Chương 1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1. KHÁI NIỆM VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÔNG NGHIỆP Các hệ thống điều khiển công nghiệp được thiết kế để phục vụ cho việc điều khiển các quá trình sản xuất. Ngày nay các hệ thống điều khiển công nghiệp thường là các hệ thống điều khiển bán tự động hoặc tự động hoàn toàn. Một hệ thống điều khiển tự động có thể khái quát dưới dạng sơ đồ khối như sau: Tín hiệu Tín hiệu Tin hiệu Nguồn công Cơ năng, điều khiển điều khiển điều khiển suất lớn, nhiệt năng, vật lý 22vDC 24v0C 220V, 380V Oo : Các thiết bị ' ' Thiết bị | ! ¡„ Jhu nhận và| 1 | Thiết bị xử | +.
| điểu khiển | ; ¡ |Ouatmn => chuyển đổi —>\ lý tín hiệu > công suất + _ công kín hiệu điểu| lớn (thiết bị nghệ Người khiển động lực) vận hành ~ Nút nhấn - Role — Công tac to — Động cơ ~ Cảm biến ~PLC ~ Biến tần. — Van điện từ. Tín hiệu điều khiển được phát ra từ người điều khiển hoặc từ quá trình, sẽ được các thiết bị thu nhận tín hiệu cảm nhận và biến đổi các tín hiệu dạng vật lý thành các tín hiệu điện áp (thông thường là 24V), tín hiệu này sẽ được thiết bị xử lý tín hiệu xử lý theo các luật logic hoặc chương trình đặt sẵn. Sau khi xử lý nó đưa tín hiệu ra để điều khiển các phần tử đóng/cắt công suất lớn để điều khiển nguồn năng lượng cấp cho cơ cấu chấp hành.
Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ biến năng lượng điện thành các dạng năng lượng khác để điều khiển máy sản xuất. Hệ thống này không có phần phản hồi nên có sai số lớn, do đó trong thực tế hệ thống này thường được dùng cho các điều khiển đóng cắt thông thường không cần yêu cầu cao về độ chính xác (ví dụ hệ thống đóng cắt cấp nguồn cho động cơ điện). Các thiết bị thu nhận, chuyển đổi tín hiệu điều khiển a) Nút nhấn tự phục hồi (push button) — Cấu tạo: Nút nhấn .__ Tiếp điểm --~ Com Lòxo NO NC Hình 1. Một dạng nút nhấn của Hình 1.
Cấu tạo nút nhấn. — Tác dụng: Nút nhấn thường được lắp ở mặt trước của các tủ điều khiển, nó dùng để ra lệnh điều khiển. Tín hiệu do nút nhấn tự phục hồi tạo ra có dạng xung. Ví dụ: Tín hiệu do tiếp điểm 0 0 thường mở tạo ra có dạng: — —.
' — Ký hiệu trên bản vẽ kỹ thuật: Nha Nhan Nha + Ky hiéu theo ban vé Viét Nam va Lién bang Nga: Tiếp điểm thường mở: Tiếp điểm thường đóng: —® ®—— —ele—— + Ký hiệu theo bản vẽ châu Âu: Tiếp điểm thường mở: Tiếp điểm thường đóng: 5 + Ký hiệu theo bản vẽ Nhật Bản: Tiếp điểm thường mở: Tiếp điểm thường đóng: ats —e e——. - b) Nút dừng khẩn (emergeney stop) - nút nhấn không tự phục hồi — Cau tao: — -— Nhấn vào nút Xoay nút theo chiều khi cẩn chuyển mũi tên khi muốn trả trạng thái các các tiếp điểm về trạng tiếp điểm. thái ban đầu Hình 1. Một dạng nút dừng khẩn của hang Schneider.
— Tac dung: Nút đừng khẩn được dùng để dừng nhanh hệ thống khi xảy ra sự cố. “Thông thường người ta dùng tiếp điểm thường đóng để cấp điện cho toàn bộ mạch điều khiển. Khi hệ thống xảy ra sự cố nhấn vào nút đừng khẩn làm mở tiếp điểm thường đóng ra cắt điện toàn bộ mạch điều khiển. ~ Ký hiệu trên bản vẽ kỹ thuật: + Ký hiệu theo bản vẽ Việt Nam và Liên bang Nga: Tiếp điểm thường mở: “Tiếp điểm thường đóng: > = _—*Y_— \ + Ky hiéu theo ban vé chau Au: Tiếp điểm thường mở: Tiếp điểm thường đóng: 8A Œ + Ký hiệu theo bản vẽ Nhật Bản: “Tiếp điểm thường mở: 'Tiếp điểm thường đóng: A = 5 e) Công tắc (switch) — Cau tao: Hinh 1.
Công tắc 1 pha Hinh 1. Công tắc 3 pha ctia hang Schneider. của hang Schneider, — Tác dụng: Công tắc thực tế thường được dùng làm các khoá chuyển mạch (chuyển chế độ làm việc trong mạch điều khiển), hoặc dùng làm các công tắc đóng mở nguồn (cầu đao). - — Ký hiệu trên bản vẽ kỹ thuật: + Ký hiệu theo bản vẽ Việt Nam và Liên bang Nga: Tiếp điểm thường mở: Tiếp điểm thường đóng: —¬ `” + Ký hiệu theo bản vẽ châu Âu: Tiếp điểm thường mở: Tiếp điểm thường đóng: Ẫ f + Ký hiệu theo bản vẽ Nhật Bản: Tiếp điểm thường mở: Tiếp điểm thường đóng: —©œ—~_o— —C—Œ_—.
+ Ký hiệu của công tắc 3 pha: SN đ) Công tắc hành trình (Limit suitch) — Cấu tạo: Lực tác động =—>> Bánh xe cóc Don bẩy |_ Tiếp điểm Hình 1. Một số kiểu công tắc hành trình của hãng OMRON. — Tác dụng: Công tắc hành trình thường dùng để nhận biết vị trí chuyển động của các cơ cấu máy hoặc dùng để giới hạn các hành trình chuyển động. PLCA + Ký hiệu theo bản vẽ Việt Nam: Tiếp điểm thường mở: Tiếp điểm thường đóng: _—*__ Le + Ký hiệu theo bản vẽ châu Âu: Tiếp điểm thường mở: Tiếp điểm thường đóng: + Ký hiệu theo bản vẽ Nhật Bản: Tiếp điểm thường mở: Tiếp điểm thường đóng: ory oO e) Công tắc từ — Cấu tạo: Cấu tạo của công tắc từ bao gồm 2 bộ phận: Phiến nam châm vĩnh cửu và công tắc lưỡi gà.
2 Nam châm vĩnh cửu ———— > Tiếp điểm lưỡi gà Khi tiếp điểm lưỡi gà (làm bằng thép) đặt gần nam châm vĩnh cứu, lực hút của nam châm vĩnh cửu sẽ hút tiếp điểm đóng lại. — Tác dụng: Trong thực tế công tắc từ được ứng dụng để nhận biết vị trí của các cơ cấu trong các máy mà không cần tiếp xúc. Trong hệ thống điều khiển khí nến người ta dùng công tắc từ để nhận biết vị trí của pitông chuyển động trong xilanh, Xilanh Công tắc từ Pitông --- 4-2 Nam châm vĩnh cửu Hình 1. Ứng dụng công tắc từ.
~— Ký hiệu trên bản vẽ kỹ thuật: + Ký hiệu theo bản vẽ Việt Nam: Tiếp điểm thường mở: , Tiếp điểm thường đóng: _*— ® mẢ + Ký hiệu theo bản vẽ châu Âu: Tiếp điểm thường mở: Tiếp điểm thường đóng: + Ký hiệu theo bản vẽ Nhật Bản: Tiếp điểm thường mở: Tiếp điểm thường đóng: ¬“ 9 f) Cam bién quang dién với Là loại cảm biến được chế tạo dựa trên các linh kiện nhạy cảm ánh sáng nhìn thấy, ánh sáng hồng ngoại hoặc laze. — Các linh kiện thu phát hồng ngoại: + Diode phát ánh sáng hồng ngoại: Nguồn sáng hồng ngoại dùng cho các cảm biến quang công nghiệp nhiễu thường được tạo ra từ điode phát ánh sáng hồng ngoại. Để chống ngoại dưới cho các cảm biến quang người ta thường phát ánh sáng hồng dạng các chùm xung được điều chế như trên hình sau: Vt 1l + Tế bào quang điện: Được chế tạo từ một số loại bán dẫn bị biến đổi tính chất điện khi có ánh sáng chiếu vào. Điện trở của tế bào quang dẫn được phân làm hai dạng: Điện trở khí tế bào không được chiếu sáng gọi là điện trở tối R,, va điện trở khi tế bào được chiếu sáng R„.
Điện trở tối R„ phụ thuộc vào đạng hình học, kích thước, nhiệt độ và bản chất lý hoá của vật liệu chế tạo. Ví dụ: PbS, CdS, CdSe có R,„ rất lớn 10*@ đến 10% & 25°C trong khi đó SbIn, SbAs, CdHgTe lại có R,„ tương đối nhé 10°Q & 25°C. Điện ở R, của tế bào quang dẫn khi bị chiếu sáng sẽ giảm rất mạnh khi ¬ độ rọi của ánh sáng tăng lên. N Dựa vào sự thay đổi điện trở của tế bào quang đẫn khi có ánh sáng chiếu vào và không có ánh sáng chiếu vào, trong thực tế người ta thường dùng tế bào quang dẫn để nhận biết sáng, tối.
Ví dụ: Người ta thường dùng CdS dé. thiết : kế mạch. điều khiển tự động bật, Hình diéu 1. khién Ứng dụng CdS role.
tắt đèn đường. + Photodiode: Photodiode được cấu tạo từ hai +V phiến bán dẫn PN ghép lại với nhau. Lớp bán dẫn được chế tạo rất mỏng để tM ánh sáng có thể xuyên tới lớp tiếp giáp. Khi phân cực ngược cho photodiode PO nếu có ánh sáng chiếu vào lớp tiếp giáp nó sẽ làm biến đổi tính chất điện của VR lớp tiếp giáp dẫn tới đòng điện ngược tăng lên.
Vật liệu ché tao photodiode 14 Si hoặc Gc cho vùng ánh sáng nhìn thấy Hình 1. Dùng photodiode và hồng ngoại gần và GaAs, InAs, điều khiển rơle. InSb, HgCdTe cho vùng hồng ngoại. Thực tế người ta thường dùng photodiodc làm phần tử thu ánh sáng hồng ngoại trong các cảm biến quang công nghiệp.
12 + Phototranzitor: Phototranzitor là các loại tranzitor SHic loại NPN có vùng bazơ được chiếu Rơle [— —] Ab sáng, không có điện áp dat-lén cuc bazơ, chỉ có điện áp đặt lên colecter, đồng thời chuyển tiếp B - C phân cực ngược. Khi chuyển tiếp B - C được chiếu sáng nó sẽ hoạt động giống photodiode ở chế độ quang dẫn. Tín > KY hiệu phân cực cho phototranzitor là ánh sáng hồng ngoại chiếu vào cực B. 7 Thực tế người ta thường ứng dụng TT phototranzitor để làm phần tử thu ánh sáng hồng ngoại trong các bộ điều khiển từ xa.
—— — Cam bién quang thực tế: Hình 1. Dùng phototranzitor 2 ĐIẢN gia. and điều khiển rơle. + Ký hiệu tiếp điểm: SS | _—_— oy + Cấu trúc; a ~ Re(Bn) ° Ỉ L+:] [Bóng sắt Wh(Bk) Wh(Bk) Mạch tạo h # H dao động | Lo Mạch | _[ Khuếch | [Tách| - j van Bk(Bu) Bk(Bu nhận | "| đạiAC | dsóng| | ie} Phat Thu Ly Hinh 1.
Cấu trúc của cảm biến quang. + Nguyên lý làm việc: Tín hiệu đầu ra mạch dao động Ánh sáng tới -ILILn __. rmnijiLíL” Tín hiệu đầu ra mạch nhận—Ñ@ ———w⁄t— Tín hiệu đầu ra mạch tách sóng: Tín hiệu đầu ra mạch đóng cất. mmm __—_ _ mm Tín hiệu đầu ra cảm biển: SS CC 13 + Đặc điểm: Khoảng cách phát hiện vật thể có thể xa tới 8m.
Khả năng phân biệt sáng, tối cao. Khả năng phát hiện vật thể không phụ thuộc vào màu sắc và bẻ mặt của vật thể. + Lắp đặt cảm biến: — Kiểu đầu ra role: Mạch trong Hinh 1. Đầu ra role.
— Kiểu đầu ra tranzitor: Đầu ra NPN Mạch trong Bk(Bu) L-] Z- Hình 1. Đầu ra tranzitor NPN. Đầu ra PNP Re(Bn) + Wh(Bk) Mạch trong Bk(Bu) Hình 1. Đầu ra tranzitor PNP.
14 8Ø) Cảm biến mức Ký hiệu trên bản vẽ kỹ thuật: | Ứng dụng: Dùng để phát hiện các mức a chat lỏng trong các thiết bị chứa. — Cảm biến phao cơ khí: + Cấu tạo và nguyên lý: bral Hình 1.