mở đầu Vị trí, ứng dụng PLC trong công nghiệp Mục tiêu - Phân biệt được các bài toán điều khiển động cơ và các bài toán điều khiển quá trình. - Rèn luyện đức tính cẩn thận, chính xác, tập trung trong công việc. Các bài toán điều khiển động cơ 1.1Các nguyên tắc điều khiển Quá trình làm việc của động cơ điện để truyền động một máy sản xuất thường gồm các giai đoạn: khởi động, làm việc và điều chỉnh tốc độ, dừng và có thể có cả giai đoạn đảo chiều. Xét động cơ là một thiết bị động lực, quá trình làm việc và đặc biệt là quá trình khởi động, hãm thường có dòng điện lớn, tự thân động cơ điện vừa là thiết bị chấp hành nhưng cũng vừa là đối tượng điều khiển phức tạp.
Về nguyên lý khống chế truyền động điện, để khởi động và hãm động cơ với dòng điện được hạn chế trong giới hạn cho phép, thường dùng ba nguyên tắc khống chế tự động sau: - Nguyên tắc thời gian: Việc đóng cắt để thay đổi tốc độ động cơ dựa theo nguyên tắc thời gian, nghĩa là sau những khoảng thời gian xác định sẽ có tín hiệu điều khiển để thay đồi tốc độ động cơ. Phần tử cảm biến và khống chế cơ bản ở đây là rơle thời gian - Nguyên tắc tốc độ: Việc đóng cắt để thay đổi tốc độ động cơ dựa vào nguyên lý xác định tốc độ tức thời của động cơ. Phần tử cảm biến và khống chế cơ bản ở đây là rơle tốc độ. - Nguyên tắc dòng điện: Biết tốc độ động cơ do mô men động cơ xác định, mà mô men lại phụ thuộc vào dòng điện chạy qua động cơ, do vậy có thể đo dòng điện để khống chế quá trình thay đổi tốc độ động cơ điện.
Phần tử cảm biến và khống chế cơ bản ở đây là rơle dòng điện. Mỗi nguyên tắc điều khiển đều có ưu nhược điểm riêng, tùy từng trường hợp cụ thể mà chọn các phương pháp cho phù hợp.Các thiết bị điều khiển Để đóng cắt không thường xuyên thường dùng áptômát. Trong áptômát hệ thống tiếp điểm có bộ phân dập hổ quang và các bộ phân tự động cắt mạch để bảo 11 vệ quá tải và ngắn mạch. Bộ phận cắt mạch điện bằng tác động điện từ theo kiểu dòng điện cực đại.
Khi dòng điện vượt quá trị số cho phép chúng sẽ cắt mạch điện để bảo vệ ngắn mạch, ngoài ra còn có rơle nhiệt bảo vệ quá tải Phần tử cơ bản của rơle nhiệt là bản lưỡng kim gồm hai miếng kim loại có độ dãn nở nhiệt khác nhau dán lại với nhau. Khi bản lưỡng kim khi bị đất nóng (thường là bằng dòng điện cần bảo vệ) sẽ bị biến dạng (cong), độ biến dạng tới ngưỡng thì sẽ tác động vào các bộ phận khác để cắt mạch điện. Các rơle điện từ, công tắc tơ tác dụng nhờ lực hút điện từ. Cấu tạo của rơle điện từ thường gồm các bộ phân chính sau: cuộn hút; mạch từ tĩnh làm bằng vật liệu sắt từ; phần động còn gọi là phần ứng và hệ thống các tiếp điểm Mạch từ của rơle có dòng điện một chiều chạy qua làm bằng thép khối, còn mạch từ của rơle dòng điện xoay chiều làm bằng lá thép kỹ thuật điện.
Để chống rung vì lực hút của nam châm điện có dạng xung trên mặt cực người ta đặt vòng ngắn mạch. Sức điện động cảm ứng trong vòng ngắn mạch sẽ tạo ra dòng điện và làm cho từ thông qua vòng ngắn mạch lệch pha với từ thông chính, nhờ đó lực hút phần ứng không bị gián đoạn, các tiếp điểm luôn được tiếp xúc tết Tuỳ theo nguyên lý tác động người ta chế tạo nhiều loại thiết bị điều khiển khác nhau như rơle dòng điện, rơle điện áp, rơle thời gian. Hệ thống tiếp điểm của các thiết bị điều khiển có cấu tạo khác nhau và thường mạ bạc hay thiếc để đảm bảo tiếp xúc tết. Các thiết bị đóng cắt mạch động lực có dòng điện lớn, hệ thống tiếp điểm chính có bộ phận dập hồ quang, ngoài ra còn có các tiếp điểm phụ để đóng cắt cho mạch điều khiển.
Tuỳ theo trạng thái tiếp điểm người ta chia ra các loại tiếp điểm khác nhau. Các bài toán điều khiển quá trình Điều khiển quá trình là quá trình 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. - Phạm vi ứng dụng: công nghiệp chế biến, khai thác và năng lượng. - Bài toán đặc thù và quan trọng nhất: điều chỉnh.
- Đối tượng điều khiển: quá trình công nghệ. Đặc thù của các quá trình công nghệ: - Quy mô sản xuất thông thường vừa và lớn. 12 - Yêu cầu rất cao về độ tin cậy và tính sẵn sàng. - Các quá trình liên quan tới biến đổi năng lượng và vật chất Điều khiển quá trình công nghệ gồm 2 loại: - Điều khiển quá trình liên tục: điều khiển một quá trình công nghệ hoạt động liên tục.
Ví dụ: các quá trình chưng cất, quá trình sản xuất điện, quá trình sản xuất xi măng… - Điều khiển quá trình mẻ: điều khiển các quá trình công nghệ hoạt động theo mẻ. Ví dụ: quá trình trộn bê tông, quá trình phản ứng hóa chất, quá trình sản xuất bia… Mục đích điều khiển: - Đảm bảo hệ thống vận hành ổn định, trơn tru: đảm bảo các điều kiện vận hành bình thường, kéo dài tuổi thọ máy móc, vận hành thuận tiện. - Đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm: thay đổi tốc độ sản xuất theo ý muốn, giữ các thông số chất lượng sản phẩm biến động trong giới hạn quy định. - Đảm bảo vận hành an toàn: nhằm mục đích bảo vệ con người, máy móc, thiết bị và môi trường.
- Bảo vệ môi trường: giảm nồng độ các chất độc hại trong khí thải, nước thải, giảm bụi, giảm sử dụng nguyên liệu và nhiên liệu. - Nâng cao hiệu quả kinh tế, tăng lợi nhuận: giảm chi phí nhân công, nguyên liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu thay đổi của thị trường. Các chức năng điều khiển quá trình: Hình 1.1: Sơ chức năng điều khiển 13 Trong đó: - Điều khiển cơ sở: Gồm: + Điều chỉnh (điều chỉnh tự động, điều chỉnh bằng tay) + Điều khiển rời rạc (điều khiển thiết bị, khóa liên động quá trình) + Điều khiển trình tự (khởi động và dừng hệ thống, điều khiển phối hợp, điều khiển theo mẻ) + Điều khiển an toàn (khóa liên động an toàn) - Vận hành và giám sát: Gồm: + Thu thập và quản lí dữ liệu + Giao diện người-máy + Cảnh báo và báo động + Giám sát và chẩn đoán + Lập báo cáo tự động - Điều khiển cao cấp: Gồm: + Điều khiển quản lí mẻ. + Điều khiển chất lượng, điều khiển thống kê + Tối ưu hóa quá trình, điều khiển tối ưu hóa.
Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống điều khiển 14 Sơ đồ khối một vòng điều khiển: Hình 1.3: Sơ đồ vòng điều khiển Trong đó: - Thiết bị đo quá trình: Hình 1.4: Thiết bị đo quá trình Gồm: + Measurement device: Thiết bị đo, VD: đo nhiệt độ, áp suất, nồng độ + Transducer: bộ chuyển đổi theo nghĩa rộng, VD: áp suất - dịch chuyển, dịch chuyển – điện áp. + Sensor: Cảm biến, cũng là một dạng chuyển đổi, VD: cặp nhiệt, ống venturi, siêu âm… + Sensor element: cảm biến, phần tử cảm biến + Signal conditioning: điều hòa tín hiệu + Transmitter: chuyển đổi tín hiệu và truyền phát tín hiệu chuẩn. 15 - Thiết bị chấp hành: Hình 1.5: Sơ đồ thiết bị chấp hành Gồm: + Actuator: Thiết bị chấp hành, cơ cấu chấp hành (van điều khiển, máy bơm, quạt gió, chắn gió, rơ-le) + Actuator, actuating element: cơ cấu dẫn động, phần tử dẫn động (động cơ điện, khối chuyển đổi dòng-khí nén, cuộn hút từ…) + Final control element: Phần tử chấp hành (thân van, tiếp điểm, sợi đốt…) - Hệ thống vận hành và giám sát: Hình 1.6: Sơ đồ hệ thống giám sát Một số ví dụ về điều khiển quá trình: - Quá trình sản xuất hóa chất: 16 Hình 1.7: Sơ đồ sản xuất hóa chât - Lò hơi: Hình 1.8: Sơ đồ hệ lò hơi 17 Thiết bị điều khiển logic lập trình được PLC là dạng thiết bị điều khiển đặc biệt dựa trên bộ vi xử lý, sử dụng bộ nhớ lập trình được để lưu trữ các lệnh và thực hiện các chức năng, chẳng hạn cho phép tính logic, lập chuỗi, định giờ, đếm, và các thuật toán để điều khiển máy và các quá trình công nghệ. PLC được thiết kế cho các kỹ sư, không yêu cầu cao về kiến thức máy tính và ngôn ngữ máy tính, có thể vận hành.
Chúng được thiết kế cho các nhà kỹ thuật có thể cài đặt hoặc thay đổi chương trình. Vì vậy, các nhà thiết kế PLC phải lập trình sẵn sao cho chương trình điều khiển có thể nhập bằng cách sử dụng ngôn ngữ đơn giản (ngôn ngữ điều khiển). Thuật ngữ logic được sử dụng vì việc lập trình chủ yếu liên quan đến các hoạt động logic, ví dụ nếu có các điều kiện A và B thì C làm việc. Người vận hành nhập chương trình (chuỗi lệnh) vào bộ nhớ PLC.
Thiết bị điều khiển PLC sẽ giám sát các tín hiệu vào và các tín hiệu ra theo chương trình này và thực hiện các quy tắc điều khiển đã được lập trình. Các PLC tương tự máy tính, nhưng máy tính được tối ưu hoá cho các tác vụ tính toán và hiển thị, còn PLC được chuyên biệt cho các tác vụ điều khiển và môi trường công nghiệp. Vì vậy các PLC: + Được thiết kế bền để chịu được rung động, nhiệt, ẩm và tiếng ồn + Có sẵn giao diện cho các thiết bị vào ra + Được lập trình dễ dàng với ngôn ngữ điều khiển dễ hiểu, chủ yếu giải quyết các phép toán logic và chuyển mạch.