Chương 1: Tổng quan về bài toán điều khiển mức 1. Giới thiệu bài toán điều khiển mức Tự động hoá là ngành công nghệ mà lao động con người trong thời đại hiện nay đang hướng tới nhằm giảm bớt sức chân tay trong các hoạt động sản xuất của công nghiệp và cũng là một trong những phương hướng phát triển chủ yếu của công nghiệp sản xuất. Việc ứng dụng thành công các thành tựu của lí thuyết điều khiển tối ưu, công nghệ thông tin, công nghệ máy tính, công nghệ điện điện tử và các lĩnh vực khoa học kĩ thuật khác trong những năm gần đây đã dẫn đến sự ra đời và phát triển thiết bị điều khiển lập trình PLC. Công nghệ tự động giám sát và điều khiển mức chất lỏng cũng được nhiều công ti, xí nghiệp cũng như các nhà máy ứng dụng nhiều nhằm thay thế việc giám sát và điều khiển mức chất lỏng bằng phương pháp thủ công, công nghệ tự động giám sát mức chất lỏng đảm bảo việc kiểm soát, điều khiển lưu lượng chất lỏng sử dụng, bơm, xả chất lỏng một cách tin cậy mà không cần sự kiểm tra trực tiếp của con người.
Công nghệ này được ứng dụng nhiều trong việc xử lí nước thải, lọc hoá dầu, nhà máy nước, nhà máy thuỷ điện, hệ thông làm mát nhiệt điện, hệ thống làm mát điện hạt nhân, các bề nước, tháp nước tự động,… 1. Các phương pháp đo mức chất lỏng Phương pháp đo mức là một cách làm để đo lường mức chất lỏng một cách đơn giản và hiệu quả nhất. Nguyên lí đo mức dưới đây chúng ta coi chất lưu cần đo trong bình chứa chỉ là một loại duy nhất, bất biến. Trong thực tế, có nhiều phương pháp khác nhau được áp dụng để đo các mức chất lỏng trong từng điều kiện khác nhau.
Tùy thuộc vào yêu cầu thực tế của bài toán và tính chất vật lí và hóa học của chất lỏng cần đo để lựa chọn phương pháp đo và các thiết bị đo phù hợp. Hiện nay các thiết bị cảm biến cũng sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, đời sống. Mỗi loại đều có cách thức đo riêng và thế mạnh riêng về từng ứng dụng khác nhau. Một số loại cảm biến phổ biến đo mức chất lỏng Cảm biến là thiết bị dùng để đo, đếm, cảm nhận… các đại lượng vật lí, biến đổi các tín hiệu không điện thành các tín hiệu điện, tín hiệu từ cảm biến sẽ được chuyển tiếp thường xuyên về hệ thống điều khiển, kiểu đo có thể là liên tục hoặc điểm.
Dưới đây là một số loại cảm biến được dùng phổ biến trong điều khiển mức chất lỏng và công nghiệp. Sinh viên thực hiện: Dương Văn Đức Người hướng dẫn: ThS. Phan Thị Thanh Vân Trang 2 Trần Thanh Viện TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Thiết kế mô hình hệ thống điều khiển và giám sát mức chất lỏng trong bể chứa 1. Cảm biến tiệm cận điện dung Cảm biến tiệm cận điện dung là loại cảm biến kết cấu dạng que điện cực dài, được cắm trực tiếp vào chất lỏng cần đo.
Để đo mức, báo mức chất lỏng, ta có 2 cách đo chính: Đo on/off: hay còn gọi là báo đầy, báo cạn chất lỏng ở 2 mức cụ thể. Thông thường, loại cảm biến này được dùng để điều khiển bơm (khi bể đầy thì tắt bơm, khi bể cạn thì mở bơm). Đo liên tục: là kiểu giám sát dung tích chất lỏng bên trong bồn chứa. Loại này dùng để đo trong bồn chứa hiện tại có bao nhiêu lít nước, mức nước đang ở chiều cao bao nhiêu.1 Cảm biến điện dung đo on/off Sinh viên thực hiện: Dương Văn Đức Người hướng dẫn: ThS.
Phan Thị Thanh Vân Trang 3 Trần Thanh Viện TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Thiết kế mô hình hệ thống điều khiển và giám sát mức chất lỏng trong bể chứa Hình 1.2 Cảm biến điện dung đo mức chất lỏng Nguyên lí hoạt động: Cảm biến báo mức nước bằng điện dung sẽ hoạt động thông qua cơ chế phát ra tần số. Cụ thể thì tần số được phát ra ổn định trong suốt quá trình làm việc của cảm biến. Khi các loại vật liệu cần đo như chất lỏng hay chất rắn chạm vào đầu dò của cảm biến với một lượng vừa đủ có thể làm thay đổi tần số phát ra. Lúc này tùy vào phương thức đo lường của cảm biến là liên tục hay báo đầy báo cạn mà bộ phận xử lý sẽ cho ra tín hiệu tương ứng.
Cảm biến điện dung đo mức liên tục thì mực vật chất dâng cao đến đâu cảm biến sẽ cho ra tín hiệu đến đó, vì dòng này thường được tiếp xúc hoàn toàn và xuyên suốt với vật chất trong thùng chứa. Còn các dòng báo đầy báo cạn sẽ có kích thước ngắn hơn chuyên báo mức tại một vị trí nhất định và chỉ báo khi có mức vật liệu chạm vào đầu dò của chúng. Ưu điểm: Độ chính xác cao, dễ lắp đặt. Chịu được nhiệt độ và áp suất cao.
Lắp đặt đơn giản, chỉ cần thiết kế ren và gắn vào thành bồn chứa. Sinh viên thực hiện: Dương Văn Đức Người hướng dẫn: ThS. Phan Thị Thanh Vân Trang 4 Trần Thanh Viện TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Thiết kế mô hình hệ thống điều khiển và giám sát mức chất lỏng trong bể chứa Dùng được trong nhiều môi trường: xăng, dầu, chất rắn, nước,… Điện dung có loại dây cáp nối dài đo tối đa 40m với độ chính xác khá cao. Thông số kỹ thuật: Nguồn cấp: 6 - 30V DC.
Chuẩn bảo vệ: IP68. Loại cable sử dụng: PVC 2x0,34 mm2. Tín hiệu output: PNP, NAMUR. Nhiệt độ môi trường hoạt động: -25°C – +105°C.
Nhiệt độ phần chân ren chịu được: -25°C – +105°C. Áp suất tối đa chịu được: 5 MPa (50 bar). Có phiên bản Xi và NT dành cho môi trường nhiệt độ và áp suất cao. Xuất xứ: được sản xuất trực tiếp tại Cộng hòa Séc.
Tín hiệu đầu ra: Đối với loại cảm biến đo mức liên tục, tín hiệu output thường là 4- 20mA, 0-10V hoặc ModBUS RTU. Còn đối với loại cảm biến đo mức on/off thì tín hiệu output là dạng PNP hoặc NAMUR. Cảm biến siêu âm Cảm biến siêu âm là cảm biến đo mức chất lỏng mà không cần tiếp xúc. Loại cảm biến này rất an toàn để đo trong các môi trường có nguy cơ cháy nổ cao, chẳng hạn như đo mức xăng, dầu… Tuy nhiên, không phải vì phương pháp đo mức này là không tiếp xúc mà nó giảm độ chính xác.
Loại cảm biến này có độ chính xác rất cao khi sai số chỉ là 0,15% trên toàn dải đo. Sinh viên thực hiện: Dương Văn Đức Người hướng dẫn: ThS. Phan Thị Thanh Vân Trang 5 Trần Thanh Viện TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Thiết kế mô hình hệ thống điều khiển và giám sát mức chất lỏng trong bể chứa Hình 1.3 Cảm biến siêu âm đo mức Nguyên lí hoạt động của dòng cảm biến này là khi gắn trên nắp bồn chứa, bộ phận phát sóng siêu âm sẽ phát 1 chùm sóng xuống bề mặt chất lỏng. Chùm sóng này sau khi gặp bề mặt chất lỏng sẽ phản xạ lại cảm biến.
Lúc này cảm biến sẽ đóng vai trò là bộ thu sóng. Sau khi sóng siêu âm đã được thu lại, bộ phận xử lý trong cảm biến sẽ tính toán được khoảng cách từ cảm biến đến bề mặt chất lỏng dựa trên vận tốc của sóng siêu âm và thời gian sóng phản xạ lại. Lấy chiều cao bồn chứa trừ đi khoảng cách này, cảm biến sẽ tính ra được chiều cao mức chất lỏng trong bồn. Ưu điểm: Phương pháp đo không tiếp xúc mà vẫn đảm bảo độ chính xác cao với sai số 0,15%.
Cảm biến có màn hình hiển thị rõ ràng, giúp quan sát mức chất lỏng tốt hơn. Tín hiệu output có thể là 4-20mA / 0-10V / Modbus RTU. Sinh viên thực hiện: Dương Văn Đức Người hướng dẫn: ThS. Phan Thị Thanh Vân Trang 6 Trần Thanh Viện TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Thiết kế mô hình hệ thống điều khiển và giám sát mức chất lỏng trong bể chứa Có thể thay đổi được khoảng cách dễ dàng bằng cách chỉnh trực tiếp trên màn hình.
Nhược điểm: Cảm biến siêu âm thích hợp gắn trong những bồn chứa có chiều rộng vì nếu bồn hẹp thì sóng siêu âm sẽ bị cản bởi thành bồn. Khả năng chịu được nhiệt độ và áp suất không cao, nhiệt độ cao nhất là 70 độ C, áp suất cao nhất là 1 bar. Vùng mù của cảm biến siêu âm mỗi một loại cảm biến siêu âm đều có 1 khoảng cách được gọi là vùng mù của cảm biến siêu âm. Đây là khoảng cách từ bộ phát của cảm biến tính xuống phía dưới.4 Vùng mù của cảm biến siêu âm 1.
Cảm biến mức phao điện từ Phao cảm biến mức nước hay còn gọi là phao điện, phao báo mực nước là thiết bị cảm biến mức nước được thiết kế dạng phao giúp đo chính xác lưu lượng nước có trong bể chứa, bồn chứa, hồ chứa.truyền kết quả đo về bộ phận điều khiển nhằm đảm bảo cho máy bơm nước không bị cháy mỗi khi chạy không tải, hoặc tác dụng giúp chống tràn. Tín hiệu của loại này là on/off hoặc 4-20mA. Cấu tạo phần thân của cảm biến được làm từ nhiều chất liệu khác nhau như inox, PVC, PP,… Sinh viên thực hiện: Dương Văn Đức Người hướng dẫn: ThS. Phan Thị Thanh Vân Trang 7 Trần Thanh Viện TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Thiết kế mô hình hệ thống điều khiển và giám sát mức chất lỏng trong bể chứa Hình 1.5 Cảm biến dạng phao đo on/off Hình 1.6 Cảm biến dạng phao tuyến tính Nguyên lí hoạt động: Với dạng on/off nguyên tắc hoạc động là: Khi dung môi ở mức thấp thì phao cạn (on) sẽ báo cho rơle đóng công tắc bật motor bơm hoạt động, cho đến khi dung môi trong bồn lên mức cao (hay đầy) thì phao báo đầy (off) sẽ rơle ngắt công tắc tắt motor bơm ngưng hoạt động.
Sinh viên thực hiện: Dương Văn Đức Người hướng dẫn: ThS. Phan Thị Thanh Vân Trang 8 Trần Thanh Viện TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Thiết kế mô hình hệ thống điều khiển và giám sát mức chất lỏng trong bể chứa Với dạng tuyến tính thì cảm biến mức theo sự thay đổi mức điện trở, và mức thay đổi điện trở này được chuyển đổi thành tín hiệu 4-20mA tương ứng. Nghĩa là tại vị trí mực nước thấp nhất thì cảm biến cho ra mức tín hiệu là 4mA, và 20mA tại vị trí nước cao nhất. Và thường chúng ta dựa vào 2 mức tín hiệu này để kích rơle đóng hoặc ngắt motor bơm dung môi, nước…để báo đầy báo cạn cho ứng dụng.