›
›

Bài giảng Hệ thống đo và điều khiển công nghệ - Chương 2: Các thiết bị đo lường và chấp hành trong công nghiệp - Nguyễn Thị Huế

pdf 101 trang haiha333 08/01/2022 5330
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Hệ thống đo và điều khiển công nghệ - Chương 2: Các thiết bị đo lường và chấp hành trong công nghiệp - Nguyễn Thị Huế", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_giang_he_thong_do_va_dieu_khien_cong_nghe_chuong_2_cac_t.pdf

Nội dung text: Bài giảng Hệ thống đo và điều khiển công nghệ - Chương 2: Các thiết bị đo lường và chấp hành trong công nghiệp - Nguyễn Thị Huế

  1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BÀI GIẢNG ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN CÔNG NGHIỆP Nguyễn Thị Huế Bộ môn Kĩ thuật đo và Tin học công nghiệp 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 1
  2. NỘI DUNG MÔN HỌC Giới thiệu chung và lịch sử phát triển của các hệ thống đo 1 và điều khiển công nghiệp 2 Các thiết bị đo lường và chấp hành trong công nghiệp 3 Các bộ điều khiển khả trình 4 Các thiết bị giám sát trong công nghiệp 5 Cơ sở kĩ thuật truyền tin công nghiệp 6 Các giao thức công nghiệp tiêu biểu 7 Một số hệ thống công nghiệp thực tế 3/11/2021 2
  3. Hệ thống trong công nghiệp 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 3
  4. 2.1.1. Thiết bị đo trong hệ thống tự động 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 4
  5. NỘI DUNG CHƯƠNG 2 Các thiết bị đo lường và chấp hành trong công nghiệp 2 2.1 Các thiết bị đo lường trong công nghiệp 2.2. Các thiết bị chấp hành trong công nghiệp 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 5
  6. Tổng quan chung về thiết bị đo trong hệ thống tự động 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 6
  7. Thiết bị đo trong hệ thống tự động  Nhìn chung các thiết bị đo hiện trường có thể giao tiếp với trung tâm xử lí thông qua các chuẩn truyền số hoặc tương tự 4-20 mA hoặc các giao thức số như profibus, CAN, modbus hoặc giao thức lai là HART protocol. 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 7
  8. Thiết bị đo trong hệ thống tự động  Đặc tính của thiết bị đo  Cảm biến  Các bộ tranmister  Hiệu chuẩn thiết bị trong công nghiệp 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 8
  9. Tổng quan chung về thiết bị đo trong hệ thống tự động  Độ nhạy của thiết bị đo (S) Đặc tính của thiết bị đo  Khoảng đo Dx = Xmax - Xmin  Ngưỡng nhạy  x  Khả năng phân ly của thiết bị đo R x , N x  Mở rộng thang đo của thiết bị đo  Độ chính xác của thiết bị đo (sai số)  Thời gian đo của thiết bị  Tổn hao công suất của thiết bị  Cấp chính xác của thiết bị đo.  3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 9
  10. Phạm vi đo và Span của tín hiệu vào, tín hiệu ra  Phạm vi đo (range) là sự xác lập các giá trị, qua đó việc đo có thể được thực hiện mà không làm ảnh hưởng đến độ nhạy của thiết bị đo.  Span của thiết bị đo là khoảng cách (hoặc sự chênh lệch) giữa giá trị giới hạn trên và giá trị giới hạn dưới của thang đo ứng dụng  Tín hiệu vào (input range) là tín hiệu tương ứng với giá trị thực cần đo nằm trong span của dải đo .  Tín hiệu ra (output signal) của một transmitter điện tử điển hình là 4 – 20mA tương ứng với 0% - 100% phạm vi đo tín hiệu vào. 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 10
  11. ĐỘ CHÍNH XÁC VÀ ĐỘ KHÔNG ĐẢM BẢO ĐO  Khi xem xét dụng cụ đo từ độ chính xác và độ không đảm bảo đo thường bị nhầm lẫn, song chúng là hai khái niệm khác nhau, nhất là đối với thế giới dụng cụ đo hiện đại ngày nay. Trong phạm trù đo lường:  Độ chính xác: thường được biểu thị theo phần trăm toàn dải hoặc giá trị đo và nó cho biết con số khác nhau giữa giá trị đo và giá trị thật. Điểm yếu ĐCX là người ta không thể biết giá trị thật là bao nhiêu.  Độ không đảm bảo đo: thường được biểu diễn là một khoảng giá trị đo được mà giá trị thật tồn tại trong nó với một xác xuất nhất định. 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 11
  12. Các thiết bị đo các đại lượng điện  Thiết bị đo áp  Thiết bị đo dòng điện  Thiết bị đo công suất  Thiết bị đo năng lượng  Thiết bị đo thông số mạch điện  Thiết bị đo tần số  Thiết bị đo Cos(phi) 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 12
  13. Các thiết bị đo các đại lượng không điện  Đo nhiệt độ  Đo áp suất  Đo lưu lượng  Đo vân tốc  Đo mức  Đo khoảng cách  3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 13
  14. Các thiết bị đo các đại lượng không điện  Qua các thời kỳ phát triển, thiết bị đo các đại lượng không điện hiện đại được xây dựng trên cơ sở vi xử lý (micro processor based) và bắt đầu chuyển sang giai đoạn xây dựng trên cơ sở vi hệ thống (micro system based). 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 14
  15. Tổng quan chung về thiết bị đo trong hệ thống tự động  Tổng quan về transmitter 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 15
  16. Tổng quan về transmitter  Analog Transmitters  Tín hiệu analog thuần túy (Pure Analog Signal)  4-20 mA or 1-5V or 3-15 psi pneumatic signal (khí nén)  Smart Transmitters  Giao tiếp kỹ thuật số (tín hiệu chẩn đoán - diagnostic signal) được chồng lên tín hiệu tương tự (4-20 mA or 1-5V)  Protocol Transmitters  Modbus  Profibus  3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 16
  17. Tổng quan chung về thiết bị đo trong hệ thống tự động  Analog Transmitters 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 17
  18. Tổng quan chung về thiết bị đo trong hệ thống tự động  Smart Transmitters 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 18
  19. Tổng quan chung về thiết bị đo trong hệ thống tự động Hiệu chuẩn (Calibration) Tập hợp các thao tác trong điều kiện quy định để thiết lập mối quan hệ giữa các giá trị được chỉ bởi PTĐ, hệ thống đo hoặc giá trị được thể hiện bằng vật đọ hoặc mẫu chuẩn và các giá trị tương ứng thể hiện bằng chuẩn. 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 19
  20. Tổng quan chung về thiết bị đo trong hệ thống tự động Kiểm định (Verification) Là việc xác định và chứng nhận đối với PTĐ đáp ứng đầy đủ các yêu cầu quy định do tổ chức có thẩm quyền hoặc được uỷ quyền kiểm định thực hiện. Nhận xét - Về bản chất kỹ thuật - Về pháp lý + Hiệu chuẩn: tự nguyện + Kiểm định bắt buộc - 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 20
  21. Hiệu chuẩn (Calibration)  Hiệu chuẩn, hiệu chỉnh thiết bị đo giúp cho việc đảm bảo quá trình công nghệ vận hành an toàn trong phạm vi kỹ thuật cho phép và tạo ra sản phẩm có chất lượng.  Hiệu chuẩn, hiệu chỉnh là đo và so sánh độ chính xác các giá trị tín hiệu vào và tín hiệu ra với một chuẩn đã biết. Qua sự diễn dải, phân tích các kết quả của việc so sánh, các sai lệch của thiết bị đo có thể được xác định và được hiệu chỉnh  Hiệu chuẩn, hiệu chỉnh dựa theo phép đo của quá trình thực tế, là thao tác được sử dụng để điều chỉnh một thiết bị đo sao cho độ chính xác của nó nằm trong mô tả kỹ thuật của nhà chế tạo 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 21
  22. Hiệu chuẩn (Calibration)  Hiệu chuẩn phương tiện đo  Hiệu chuẩn là hoạt động cần thiết mang tính tự nguyện của cơ sở sản xuất kinh doanh, nghiên cứu để đánh giá được tình trạng phương tiện đo trong quá trình bảo quản sử dụng nhằm đảm bảo độ chính xác phù hợp với yêu cầu sản xuất kinh doanh, nghiên cứu của cơ sở  Kiểm định là biện pháp quản lý của Nhà nước đối với phương tiện đo, mang tính bắt buộc, được Nhà nước quy định bằng luật pháp 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 22
  23. Ý NGHĨA CỦA HIỆU CHUẨN HIỆU CHỈNH  Hiệu Chuẩn, Hiệu Chỉnh là so sánh các giá trị vào ra của thiết bị đo với chuẩn đã biết để đánh giá độ chính xác và có thể chỉnh lại  Vận hành thành công một quá trình phụ thuộc vào độ chính xác và đặc tính của từng thiết bị đo trong mạch điều khiển  Hiệu Chuẩn, Hiệu Chỉnh thiết bị giúp cho quá trình công nghệ vận hành an toàn trong phạm vi kỹ thuật cho phép 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 23
  24. Ý NGHĨA CỦA HIỆU CHUẨN HIỆU CHỈNH  Hiệu chuẩn, hiệu chỉnh thiết bị đo lường có thể cần thiết khi thay đổi các thông số của quá trình công nghệ hoặc thay đổi thiết bị.  Thường xuyên yêu cầu hiệu chuẩn, hiệu chỉnh theo định kỳ để ngăn ngừa các vấn đề trước khi xảy ra hư hỏng  Hiệu chuẩn phải được xem là một hoạt động bình thường và cần thiết của mọi cơ sở sản xuất, kinh doanh, để phù hợp với mục tiêu kinh doanh, nghiên cứu của mình. 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 24
  25. TẦM QUAN TRỌNG CỦA HIỆU CHUẨN HIỆU  Các thiết bị đo có thể được yêu cầu cân chỉnh lại vì một số lý do  Sau một thời gian vận hành  Trôi các thông số của quá trình công nghệ  Vật liệu và điều kiện môi trường có thể bị thay đổi 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 25
  26. TẦM QUAN TRỌNG CỦA HIỆU CHUẨN HIỆU  Do đó việc hiệu chuẩn, hiệu chỉnh lại thiết bị đo lường trong hệ thống điều khiển là cần thiết. Việc hiệu chuẩn, hiệu chỉnh thường được thực hiện trong quá trình shutdown nhà máy.  Các thiết bị đo sau khi được sửa chữa và trước khi đưa chúng vào làm việc trở lại cần phải được hiệu chuẩn, hiệu chỉnh.  Các thiết bị đo sau khi hoạt động thường xuyên lâu dài cần phải được hiệu chuẩn, hiệu chỉnh theo chu kỳ: 03 tháng, 06 tháng, 12 tháng 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 26
  27. NHẬN BIẾT ĐỘ LỆCH ZERO VÀ SAI LỆCH SPAN  Độ lệch zero là trường hợp tín hiệu ngõ ra của thiết bị đo cao hơn hoặc thấp hơn giá trị mong đợi khi tín hiệu vào nằm trong dải đo của nó.  Để kiểm tra độ lệch zero, người ta sử dụng một thiết bị thiết bị hiệu chuẩn (calibrator). Thiết bị này cung cấp một tín hiệu vào đã biết và tin cậy cho thiết bị đo cần kiểm tra.  Phương thức kiểm tra là calibrator sẽ tạo ra tín hiệu chuẩn ở 5 điểm.  Kiểm tra 5 điểm là quá trình kiểm tra đơn giản các giá trị output tương tứng với các giá trị input theo 5 điểm đọc theo thang đo 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 27
  28. NHẬN BIẾT ĐỘ LỆCH ZERO VÀ SAI LỆCH SPAN  Một bảng ghi số liệu hiệu chuẩn, hiệu chỉnh điển hình được trình bày dưới đây, nó được sử dụng để ghi các số liệu được tạo ra trong quá trình thử thiết bị đo. Bởi vì sai lệch zero được quan tâm qua toàn bộ thang đo của thiết bị đo, do đó sai lệch zero có thể được dò dễ dàng nhờ việc sử dụng bảng số liệu này 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 28
  29. NHẬN BIẾT ĐỘ LỆCH ZERO VÀ SAI LỆCH SPAN  Calibration 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 29
  30. NHẬN BIẾT ĐỘ LỆCH ZERO VÀ SAI LỆCH SPAN  LỆCH ZERO  LỆCH SPAN 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 30
  31. Một sô mạch hiểu chỉnh thiết bị  Hiệu chỉnh thiết bị áp suất 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 31
  32. Một sô mạch hiểu chỉnh thiết bị  Hiệu chuẩn thiết bị đo nhiệt độ 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 32
  33. Một sô mạch hiểu chỉnh thiết bị  What is an Instrument Calibrator?  What is Sensor Calibration and Why is it Important?  DP Flow Transmitter Testing and Recalibration 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 33
  34. Một số cảm biến công nghiệp thường gặp 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 34
  35. Đo nhiệt độ  Đo tiếp xúc  Đo bằng nhiệt điện trở (Pt100. Pt1000, N, W, )  Đo bằng cặp nhiệt ngẫu (K, E, J, )   Đo không tiếp xúc  Đo bằng phương pháp hỏa quang kế  Đo bằng hồng ngoại  3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 35
  36. 0 2 Đo nhiệt độ Nhiệt ngẫu (can nhiệt) ET = KT (tnóng - ttự do) = KT tnóng – KT ttự do  ET: sức điện động nhiệt ngẫu 0  KT: độ nhạy của cặp nhiệt (µV/ C)  tnóng: nhiệt độ đầu nóng (nhiệt độ cần đo)  ttự do: nhiệt độ đầu tự do 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 36
  37. Transmitter nhiệt ngẫu 0  Ta phải chỉnh KT thế nào để cho 0 C ứng với 4 mA và nhiệt độ định mức ứng với 20 mA. Muốn thế ta phải khuếch đại và phải bố trí để có thể định hệ số khuếch đại ứng với các KT mong muốn. Sơ đồ nguyên lý của transmitter nhiệt ngẫu 7MC1932 của Siemens 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 37
  38. Nhiệt kế nhiệt điện trở  Nhiệt kế nhiệt điện trở thường dùng trong công nghiệp, thường được chế tạo bằng Pt, dây đồng, dây Ni và có ký hiệu là: Pt- 100, Cu-100, Ni-100  Quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ cho bởi: R t R0 1 α.t 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 38
  39. Transmitter nhiệt điện trở 1- Nhiệt điện trở 2- Modul vào 3- Dòng cung cấp (hằng) 4- Khuếch đại điện áp một chiều 5- Modul ra 6- Điều chỉnh điện áp Sơ đồ nguyên lý của transmitter nhiệt điện trở; (b) Transmitter nhiệt điện trở 7MC2932 của Siemens 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 39
  40. Transmitter nhiệt điện trở  Để tránh ảnh hưởng của điện trở đường dây ta phải bố trí để có thể lắp sơ đồ 2 dây, 3 dây, 4 dây.  Điện áp nhiệt điện trở đưa qua A/D biến thành số. Vi xử lý tính toán ra nhiệt độ, sau đó qua D/A thành dòng điện ra 4-20 mA ứng với khoảng đo của nhiệt độ vào. Vi xử lý còn làm nhiệm vụ tuyến tính hóa nhiệt kế. 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 40
  41. Một số Transmitter nhiệt độ trong công nghiệp  TDY 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 41
  42. Một số Transmitter nhiệt độ trong công nghiệp  Tranmitter kết nối theo giao thức MODBUS 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 42
  43. Một số Transmitter nhiệt độ trong công nghiệp  Tranmitter TMZ 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 43
  44. Một số Transmitter nhiệt độ trong công nghiệp 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 44
  45. Một số Transmitter nhiệt độ trong công nghiệp 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 45
  46. Một số Transmitter nhiệt độ trong công nghiệp 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 46
  47. Đo nhiệt độ  Như trên ta đã thấy thì hiện nay có rất nhiều loại cảm biến đo nhiệt độ khác nhau, và việc lựa chọn chúng phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: độ chính xác, khoảng nhiệt, tốc độ phản ứng, môi trường (hóa học, vật lý, hay điện) và giá thành.  Việc lựa chọn cảm biến không hề dễ dàng, cách an toàn và hay được sử dụng nhất là lựa chọn theo ngành nghề bởi thông thường, mỗi loại cảm biến được thiết kế để phục vụ cho một chuyên ngành riêng. 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 47
  48. Đo nhiệt độ  Dưới dây là các yêu cầu đặt ra khi lựa chọn 1 loại cảm biến nhiệt và Bảng tổng hợp kinh nghiệm lựa chọn cảm biến nhiệt dựa theo các ngành nghề khác nhau: - Độ chính xác - Sự linh hoạt, có thể lắp ráp dễ dàng - Giới hạn khoảng nhiệt cần đo - Giá thành - Có thể điều chỉnh riêng lẻ hay không - Sự tương thích với môi trường và những ảnh hưởng (nếu có) của các tác nhân bên ngoài môi trường 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 48
  49. Thiết bị đo các đại lượng không điện Áp suất  Cảm biến và sơ đồ khối bộ biến đổi đo áp suất pe : Áp suất, biến đầu vào 5 : Khuếch đại đo lường IA, UH : Tín hiệu vào và nguồn cung cấp 6 : Chuyển đổi áp tần 1 : Ống dẫn kết nối 7 : Vi điều khiển 2 : Màng chắn 8 : Chuyển đổi số - tương tự 3 : Chất lỏng để truyền áp suất 9 : Mạch điốt và kết nối với ampemet bên ngoài 4 : Cảm biến điện trở lực căng màng Silic 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 49
  50. Thiết bị đo các đại lượng không điện Áp suất  Áp suất đo tác động vào một màng vừa để ngăn cách 2, vừa để truyền áp suất qua một chất truyền áp suất. Áp suất được truyền lên một màng đo. Màng đo là một màng biến dạng, trên ấy có một cầu đo bằng 4 điện trở lực căng bán dẫn. pR  0.49 Ed2 ε : biến dạng ở tâm màng đàn hồi p : áp suất tác dụng lên màng R : bán kính màng E : modul đàn hồi của màng d : chiều dày màng 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 50
  51. Thiết bị đo các đại lượng không điện Áp suất R ∆R/R : biến thiên tương đối của điện trở k R k : độ nhạy của cảm biến ( k = 50 – 100 đối với Si) ε : biến dạng của màng UU R Uk CC CC  2 R 2 U Kp U CC  ∆U này được đưa vào khuếch đại, qua bộ biến đổi U f vào vi điều khiển và một mặt sẽ truyền đi bằng số, một mặt biến thành dòng 4 – 20 mA truyền lên các thiết bị thu thập số đo. 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 51
  52. Thiết bị đo các đại lượng không điện Áp suất 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 52
  53. Thiết bị đo các đại lượng không điện Áp suất  Một số cảm biến áp suất của siemen 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 53
  54. Thiết bị đo các đại lượng không điện Áp suất  Một số cảm biến áp suất của siemen  SITRANS P DS III dải đo 0 – 400 bar  SITRANS P250  SITRANS P200/P210/P220  SITRANS P280  SITRANS P300  SITRANS P500  SITRANS P Compact  SITRANS P MPS  Archive SITRANS P 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 54
  55. Thiết bị đo các đại lượng không điện  Đo lực  Cảm biến điện trở lực căng  Cảm biến áp điện, áp từ  3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 55
  56. Thiết bị đo các đại lượng không điện  Đo lực, gia tốc, di chuyển  Cám biến điện cảm, điện dung  Encorder, resolver  Máy phát tốc AC hay DC 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 56
  57. Thiết bị đo các đại lượng không điện  Thiết bị đo lưu lượng  Cảm biến cảm ứng điện từ  Sử dụng rotor  Cảm biến siêu âm  Đo chênh lệch áp  3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 57
  58. Thiết bị đo các đại lượng không điện  Đo mức  Bằng phao nổi  Siêu âm  Quá áp suất thủy tĩnh  3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 58
  59. 2.2 Các thiết bị chấp hành  Thiết bị chấp hành Thiết bị đo lường và điều khiển quá trình 59
  60. Các thừa hành  Các thừa hành có nhiệm vụ thực hiện các thao tác tác động vào đối tượng.  Có thể nêu lên các loại thừa hành sau:  Điều khiển ON/OF: Cuộn dây điều khiển các rơle, các công tắc tơ, các khởi động từ, các van vói các điều khiển đóng – mở (on – off) nối vào các đầu ra số (DO) của PLC.  Các bộ điều chỉnh hoặc truyền lực (nối đầu ta tương tự của PLC (AO):  Điều chỉnh tốc độ cho các môtơ: speed controller  Bộ thừa hành tạo di chuyển xác định (positioner): 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 60
  61. 2.2. Các thiết bị chấp hành  Thiết bị bảo vệ  Thiết bị truyền động  Cơ cấu chấp hành cơ  Cơ cấu chấp hành điện  Cơ cấu chấp hành thủy lực  Cơ cấu chấp hành khí nén 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 61
  62. Thiết bị bảo vệ  Các thiết bị bảo vệ được nối với đầu ra số (DO) của PLC  Các tiếp điểm của thiết bị bảo vệ thường được nối vào đầu vào số (DI) của PLC  Công tắc phụ của các rơle, thiết bị điện (khởi động từ, công tắc tơ, máy cắt, v.v ) cho biết trạng thái đóng - cắt của thiết bị.  Công tắc báo trạng thái của các rơle bảo vệ khi giá trị đo vượt qua giá trị cho phép.  Một số thiết bị bảo vệ  Rơ le  Contactor  Áp to mát  Khởi động từ 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 62
  63. Rơ le  Rơ le cũng là một ứng dụng của cuộn dây trong sản xuất thiết bị điện tử, nguyên lý hoạt động của Rơle là biến đổi dòng điện thành từ trường thông qua quộn dây, từ trường lại tạo thành lực cơ học thông qua lực hút để thực hiện một động tác về cơ khí như đóng mở công tắc, đóng mở các hành trình của một thiết bị tự động vv Rơ le được nối với đầu ra số (DO) của PLC 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 63
  64. Rơ le  Các bộ phận (các khối) chính của rơle  Cơ cấu tiếp thu (cuộn dây) Có nhiệm vụ tiếp nhận những tín hiệu đầu vào và biến đổi nó thành đại lượng cần thiết cung cấp tín hiệu phù hợp cho khối trung gian.  Cơ cấu trung gian (nam châm điện) Làm nhiệm vụ tiếp nhận những tín hiệu đưa đến từ khối tiếp thu và biến đổi nó thành đại lượng cần thiết cho rơle tác động.  Cơ cấu chấp hành (hệ thống tiếp điểm) Làm nhiệm vụ phát tín hiệu cho mạch điều khiển. 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 64
  65. Contactor  Công tắc tơ là một loại thiết bị điện dùng để đóng cắt từ xa, tự động hoặc bằng nút ấn các mạch điện lực có phụ tải điện áp đến 500V, dòng điện đến 600A.  Công tắc tơ có hai vị trí là đóng và cắt. Tần số đóng có thể tới 1500 lần một giờ.  Công tắc tơ điện từ có các bộ phận chính như sau: + Hệ thống tiếp điểm chính. + Hệ thống dập hồ quang. + Cơ cấu điện từ. + Hệ thống tiếp điểm phụ. 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 65
  66. Contactor Yêu cầu khi chọn công tắc tơ  Điện áp định mức  Dòng điện định mức Iđm  Điện áp cuộn dây Ucdđm  Khả năng đóng và khả năng cắt  Tuổi thọ của công tắc tơ  Tần số đóng cắt  Tính ổn định điện  Tính ổn định nhiệt 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 66
  67. Áp to mát  Áp tô mát là thiết bị điện dùng để tự động cắt mạch điện bảo vệ quá tải, ngắn mạch, sụt áp, hồ quang được dập trong không khí.  Cấu tạo áp tô mát - Tiếp điểm: có hai cấp tiếp điểm (tiếp điểm chính và tiếp điểm hồ quang) hoặc ba cấp tiếp điểm (chính, phụ, hồ quang). - Cơ cấu truyền động cắt áptômát: truyền động cắt áptômát thường có hai cách: bằng tay và bằng cơ điện (điện từ, động cơ điện) - Móc bảo vệ sụt áp: (còn gọi là bảo vệ điện áp thấp) cũng thường dùng kiểu điện từ. Cuộn dây mắc song song với mạch điện chính 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 67
  68. Khởi động từ  Khởi động từ là một loại thiết bị điện dùng để điều khiển từ xa việc đóng/cắt, đảo chiều và bảo vệ quá tải (nếu có mắc thêm rơle nhiệt) cho các động cơ ba pha rotor lồng sóc.  Khởi động từ khi có một công tắc tơ gọi là khởi động từ đơn, thường dùng để điều khiển đóng cắt động cơ điện.  Khởi động từ có hai công tắc tơ gọi là khởi động từ kép, dùng để khởi động và điều khiển đảo chiều động cơ điện.  Muốn khởi động từ bảo vệ được ngắn mạch phải mắc thêm cầu chảy. 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 68
  69. Các cơ cấu truyền lực  Cơ cấu chấp hành Cơ  Cơ cấu chấp hành Điện  Cơ cấu chấp hành Thủy lực  Cơ cấu chấp hành Khí nén 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 69
  70. Các dạng chuyển đổi năng lượng 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 70
  71. Cơ cấu chấp hành thủy lực  Hệ thống truyền động thủy lực được ứng rụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp khác nhau, với những dây truyền thiết bị có độ chính xác cao, điều khiển tinh cấp bằng máy tính, công suất lớn. 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 71
  72. Cơ cấu chấp hành thủy lực 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 72
  73. Cơ cấu chấp hành thủy lực Ưu điểm:  Có khả năng truyền động với công suất lớn và áp suất cao.  Cơ cấu đơn giản, hoạt động với độ tin cậy cao, đòi hỏi bảo dưỡng chăm sóc ít.  Có khả năng điều chỉnh vận tốc làm việc tinh cấp hoặc vô cấp.  Kết cấu gọn nhẹ, vị trí các phần tử dẫn và bị dẫn không lệ thuộc với nhau.  Giảm kích thước, khối lượng cả hệ thống bằng cách nâng cao áp suất làm việc.  Nhờ quán tính nhỏ của máy bơm và động cơ, khả năng chịu nén cao của dầu mà hệ thống có thể làm việc với tốc độ cao mà không cần tính toán tới yếu tố va đập như hệ thống điện và cơ khí.  Khâu ra của hệ thống dễ dàng biến đổi từ chuyển động quay - tịnh tiến, tịnh tiến - quay.  Phòng ngừa quá tải nhờ van an toàn. 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 73
  74. Cơ cấu chấp hành thủy lực Ưu điểm:  Dễ theo dõi quan sát mạch thủy lực với sự hỗ trợ của áp kế.  Các phần tử được tiêu chuẩn hóa tạo điều kiện thiết kế chế tạo. Nhược điểm  Hiệu suất không cao do mất mát đường ống, sự rò rỉ của các phần tử.  Khi phụ tải thay đổi khó giữ tốc độ làm việc ổn định do tính nén của chất lỏng và độ đàn hổi của đường ống.  Nhiệt độ và độ nhớt thay đổi làm ảnh hưởng đến độ chính xác điều khiển  Khi mới khởi động, nhiệt độ hệ thống thay đổi dẫn tới thay đổi độ nhớt chất lỏng và kéo theo thay đổi vận tốc làm việc 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 74
  75. Cơ cấu chấp hành thủy lực 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 75
  76. Cơ cấu chấp hành thủy lực 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 76
  77. Cơ cấu chấp hành khí nén Ưu điểm:  Do đặc điểm chịu đàn hồi tốt của không khí, vì vậy khí nén có thể dễ dàng chứa trong các bình chịu áp.  Có thể truyền năng lượng (khí nén) xa, bởi vì tổn thất áp suất trên đường ống nhỏ và độ nhớt động học của khí nén nhỏ.  Không cần sử dụng đường ống hồi khí nén và đường ống thải khí ra.  Do phần lớn trong các xí nghiệp hệ thống đường ống dẫn khí nén đã có sẵn cho nên chi phí sẽ thấp để tạo ra một hệ thống truyền động bằng khí nén.  Hệ thống phòng ngừa áp suất giới hạn được đảm bảo. 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 77
  78. Cơ cấu chấp hành khí nén Nhược điểm:  Lực truyền tải thấp.  Không thể thực hiện được những các thao tác thẳng hoặc quay đều bởi vì khả năng đàn hồi của khí nén lớn. Vì khi tải trọng trong hệ thống thay đổi thì vận tốc cũng thay đổi  Dòng khí nén thoát ra ở đường dẫn khí gây ra tiếng ồn. Ngày nay trong lĩnh vực điều khiển, người ta thường kết hợp hệ thống điều khiển bằng khí nén với điện hoặc điện tử, hoặc hệ thống thủy lực. Cho nên rất khó xác định một cách chính xác,rõ ràng ưu điển của từng hệ thống điều khiển. 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 78
  79. Cơ cấu chấp hành thủy lực - khí nén  Hệ thống điều khiển thủy lực – khí nén bao gồm các phần tử điều khiển và cơ cấu chấp hành được kết nối với nhau thành hệ thống hoàn chỉnh để thực hiện những nhiệm vụ theo yêu cầu đặt ra. Hệ thống được mô tả như hình. 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 79
  80. Cơ cấu chấp hành thủy lực – khí nén Ở đó:  Tín hiệu đầu vào: nút nhấn, công tắc, công tắc hành trình, cảm biến.  Phần xử lý thông tin: xử lý tín hiệu nhận vào theo một qui tắc logic xác định, làm thay đổi trạng thái của phần tử điều khiển: van logic And, Or, Not, Yes, Flip-Flop, Rơ le,  Phần tử điều khiển: điều khiển dòng năng lượng (lưu lượng, áp suất) theo yêu cầu, thay đổi trạng thái của cơ cấu chấp hành: van chỉnh áp, van đảo chiều, van tiết lưu, ly hợp,  Cơ cấu chấp hành: thay đổi trạng thái của đối tượng điều khiển, đại lượng đầu ra của mạch điều khiển: xy lanh thủy khí, động cơ thủy khí.  Năng lượng điều khiển: bao gồm phần thông tin và công suất 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 80
  81. Cơ cấu chấp hành thủy lực – khí nén  Bộ điều khiển phản hồi vòng kín 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 81
  82. Cơ cấu chấp hành điện  Điều chỉnh tốc độ cho các môtơ  Hiện nay, đó là các Invertor nối với đầu ra tỷ lệ 4 – 20 mA (4 mA ứng với tốc độ bằng 0, 20 mA ứng với tốc độ định mức).  Invertor điều chỉnh tốc độ hiện nay được xây dựng trên cơ sở vi xử lý và IGBT  Bộ thừa hành tạo di chuyển xác định  Trong truyền động điện, trong công nghiệp nhiều khi có yêu cầu các thao tác cơ khí công suất lớn như: nâng hạ cửa cống, điều khiển van bướm, thiết bị nâng hạ. v.v  Để thực hiện việc này, phải sử dụng các bộ thừa hành thực hiện trên nguyên tắc bộ điều chỉnh mạch vòng kín và mạch 3/11/2021 vòng hở. NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 82
  83. VD: Bộ thừa hành tạo di chuyển xác định  Dòng ra 4 – 20 mA được đưa vào so sánh với dòng điện phản hồi về do encoder đầu ra gắn với trục động cơ biến đổi trở về dòng điện.  Với mạch điều chỉnh này, góc quay hay số chỉ của encoder tỷ lệ với dòng (4 – 20 mA) đi vào bộ điều chỉnh. Dòng này được lấy từ đầu ra tương tự (AO) của PLC. 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 83
  84. Biến tần – điều kiển tốc độ  Nguyên lý hoạt động 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 84
  85. Các cơ cấu truyền lực Các thiết bị trong cơ cấu truyền lực  Van  Động cơ  Động cơ một chiều  Đông cơ xoay chiều • Một pha hay ba pha • Đồng bộ • Không đồng bộ 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 85
  86. Van Phân loại  Theo loại tín hiệu vào  Van ON/OFF  Van tỷ lệ  Theo điều khiển  Van điện từ  Van servo   Theo kết cấu cổng  3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 86
  87. Van ON/OFF  Van hoạt động ở 2 trạng thái đóng hoặc mở hoàn toàn. Khi có tín hiệu điện điều khiển van sẽ chuyển trạng thái phụ thuộc vào trạng thái ban đầu của van  Các loại van thường gặp  Van điện từ  Van cơ khí 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 87
  88. Van điện từ ON/OFF  Van thường đóng (NC)  2/2 NC  3/2 NC  Van thường mơ ̉  2/2 NO  3/2 NO 1- Thân van 2- Cổng vào 3- Cổng ra 4- Cuộn dây 5- Lõi sắt từ 6- Điều khiển 7- Chốt đẩy 8- Lò xo 9- Khe mở 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 88
  89. Van điện từ ON/OFF Nguyên lý hoạt động  Cấp 1 nguồn điện vào 2 đầu cuộn dây 6 (tùy thuộc vào điện áp định mức của cuộn dây có thể là 12, 24, 110, 220 V), cuộn dây được cấp điện sinh ra từ trường, từ trường này đủ mạnh thắng được lực đẩy của lò xo kéo chốt chặn lên, van mở ra, lưu chất đi từ 2 sang 3 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 89
  90. Van điện từ ON/OFF  Chú ý: Khi chọn van cần chú ý đến các thông số quan trọng như: Dòng điện, điện áp điều khiển, áp suất tối đa, tối thiểu, nhiệt độ của lưu chất  Van on – off nối với đầu ra số của PLC  Van tỉ lệ nối với đầu ra tương tự của PLC Van điện từ trong thực tế 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 90
  91. Van tỷ lệ Khái niệm  Van tỷ lệ là van có thể điều khiển được lưu lượng lưu chất chảy qua nó bằng cách thay đổi dòng điện (điện áp) điều khiển đặt vào cuộn dây, van được nối với đầu ra tương tự (AO) của PLC  Phân loại  Van điện từ  Van tỷ lệ servo  3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 91
  92. Van điện từ  Van điện từ là van điện được điều khiển bởi dòng điện. Khi có dòng điện chạy qua van tức là chạy qua cuộn dây quấn quanh một lõi kim loại, cuộn dây sẽ sinh ra một từ trường, từ trường này sẽ ảnh hưởng đến trạng thái của van làm cho van đóng hoặc mở.  Van điện từ thường được sử dụng để điều khiển lưu lượng chất khí hoặc chất lỏng. Ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: thủy lợi, hệ thống phun nước, sử dụng trong công nghiệp.  Ưu điểm của van điện từ:  Tác động nhanh, an toàn, độ tin cậy cao, tuổi thọ lâu dài.  Tiêu tốn năng lượng thấp, thiết kế nhỏ gọn. 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 92
  93. Van tỷ lệ điện từ (Proportional Solenoid Valves)  Cấu tạo: Van tỷ lệ gồm 3 phần  Phần thân vỏ van với lõi con trượt (tương đối giống như valve phân phối thông thường).  Phần cuộn điện từ với phần hồi tiếp điện tử: Nhận biết vị trí của lõi van đưa về bộ điều khiển thông qua que thăm  Card điện tử: Là nơi thu nhận tín hiệu điều khiển từ bên ngoài để cung cấp dòng điện điều khiển cho van tỷ lệ. Nó đồng thời nhận tín hiệu phản hồi từ lõi van để điều khiển chính xác. 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 93
  94. Van tỷ lệ kí nén  Cấu tạo 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 94
  95. Van tỷ lệ kí nén Van thường đóng Van thường mở
  96. Nguyen Ly Lam Viec van khí nén
  97. Ví dụ về mô hình điều khiển 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 97
  98. 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 98
  99. 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 99
  100. 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 100
  101. 2.2.1 Công tắc thông báo  Nhiệm vụ: thông báo trạng thái của các thiết bị công nghệ và điều khiển phục vụ cho việc tự động hóa quá trình sản xuất, thực hiện các chức năng báo động hay chẩn đoán kỹ thuật.  Tất cả các công tắc các loại được xếp vào đối tượng “thông báo”, ký hiệu M.  Công tắc phụ của các rơle, thiết bị điện (khởi động từ, công tắc tơ, máy cắt, v.v ) cho biết trạng thái đóng - cắt của thiết bị.  Công tắc báo trạng thái của các rơle bảo vệ khi giá trị đo vượt qua giá trị cho phép. 3/11/2021 NTH-Bộ môn kĩ thuật đo và tin học công nghiệp 101