Chương 1: Tổng quan Phần này trình bày lý do chọn đề tài, mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, bố cục đồ án; • Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trình bài hệ thống điều khiển tự động và ứng dụng, các linh kiện được sử dụng trong hệ thống. • Chương 3: Nội dung thực hiện Thiết kế hệ thống điện, hệ thống chiếu sáng, hệ thống tưới, hệ thống cảm biến • Chương 4: Kết quả, nhận xét và đánh giá Đưa ra kết quả đạt được của đồ án, hình ảnh hệ thống. Nêu nhận xét, đánh giá về mô hình; • Chương 5: Kết luận và hướng phát triển Kết luận đề tài nghiên cứu đã hoàn thành mục tiêu nào rồi và mục tiêu nào chưa đạt được. Đồng thời, nêu hướng phát triển cho hệ thống.
3 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cơ sở lý thuyết về điều khiển tự động Khái niệm: Điều khiển được hiểu là tập hợp tất cả các tác động mang tính tổ chức của một quá trình nào đó nhằm đạt được mục đích mong muốn của quá trình đó. Hệ thống điều khiển mà không có sự tham gia trực tiếp của con người trong quá trình điều khiển được gọi là điều khiển tự động. Trong những năm gần đây, các hệ thống điều khiển (HTĐK) càng có vai trò quan trọng trong việc phát triển và sự tiến bộ của kỹ thuật công nghệ và văn minh hiện đại. Thực tế mỗi khía cạnh của hoạt động hằng ngày đều bị chi phối bởi một vài loại hệ thống điều khiển.
Dễ dàng tìm thấy hệ thống điều khiển máy công cụ, kỹ thuật không gian và hệ thống vũ khí, điều khiển máy tính, các hệ thống giao thông, hệ thống năng lượng, robot,. Về cơ bản, có hai loại vòng điều khiển: điều khiển vòng hở và điều khiển vòng kín: Trong điều khiển vòng hở, hành động điều khiển từ bộ điều khiển độc lập với “đầu ra của quá trình” (hoặc “biến quá trình được điều khiển”). Một ví dụ điển hình về điều này là lò hơi sưởi trung tâm chỉ được điều khiển bằng bộ hẹn giờ, do đó nhiệt được cấp vào một thời gian không đổi, bất kể nhiệt độ của tòa nhà là bao nhiêu. (Hành động điều khiển là tắt và bật lò hơi.
Đầu ra của quá trình là nhiệt độ tòa nhà). Trong điều khiển vòng kín, hành động điều khiển từ bộ điều khiển phụ thuộc vào đầu ra của quá trình. Trong trường hợp tương tự lò hơi, điều này sẽ bao gồm một cảm biến nhiệt độ để theo dõi nhiệt độ của tòa nhà và do đó cung cấp tín hiệu trở lại bộ điều khiển để đảm bảo nó duy trì tòa nhà ở nhiệt độ được đặt trên bộ điều nhiệt. Do đó, bộ điều khiển vòng kín có một vòng phản hồi đảm bảo bộ điều khiển thực hiện hành động điều khiển để đưa ra đầu ra quá trình bằng “đầu vào tham chiếu” hoặc “điểm đặt”.
Vì lý do này, bộ điều khiển vòng kín còn được gọi là bộ điều khiển phản hồi. Các ứng dụng phổ biến nhất của hệ thống tự động hóa là: Lắp ráp, phay, cắt, khoan, phân luồng, rèn, bao bì, sắp xếp, đo lường, điều tra, kiểm soát quy trình. Mục tiêu chính của hệ thống tự động hóa là giảm sự can thiệp của con người. Người vận hành dễ bị sai sót và mệt mỏi có thể dẫn đến nhiều vấn đề khác nhau.
Thích ứng một hệ thống tự động hóa sẽ tạo ra những lợi ích đáng kể về lợi nhuận, tốc độ sản xuất, an toàn và chất lượng. Ví dụ hệ thống điều khiển tự động 2.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển Hình 2.2 Thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển tự động Các ký hiệu viết tắt: • r(t): tín hiệu đặt hay tín hiệu tham chiếu (Setpoint) • u(t): tín hiệu vào (input) của đối tượng điều khiển hay tín hiệu điều khiển (Control Signal, Controller Output ) • y(t): tín hiệu ra của đối tượng điều khiển hay biến được điều khiển (Controlled Variable) • yht(t): tín hiệu hồi tiếp (Feedback signal, Measured Signal) • e(t): sai số hay sai lệch (Error) 5 2.1 Đối tượng điều khiển Là hệ thống vật lý cần điều khiển để có đáp ứng mong muốn. Đối tượng điều khiển bao gồm đa dạng các loại máy, thiết bị kỹ thuật, quá trình công nghệ. Đối tượng điều khiển là máy, thiết bị thường được đặc trưng bằng các cơ cấu chấp hành như động cơ, xylanh, hệ bàn trượt với tín hiệu ra liên quan đến chuyển động như vận tốc, vị trí, góc quay, lực.
Các quá trình công nghệ thường có tín hiệu ra là nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, nồng độ, mức chất lỏng.3 Thành phần đối tượng trong hệ thống điều khiển 2.2 Cảm biến Thực hiện chức năng đo và chuyển đổi đại lượng ra của hệ thống thành dạng tín hiệu phù hợp để thuận tiện so sánh, xử lý, hiển thị. Tín hiệu ra của hệ có thể là vận tốc, vị trí, nhiệt độ, lực. trong khi tín hiệu vào đa phần là tín hiệu điện. Nguyên tắc chung để đo các đại lượng không điện bằng phương pháp điện là biến đổi chúng thành tín hiệu điện áp, dòng điện (cảm biến tương tự) hoặc số xung (cảm biến số).
Một số thiết bị đo điển hình là: • Đo vận tốc: bộ phát tốc (DC tachometer, AC tachometer, optical tacho.) • Đo lượng dịch chuyển: chiết áp (potentiometer), thước mã hoá (linear encoder). • Đo góc quay: chiết áp xoay, bộ mã hóa góc quay (rotary encoder). • Đo nhiệt độ: cặp nhiệt điện (thermocouple), đi ện trở nhiệt (RTD, thermistor), các IC c ảm biến nhiệt AD590, LX5700, LM35. • Đo lưu lượng, áp suất : các bộ chuyển đổi lưu lượng, áp suất.
• Đo lực: cảm biến lực (loadcell,.4 Thành phần cảm biến trong hệ thống điều khiển Hình 2.5 Các loại module phổ biến 7 2.3 Bộ điều khiển Dùng thông tin về độ sai lệch e để tạo tín hiệu điều khiển u thích hợp, từ đó tác động lên đối tượng. Thuật toán xác định hàm u(t) gọi là thuật toán điều khiển hay luật điều khiển. Bộ điều khiển liên tục có thể thực hiện bằng cơ cấu cơ khí, thiết bị khí nén, mạch op-amp. Bộ điều khiển số thực chất là các chương trình phần mềm chạy trên PLC, vi xử lý hay máy tính.6 Các loại vi điều khiển Hình 2.7 Bộ điều khiển trong hệ thống điều khiển 8 2.3 Hệ thống điều khiển nhiệt độ Hình 2.8 Sơ đồ hệ thống điều khiển nhiệt độ sử dụng mạng máy tính Nhiệt độ trong lò là đại lượng liên tục.
Nhiệt độ này được đo bằng cảm biến, sau đó chuyển thành tín hiệu số nhờ bộ chuyển đổi liên tục/số (A/D converter, ADC) và đưa vào máy tính thông qua mạch giao tiếp. Nhiệt độ yêu cầu cũng là dạng tín hiệu số và được cài đặt bằng chương trình phần mềm. Máy tính so sánh nhiệt độ hồi tiếp với nhiệt độ đặt và nếu có sai lệch thì máy tính sẽ xuất tín hiệu điều khiển mạch nung thông qua giao tiếp, khuếch đại, rơle cấp điện cho điện trở nung hoặc quạt làm mát trong lò. Dựa trên cơ sở này nhóm sẽ xây dựng hệ thống trồng cây.4 Cơ sở lý thuyết phần cứng được sử dụng trong hệ thống 2.
Bộ chuyển đổi nguồn DPS-50S-24 Bộ nguồn DPS-50S-24 có thể được sử dụng để chuyển đổi nguồn AC (220V) thành 24 VDC trong mạch điều khiển, cung cấp nguồn 24 VDC cho một số thiết bị trong hệ thống,… Hình 2.9 Bộ chuyển đổi nguồn DPS-50S-24 9 Thông số kỹ thuật : ▪ Điện áp ngõ vào : 100-240VAC~ 50/60Hz ▪ Ngõ ra_Điện áp : 24VDC ▪ Ngõ ra_Dòng : 2.10 Thông số kỹ thuật của bộ chuyển đổi Kích thước bộ chuyển đổi: Hình 2.11 Kích thước bộ chuyển đổi 10 Sơ đồ nối dây : Hình 2.12 Sơ đồ nối dây bộ chuyển đổi 2.2 Bộ chuyển đổi tín hiệu AT Series Signal Converter Hình 2.13 Bộ chuyển đổi tín hiệu AT Series Signal Converter 11 Thông số kỹ thuật : • Đầu vào: Cặp nhiệt điện loại K,J,E,T • Độ chính xác: ≦±0.5% • Thời gian phản hồi: ≤ 500msec • Nguồn cung cấp: AC 85~265V/DC 100~300V, 50/60Hz • Nhiệt độ làm việc: 0~60 ºC • Chịu rung: 1~800 Hz, 3.14 Các model và chân ngõ ra của bộ chuyển đổi tín hiệu AT Series Signal Converter Trong hệ thống chúng ta có cảm biến PT100 nên chúng ta sẽ sử dụng bộ chuyển đổi tín hiệu loại AT-TR. 12 Ta sẽ chú ý vào model AT-TR, ta có 2 ngõ ra analog. Ta sử dụng 1 trong 2 để kết nối với PT100.15 Chân kết nối chi tiết bộ chuyển đổi tín hiệu AT Series Signal Converter loại AT-TR Hình 2.16 Chi tiết các cổng kết nối tín hiệu đầu vào (PT100) 13 Hình 2.17 Tín hiệu đầu vào của Bộ chuyển đổi tín hiệu AT Series Signal Converter với cảm biến PT100 14 Hình 2.18 Sơ đồ nối dây giữa bộ chuyển đổi với PT100 và PLC S7-1200 2.3 Cảm biến nhiệt PT100 Hình 2.19 Cảm biến nhiệt độ PT100 Nói chung, điện trở của bất kỳ dây dẫn kim loại nào thay đổi tùy theo sự thay đổi nhiệt độ. Cảm biến cho Đo nhiệt độ bằng cách sử dụng hiện tượng này được gọi là "Nhiệt kế điện trở"hoặc"RTD" và có thể đo nhiệt độ chính xác hơn nhiệt độ khác.
Các tính năng của nó. 15 Máy dò nhiệt độ điện trở cho các ứng dụng công nghiệp có các tính năng sau. • Độ ổn định tuyệt vời và khả năng tái tạo. • Độ chính xác cao.20 Các loại cảm biến PT100 Cấu trúc và phương pháp đo lường Cấu trúc: Dây kim loại thay đổi điện trở của nó đối với những thay đổi trong nhiệt độ được sử dụng được gọi là "Dây điện trở".
Này dây điện trở, thường là bạch kim, được sử dụng để sản xuất một cảm biến nhiệt độ được gọi là "Điện trở Máy dò nhiệt độ (RTD) Phần tử ". Nói chung RTD bao gồm phần tử RTD, dây dẫn, bảo vệ ống và thiết bị đầu cuối. Phương pháp đo: Kết nối 2 dây: Loại W Phần tử RTD được kết nối với hai dây dẫn tương ứng. Mặc dù nó rẻ hơn các loại khác, nhưng nó không được khuyến nghị để đo nhiệt độ chính xác cao vì nó dễ bị nhiễm chì và tạo ra lỗi.
16 Kết nối 3 dây: Loại X Một đầu của phần tử RTD được kết nối với hai dây dẫn và đầu kia kết nối với dây dẫn đơn để loại bỏ hiệu ứng từ điện trở chì. Loại này được sử dụng rộng rãi nhất như một phương pháp đáng tin cậy trong các ứng dụng công nghiệp. Kết nối 4 dây: Loại Y Phần tử RTD được kết nối với hai dây dẫn tương ứng đến loại bỏ hiệu ứng khỏi điện trở chì. Kết nối này hủy bỏ hiệu ứng kháng chì và đặc biệt làcho phép đo độ chính xác cao của nhiệt độ nhưng hơi đắt so với các loại khác.