CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1. Lý do chọn đề tài: Hiện nay sự nghiệp công nghiệp hóa,hiện đại hóa ngày càng phát triển mạnh mẽ, sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, trong đó kỹ thuật điều khiển tự động cũng góp phần rất lớn tạo điều kiện để nâng cao hiệu quả trong quá trình sản xuất. Hiện nay, tự động hóa quá trình công nghệ đã thực sự phát triển và ứng dụng mạnh mẽ trong công nghiệp, cụ thể như công nghiệp hóa lọc dầu, công nghiệp hóa chất, công nghiệp xử lý nước, sản xuất giấy, sản xuất xi măng…cũng như trong các lĩnh vực khác của đời sống.
Nói chung, để nâng cao hiệu quả sản xuất, đảm bảo an toàn cho người, máy móc và môi trường trong công nghiệp chế biến, khai thác và năng lượng thì vấn đề điều khiển quá trình công nghệ là rất quan trọng. Điều khiển quá trình là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển,vận hành và giám sát các quá trình công nghệ, nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và đảm bảo các yêu cầu về bảo vệ con người, máy móc và môi trường. Trong điều khiển quá trình, bài toán đặt ra là điều chỉnh quá trình công nghệ có yêu cầu rất cao về độ tin cậy và tính sẵn sàng. Các đại lượng cần điều khiển như lưu lượng, áp suất, nhiệt độ…cần phải điều chỉnh để đáp ứng yêu cầu đặt ra.
Đặc thù của quá trình công nghệ là diễn biến tương đối chậm, mô hình phức tạp khó xác định, khả năng điều khiển hạn chế,khó thay đổi thiết kế về công nghệ. Nên trong điều khiển quá trình công nghệ ta phải thiết lập một hệ thống phù hợp với đặt thù của quá trình công nghệ. Hiện nay, trong công nghiệp hóa lọc dầu, công nghiệp hóa chất, công nghiệp xử lý nước,sản xuất giấy, sản xuất điện năng…Vấn đề điều khiển mức, lưu lượng dòng chảy cần đáp ứng với độ chính xác cao để phục vụ quá trình sản xuất đạt hiệu quả tốt hơn. Chính vì vậy, vấn đề dặt ra trong đề tài là điều khiển lưu lượng dòng chảy để ổn định mức chất lỏng với độ chính xác cao.
Với yêu cầu ứng dụng thực tế như vậy, đề tài nghiên cứu đối tượng chính ở đây là hệ bồn nước đôi. Hệ bồn nước đôi được hình thành với hệ thống bơm và xả chất lỏng nhưng luôn giữ ổn định theo giá trị mức đặt trước, cột chất lỏng của hai bồn được duy trì ổn định. Để làm được điều này thì đòi hỏi 1 phải điều khiển 2 đóng mở các van để điều tiết lưu lượng dòng chảy cũng như điều khiển lưu lượng chất lỏng từ máy bơm, bơm vào hệ thống bồn nước đôi, làm mức nước trong hai bồn luôn luôn giữ một giá trị đặt trước là không đổi. Việc điều khiển hệ thống này để giữ được mức chất lỏng trong hai bồn ổn định là tương đối khó,cần phải có sự điều khiển phối hợp giữa các van và máy bơm.
Với sự phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động hiện nay thì có nhiều cách để điều khiển mức chất lỏng của hệ thống bồn nước đôi, nhưng ở đây ta sử dụng bộ điều khiển PID kinh điển để điều khiển. Công việc điều khiển được thực hiện mô phỏng trên Matlab, với công cụ là Simulink. Mục tiêu Xây dựng một mô hình nhà thông minh đơn giản, hiệu quả và đáp ứng được các yêu cầu cơ bản của một ngôi nhà thông minh. Nghiên cứu và ứng dụng các công nghệ mới vào việc điều khiển và quản lý các thiết bị trong nhà.
Đánh giá khả năng ứng dụng của các giải pháp nhà thông minh vào thực tế. Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu phần cứng mô hình ngôi nhà thông minh. Hệ thống được điều khiển bằng Arduino. Hệ thống là một mô hình đơn giản và mang tính chất thí nghiệm, chưa có những tính năng phức tạp.
Hệ thống chỉ giám sát thông qua sóng Wifi cho nên còn hạn chế về khoảng cách. Phương pháp nghiên cứu Đề tài thiết kế và thi công hệ thống nhà thông minh sử dụng phương pháp: - Phương pháp nguyên cứu tài liệu. Tìm tài liệu trên mạng, báo, đài điện tử, giáo trình để đề tài nghiên cứu được hoàn thiện hơn. - Thiết kế và thi công mô hình nhà thông minh.
GIỚI THIỆU LINH KIỆN 2. Khái quát về cấu tạo của hệ bồn nước đôi: 2. Giới thiệu về các thành phần mô hình: 2. Arduino: - Tổng quan về Arduino Mega 2560: Nhắc tới dòng mạch Arduino dùng để lập trình, cái đầu tiên mà người ta thường nói tới chính là dòng Arduino UNO.
Hiện dòng mạch này đã phát triển tới thế hệ thứ 3 (R3). Bạn sẽ bắt đầu đến với Arduino qua thứ này. Bạn có thể dùng Arduino Nano cũng được nhưng mình khuyên bạn nên dùng Arduino Mega 2560. Arduino Mega 2560 Arduino Mega 2560 có thể sử dụng một vi điều khiển duy nhất, đó là vi điều khiển ATmega2560 thuộc họ AVR 8-bit của Microchip.
Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo nhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD,…. Arduino Mega 2560 có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7 - 12V DC và giới hạn là 6-20V. Thường thì cấp nguồn bằng pin vuông 9V là hợp lí nhất nếu bạn không có sẵn nguồn từ cổng 4 USB. Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, bạn sẽ làm hỏng Arduino Mega 2560 5 Bảng 2.
Thông số Arduino Mega 2560 Vi điều khiển Atmega2560 (họ 8bit) Tần số hoạt động 5V – DC16 MHz Điện áp hoạt động 7V - 20V, 1A Dòng tiêu thụ 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12V – DC Điện áp vào giới hạn 6-20V – DC Số chân Digital I/O 54 (15 chân PWM) Số chân Analog 16 chân Dòng tối đa trên mỗi chân 20 mA I/O Dòng ra tối đa (5V) 500 mA Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA 256 KB (Atmega2560) với 8KB dùng Bộ nhớ flash bootloader SRAM 8KB EEPROM 4 KB Kích thước 53 x 53 mm Với kích thước cực kì nhỏ gọn và khả năng tương tự như Arduino Uno, bạn có thể ứng dụng nó trong các dự án yêu cầu kích thước nhỏ và khối lượng nhẹ, chẳng hạn như quadrotor, xe điều khiển từ xa bằng bluetooth, nhện mini, flycam,. hay tất cả những ứng dụng gì mà các board Arduino khác mang lại nhưng vẫn có một kích thước cực kỳ nhỏ gọn. Chính điều đó đã mang lại sự khác biệt cho Arduino Nano. Sau đây là hình ảnh về một số ứng dụng của board Arduino Nano được áp dụng trong thực tế.
Ứng dụng của Arduino Mega 2560 trên thực tế - Sơ đồ chân và mạch nguyên lý Arduino Mega 2560: Hình 2. Sơ đồ chân Arduino Mega 2560 Theo sơ đồ chân thì ta thấy có 54 chân digital từ D1 đến D54, 15 chân analog từ A0 đến A15. Có thể sử dụng nguồn trực tiếp từ máy tính thông qua cổng mini USB, hoặc nếu cấp nguồn 7v trực tiếp cho Arduino thì cấp vào chân 5v và chân GND. Khi sử 7 dụng 8 nguồn lớn hơn 5v như 7v hoặc 9v thì phải dùng đến chân VIN và GND.
Chân 5v trên Arduino vừa có thể là chân cấp nguồn, cũng có thể là chân lấy nguồn nuôi. Arduino Mega 2560 gồm những phần chính: - Atmega 2560 họ AVR 8-bit - USB mini B … Hình 2. Sơ đồ nguyên lý Arduino Mega 256 2. Mạch điều khiển động cơ DC BTS 7960: Mạch Điều Khiển Động Cơ DC BTS7960 là một module điện tử được sử dụng để điều khiển động cơ DC dòng cao.
Nó tích hợp một cầu H hoàn chỉnh bao gồm hai MOSFET kênh P và hai MOSFET kênh N, cùng với một vi mạch điều khiển. Mạch điều khiển động cơ DC BTS 7960 Nguyên lý hoạt động: Khi cấp tín hiệu logic cao (3.3V hoặc 5V) cho chân IN1, MOSFET kênh P sẽ được kích hoạt, cho phép dòng điện chảy qua động cơ theo chiều thuận. Ngược lại, khi cấp tín hiệu logic cao cho chân IN2, MOSFET kênh N sẽ được kích hoạt, cho phép dòng điện chảy qua động cơ theo chiều nghịch. Tốc độ động cơ được điều chỉnh bằng cách thay đổi chu kỳ duty của tín hiệu PWM trên chân PWM.
Thông số Mạch điều khiển động cơ DC BTS 7960 Điện áp đầu vào 6~27V Dòng điện tải 43A mạch Tín hiệu logic điều 3.3 ~ 5V khiển Tần số điều khiển 25KHz tối đa Kích thước 40 50 x12mm + Cấu hình chân 10 Hình 2. Cấu hình chân VCC : Nguồn cấp 5V GND : Nối đất IS-R : Tín hiệu đầu vào để phát hiện dòng điện mức cao - Quay thẳng IS-L : Tín hiệu đầu vào để phát hiện dòng điện mức cao - Quay nghịch đảo EN-R : Tín hiệu đầu ra để điều khiển khiển hướng động cơ - Quay thẳng EN-L : Tín hiệu đầu ra để điều khiển hướng động cơ cơ - Quay nghịch đảo PWM-R : Tín hiệu PWM để điều khiển tốc độ động cơ - Quay thẳng PWM-L : Tín hiệu PWM để điều khiển tốc độ động cơ - Quay nghịch đảo M+ : Cực dương motor M- : Cực âm motor B+ : Cực dương pin B- : Cực âm pin + Sơ đồ kết nối 11 Hình 2. Sơ đồ kết nối Mạch Điều Khiển Động Cơ DC BTS7960 43A 2. Động cơ DC: Động cơ một chiều (động cơ DC, DC motor) có cấu tạo từ 2 bộ phận: bộ phân đứng yên được cấu tạo từ nam châm vĩnh cửu gọi là stato và bộ phận quay được cấu tạo là một nam châm điện cấu tạo từ 1 cuộn dây đồng có lõi là 1 thanh kim loại được gọi là roto.
Việc lựa chọn động cơ căn cứ vào các tiêu chí sau: - Tạo được áp suất nước - Lưu lượng nước cao - Dễ sử dụng - Dòng, áp. Trong đề tài này tôi sử dụng động cơ DC máy bơm áp suất DP - 521: ✓ Điện áp cung cấp từ 12V ✓ Áp suất tối đa: 0.8 bar) ✓ Lưu lượng nước: 3. Động cơ DC máy bơm áp suất DP - 521 Bảng 2. Thông số kỹ thuật máy bơm: Điện áp 12V Dòng điện 2A Áp suất tối đa 0.8 bar) Lưu lượng nước 3.5 lít/phút Kích thước 15.6 x 6 cm Trọng lượng 480g 2.
Cảm biến mực chất lỏng: 2. Tổng quan về cảm biến mực chất lỏng: Cảm biến mực chất lỏng không tiếp xúc là thiết bị điện tử được sử dụng để đo lường và kiểm soát mực chất lỏng trong các bình chứa, bể, hoặc đường ống mà không cần tiếp xúc trực tiếp với chất lỏng.