trí +) Thông số cài đặt biến tần (thực hiện theo hướng dẫn của chương2) 199 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 1) Trình bày khái quát về thiết bị lưu điện (Uninterruptible Power Supply- UPS) 2) Trình bày khái quát về Bộ điều khiển chuyển đổi nguồn tự động (Automatics transfer Switches ATS) 3) Trình bày khái quát bộ đo tốc độ quay bằng xung tỷ lệ (Incremental rotary encoders) 4) Trình bày khái quát bộ điều khiển nhiệt độ (Temperature controllers) 5) Trình bày khái quát màn hình giao diện điều khiển (programmable terminal). 200 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Võ Hồng Căn - Phạm Thế Hựu. Đọc và phân tích mạch điện máy cắt gọt kim loại. Nhà xuất bản công nhân kỹ thuật. Hà Nội 1982. [2]. Trịnh Đình Đề -Võ Trí An. Điều khiển tự động truyền động điện. Đại học Bách khoa Hà Nội. Hà Nội 1986. [3]. Trịnh Đình Đề. Phân tích tổng hợp hệ thống điều khiển tự động truyền động điện, NXB khoa học và kỹ thuật năm 1996. [4]. Vũ Quang Hồi - Nguyễn Văn Chất- Nguyễn Thị Liên Anh. Trang bị điện – Điện tử máy công nghiệp dùng chung, NXB giáo dục năm 1996. [5]. Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Võ Văn Hà ; Tự động hóa với Simatic S7-300 ; Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật 2000. [6]. Lê Hoài Quốc, Chung Tấn Lâm ; Bộ điều khiển lập trình vận hành và ứng dụng; Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật 1999. [7].Tài liệu hướng dẫn sử dụng biến tần Siemen [8] Tài liệu hướng dẫn sử dụng Logo (LOGO!MANUAL). [9]. Ti liệu hướng dẫn giao tiếp người máy HMI [10].Statement list for S7 –300 And S7 – 400 Programming; xuất bản tháng 11 năm 2002 [11] Ladder logic (LAD) for S7 –3 00 And S7 – 400 Programming; xuất bản tháng 11 năm 2002