Đề tài Nghiên cứu thiết kế mô hình cửa đóng mở tự động dùng cho đào tạo

LỜi cam đoan! Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: “ Nghiên cứu thiết kế mô hình cửa đóng mở tự động dùng cho đào tạo ” do em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của Thầy Lưu Đức Dũng. Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với mô hình cửa tự động Để hoàn thành bản đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu đã được nghi trong bảng những tài liệu tham khảo mà không sử dụng bất cứ một tài liệu nào khác. Nếu phát hiện ra sự sao chép em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Sinh viên NGUYỄN THỊ VIỆN LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, trong xã hội hiện đại của chúng ta bắt gặp rất nhiều loại cửa đóng mở tự động ở những nơi công cộng . Việc sử dụng các loại cửa tự động không những góp phần tăng sự sang trọng và hiện đại cho nơi sử dụng mà còn giúp tiết kiệm thời gian, đem đến sự tiện lợi cho những người qua lại. Chính vì vậy mà từ khi ra đời cho tời nay cửa tự động đã không ngừng được cải tiến ,hiện đại hóa để đáp ứng nhu cầu của người sử dụng. Nhìn chung cửa tự động là một loại thiết bị thay thế cho các loại cửa thông thường, nó có chức năng tự động cảm nhận đối vời người qua lại, tự động mở ra khi có người cần đi qua và tự động đóng lại khi không còn người qua lại. Ưu điểm chính của loại cửa này là nò hoàn toàn tự động không cần sự điều khiển của con người, nó có thể hoạt động liên tục, chính xác 24/24 giờ mỗi ngày. Việc sử dụng các loại cửa tự động đã trở thành một nhu cầu gần như không thể thiếu tại những nơi công cộng như khách sạn, nhà ga, sân bay, siêu thị …. Cửa tự động là một thiết bị phục vụ cho việc ra vào của con người nên nó đỏi hỏi sự hoạt động chính xác cao và hoàn toàn tự động. Bên cạnh dó vì thường lắp đặt ở mặt tiền nơi ra vào chính của các tòa nhà nên nó cũng đỏi hỏi phải có tính thẩm mỹ cao mang lại sự sang trọng cho nơi sử dụng. Với những ưu điểm như vậy các loại cửa tự động đang được sử dụng ngày càng rộng rãi. Tuy nhiên trên thị trường trong nước hiện nay các loại cửa tự động đang dùng đa phần vẫn được nhập từ nước ngoài. Mặc dù đội ngũ nhân lực tự động hóa trong nước khá lớn song sản phẩm cửa tự động mang thương hiệu Việt Nam gần như rất ít. Với phương châm cung cấp đến các học sinh, sinh viên chuyên ngành tự động hóa một thiết bị thực hành để làm quen với việc điều khiển cửa tự động nhóm chúng em đã quyết định chọn đề tài đồ án tốt nghiệp là : “Tìm hiểu, thiết kế mô hình cửa tự động dùng cho đào tạo” nội dung đồ án gồm các phần cơ bản sau: - Tổng quan về cửa đóng mở tự động - Thiết bị điện trong mô hình cửa tự động. - Tìm hiểu thiết kế mô hình - Lập trình điều khiển PLC Chúng em vô cùng biết ơn sự chỉ bảo tận tình của thầy Lưu Đức Dũng cùng các thầy cô giáo trong Ngành Tự Động Hóa thuộc trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ chúng em thực hiện đề tài này. Do kiến thức còn hạn chế, kinh nghiệm thực tế còn chưa tốt nên đồ án của chúng em không tránh khỏi những thiếu sót. Chúng em mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của các thầy để chúng em có thể rút kinh nghiệm và hoàn thiện tốt hơn cho bản thân cũng như cho đồ án này. Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô! CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CỬA ĐÓNG MỞ TỰ ĐỘNG 1.1. TÌM HIỂU VỀ CỬA TỰ ĐỘNG. Ngày nay trong xã hội hiện đại chúng ta bắt gặp rất nhiều các loại cửa đống mở tự động ở những nơi công cộng. Việc sử dụng các loại của tự động góp phần làm tăng sự sang trọng và hiện đại cho những công trình sử dụng, giúp tiết kiệm thời gian đem đến sự tiện lợi cho người qua lại. Chính vì vậy từ khi ra đời của tự động không ngừng được cải tiến, hiện nay trên thị truờng xuất hiện cửa tự động với nhiều chủng loại rất đa dạng phong phú để dáp ứng nhu cầu người sử dụng. Các loại cửa hiện có mặt trên thị truờng. 1.1.1. Cửa trượt tự động – Automatic sliding door. Hình 1.1.Cửa trượt tự động Ai cũng có thể nhận ra lợi thế của những cánh cửa trượt trong thiết kế không gian sinh hoạt đô thị ngày nay. Đầu tiên là việc tiết kiệm diện tích. Sau nữa là vẻ thanh lịch mà thiết kế này mang đến cho từng không gian. Những cánh cửa trượt luôn được xem là một giải pháp gắn với tinh thần tiết kiệm diện tích trong thiết kế nội thất. Tiết kiệm diện tích là một ưu thế, còn một điểm mạnh khác khiến cửa trượt là lựa chọn cho những không gian hiện đại chính là vẻ đẹp đơn giản đến mức tối đa – một phong cách của thiết kế tối giản (minimalism) mà ngày nay đã được đẩy lên thành trào lưu của thiết kế đương đại. Kết hợp với những hỗ trợ về kỹ thuật tiên tiến như bánh xe, hệ thống ray trượt cao cấp, thậm chí cả điều khiển tự động vận hành bằng hệ thống điều khiển từ xa hay mắt điện tử thông minh, những cánh cửa trượt càng trở nên tuyệt vời hơn nữa. Về mặt nguyên lí, một khi được kéo ra thì các cánh cửa trượt gần như mất dạng vào các mảng tường, điều này mở ra một cơ hội đối thoại gần như hoàn hảo giữa các không gian. Vì thế, ngoài chức năng đóng –mở, hệ thống cửa trượt còn là hệ ngăn cách thật linh hoạt giữa các không gian với nhau, hay giữa không gian bên trong nội thất với thiên nhiên bên và môi trường bên ngoài.Như vậy ngoài tính năng linh động, cửa trượt cũng góp phần mang lại cảm giác cho một không gian hiện đại. Những cánh cửa trượt hiện đại không chỉ đóng khung trong chất liệu gỗ truyền thống mà chỉ mở rộng với khung kim loại cao cấp hay nhựa tổng hợp, mà tiêu chí đầu tiên là phải nhẹ và bền. Với chất liệu ấy, cửa trượt có thể sử dụng ở rất nhiều nơi trong không gian nội thất, từ phòng khách đến phòng ngủ, cả buồng tắm, nhà bếp ..... Cửa trượt là một lựa chọn đầy ưu thế. Các thiết bị được sử dụng trong loại cửa này bao gồm : 1.1.1.1 Motor ( DC Brushless Motor ). Được thiết kế và sản xuất tại Nhật, đây là loại môtơ điện một chiều không sử dụng chổi than cho phép cửa hoạt động với tần suất cao mà không bị nóng. Với moment xoắn lớn cộng với hệ thống gá được chế tạo đặc biệt giúp cho sự vận hành của cửa hết sức nhẹ nhàng không bị rung. Tải trọng tối đa cho 2 cánh cửa lên tới 240 kg hoặc 150 kg cho cửa một cánh. Hình 1.2. Bộ điều khiển và giá đỡ của cửa trượt tự động Hình 1.3. Bộ điều khiển trung tâm và ray. 1.1.1.2.Bộ điều khiển ( MICOM Controller). Sử dụng Micro computer, lập trình hệ thống cho phép đảm bảo nhiều chức năng đóng – mở, có thể kết kết hợp với các thiết bị khác như đầu đọc thẻ, khóa điện, sesonr an toàn đảm bảo độ an toàn cao và an ninh cao. Trong khi cửa đang mở hoặc đóng , nếu gặp chướng ngại vật cửa sẽ dừng lại, đổi chiều và sau đó sẽ từ từ đóng lại hoặc mở ra. Nếu sau ba lần gặp vật cản, cửa sẽ giữ nguyên ở vị trí mở và hoạt động trở lại khi có tín hiệu từ mắt thần (sensor). 1.1.1.3. Mắt cảm biến (SENSOR). Cho phép cửa có tầm quét xa , nhạy và liên tục. Giúp cho cửa giữ nguyên mở nếu có người hoặc vật cản nằm trong vùng hoạt động của cửa. 1.1.1.4. Hộp kỹ thuật ( RAIL BASE). Được chế tạo từ hợp kim nhôm với độ cứng cao giúp cho khung cửa chắc khỏe và đặc biệt không bị mài mòn trong quá trình sử dụng . 1.1.1.5. Hệ thống bảo vệ cách nhiệt tiêu chuẩn. Ngăn ngừa việc phá hỏng bộ điều khiển và motor. Khi tải vượt quá mức, tín hiệu sẽ được thông báo, bộ điều khiển trung tâm sẽ điều chỉnh giảm tốc độ cũng như thời gian vận hành xuống và cửa vẫn hoạt động ở cường độ thấp . Nếu không tiếp tục có sự quá tải , cửa sẽ trở lại hoạt động bình thường, tốc độ hoạt động của cửa lại phục hồi . Tuy nhiên , khi quá tải lại tiếp tục , cửa sẽ dừng hoạt động để bảo vệ động cơ . 1.1.1.6. Chế độ làm việc. Tự động : Cửa tự động đóng khi không có người , mở khi có người qua lại Mở thường trực : Cửa lúc nào cũng mở . Mở một chiều : Dành cho các cửa hàng , siêu thị . Ở chế độ này chỉ cho phép người di qua một chiều nhất định (đi ra hoặc đi vào) . Chế độ đóng cửa vào ban đêm và mở cửa lại vào sáng hôm sau : Cho phép đặt chế độ đóng cửa vào ban đêm , và mở cửa lại vào sáng hôm sau . Giờ đóng, mở cửa do người điều khiển tự cài đặt . Ngoài ra còn có chế độ khóa cửa theo yêu cầu sử dụng , khi đó hệ truyền động bị khóa nên người khác không thể mở cửa . Thông số kỹ thuật cửa trượt tự động. Hình 1.4. Thông số kỹ thuật cửa trượt tự động 1.1.2. Cửa mở cánh tự động – Automatic swing door. Hình 1.5 Cửa mở cánh tự động. Dựa trên sự phát triển của các loại cửa mở cánh sử dụng bản lề sàn thông thường , cửa mở cánh tự động thực sự tạo nên một phong cách mới cho công nghệ sản xuất cửa tự động đó là : Hiện đại và tiện lợi. Khi không có chỗ để lắp ray cửa trượt thì giải pháp cửa mở cánh tự động là giải pháp tối ưu, người sử dụng hoàn toàn không còn phải bận tâm về chiều rộng của nơi lắp đặt. Khi có người vào, thì cửa sẽ tự động mở vào phía trong và ngược lại . Mỗi khi gặp vật cản, cửa sẽ tự động đảo chiều. Đặc biệt, với hai cảm biến an toàn (Safety Beam Seor) gắn ngay trên cửa sẽ tránh được va chạm người hoặc đồ vật trong phạm vi hoạt động của cửa. Toàn bộ Bộ điều khiển, Môtơ của cửa đều nằm gọn trong hộp kỹ thuật kích thước nhỏ gọn ngay trên khung cửa nên có thể lắp cho cửa nhôm kính, cửa gỗ hoặc thậm chí cả cửa thép. Đẩy cửa: Kéo cửa: Hình 1.6 Giá đỡ cửa mở cánh tự động Thông số kĩ thuật cửa mở cánh tự động. Hình 1.7. Thông số kỹ thuật cửa mở cánh tự động 1.1.3. Cửa mở trượt gấp tự động – Automatic folding door. Hình 1.8 Cửa mở trượt gấp tự động Cửa mở trượt gấp được sử dụng rất hiệu quả với những công trình có lưu lượng người qua lại lớn hoặc cần có độ mở thông thủy lớn nhất. Cửa mở trượt gấp không chỉ phù hợp với các showroom, siêu thị, garage ô tô mà còn được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy, phòng thí nghiệm, …. Hình 1.9 Mặt cắt theo chiều dọc giá đỡ và mặt bên ngoài của cửa Thông số kỹ thuật cửa mở trượt gấp tự động: Model SF 2004 Kiểu mở   Mở trượt gấp 90o  Bộ điều khiển Micom processor Motor 45 W Fuji Micro DC Brushless MotorĐộng cơ điện 1 chiều không chổi than Điện áp AC 220 V  -  50 ~ 60Hz Tải trọng cánh cửa Max 50 kg x 2 hoặc 50Kg x 4 Kích thước cánh cửa Max 700mm Hộp kỹ thuật 150 x 170 mm Tốc độ mở / đóng đến 90o 2 – 5 /s ( Có thể điều chỉnh ) Thời gian giữ cửa mở   0.5 to 13 s ( Có thể điều chỉnh) Hình1.10.Thông số kỹ thuật cửa trượt gấp tự động 1.1.4. Cửa trượt xếp lớp tự động – Automatic telescopic door. Hình 1.11. Cửa trượt xếp lớp tự động. Cửa trượt xếp lớp dựa trên nguyên lý hoạt động của cửa trượt thông thường được thiết kế lại bộ gá, dây curoa phụ…Thay vì chỉ có hai cánh trượt sang hai bên như các loại cửa trượt thông thường, cửa trượt xếp có đến 4 cánh trượt sang hai bên. Sử dụng cửa trượt xếp sẽ làm cho cửa có độ mở thông thoáng lên tới 75% so với 50% của cửa trượt thông thường. Cửa trượt xếp được sử dụng rất hiệu quả và thực sự phù hợp với những công trình đòi hỏi chỉ lắp cửa trượt theo yêu cầu độ mở thông thủy lớn hơn hoặc có lưu lượng người qua lại lớn. Cửa trượt xếp không chỉ phù hợp với các showroom, siêu thị, garage ô tô mà còn được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy, phòng thí nghiệm …. Hình 1.12 Bộ điều khiển và gá đỡ của cửa trượt xếp lớp Động cơ, được cải tiến thông qua động cơ điện một chiều không chổi than, sự chuyển động của các bánh răng. Cấu trúc bộ gá con lăn, bộ gá hợp kim và sử dụng hai con lăn hợp kim bọc một hợp chất nhựa luôn giữ cho cánh cửa vững chắc cân bằng, chống mọi trường hợp xô lật cánh và giúp cho cửa vận hành êm hơn. Khi tải vượt quá mức, tín hiệu sẽ được thông báo, bộ điều khiển trung tâm sẽ điều chỉnh giảm tốc độ cũng như thờ gian vận hành xuống và cửa vẫn hoạt động ở cường độ thấp. Nếu không tiếp tục có sự quá tải, cửa sẽ trở lại hoạt động bình thường, tốc độ hoạt động của cửa lại tự phục hồi. Tuy nhiên, khi sự quá tải lại tiếp tục, cửa sẽ dừng lại để bảo vệ động cơ. Mắt cảm biến an toàn, giúp cho cửa giữ nguyên mở nếu có người hoặc vật nằm trong vùng hoạt động của cửa. Thông số kỹ thuật cửa trượt tự động. Hình 1.13.Thông số kỹ thuật cửa trượt gấp tự động 1.1.5. Cửa trượt cánh cong tự động – Automatic circle sliding door. Hình 1.14. Cửa trượt cánh cong tự động Ray của cửa trượt vòm cong. Hình 1.15.Ray của cửa trượt cánh cong tự động Thật là đẹp với một công trình sử dụng cửa cong tự động. Dường như có một sự cách điệu từ cửa trượt và cửa mở cánh thông thường để tạo nên sự khác biệt của cửa cong tự đó là sự mềm mại và tính tiện dụng. Chỉ cần kết hợp 2 bộ cửa cong, chúng ta đã có một hệ thống cửa tự động liên hoàn khép kín gọi là: Phòng ngăn gió. Nó thực sự thích hợp với những công trình sử dụng điều hòa không khí trung tâm hoặc muốn ngăn chặn tối đa bụi và gió từ bên ngoài. Thông số kỹ thuật cửa trượt cánh cong tự động. Hình 1.16.Thông số kỹ thuật cửa trượt cánh cong 1.1.6. Cửa xoay tự động – Automatic revolving door. Hình 1.17.Cửa xoay tự động Với nét kiến trúc khác biệt, cửa xoay tự động được dùng tại các ngân hàng, khách sạn, những tòa nhà có lưu lượng người qua lại lớn, tốc độ lưu thông cao nhưng vẫn bảo đảm độ an toàn. Giữ nhiệt, tránh gió, bụi, tránh được nguy cơ gió đập…. Cửa có thể làm việc tự động hoàn toàn,hoặc bán tự động (có sự trợ giúp của động cơ điện để mở cửa) và báng tay (dùng lực của người để đẩy cửa). Cửa được gắn mắt thần cảm biến, khi có người ra vào, cửa tự động hoạt động, bình thường cửa sẽ dừng lại để tiết kiệm năng lượng. Cảm biến cũng sẽ đảm bảo an toàn cho người đi qua vì khi vướng hành lý hoặc người đi vào buồng cửa dùng lại thì cửa cũng sẽ dừng lại. Khung cửa được làm bằng nhôm hợp kim nên bền đẹp và nhẹ. Mô tả thiết bị: - 2 radar phát hiện chuyển động lắp phía trong và phía ngoài, tín hiệu radio - 2 sensor phát hiện vật cản lắp trong và ngoài, chếch lối đi bên phải, tránh kẹt. - 2 sensor phát hiện va chạm lắp dọc hai vách cong, chếch lối đi bên phải. - 3 sensorphats hiện va chạm lắp dưới 3 cánh xoay. - 1 hộp điều khiển nút bấm điều khiển có 5 chế độ. - 1 khóa key switch để dùng khóa xích Hình 1.18. Cơ cấu quay của cửa cánh cong tự động. Một số tiêu chuẩn. Hình 1.19. Tiêu chuẩn của cửa cánh cong tự động 1.1.7. Cửa cuốn tự động. Hình 1.20. Cửa cuốn tự động. Cửa cuốn tự động mang những đặc tính vượt trội, thân cửa làm bằng hợp kim Alumi siêu bền có độ đàn hồi cao. Vận hành ấn tượng: Siêu êm – siêu nhẹ - siêu nhanh. Tự động đảo chiều khi gặp chướng ngại vật. Báo động khi có đột nhập. Được thiết kế dễ dàng thoát hiểm trong trường hợp khẩn cấp. Khi mất điện, có thể mở cửa bằng tay một cách nhẹ nhàng. Kiểu dáng hiện đại, màu sắc đa dạng và phong phú. Có thể bổ sung nhiều lựa chọn: Đèn báo sáng, còi báo động, UPS, mắt hồng ngoại (sensor), Card điều khiển trung tâm, hẹn giờ đóng mở. Cửa cuốn tự động phù hợp với mọi công trình: Nhà ở - cửa hàng – ki ốt – kho hàng – nhà xưởng Gara ô tô – siêu thị …. Motor của cửa cuốn tự động dùng điện áp 24v DC sẽ không gây nguy hiểm cho người sử dụng. Khi đóng cửa, hệ thống motor sẽ tự động khóa bộ ly hợp, khi chốt ly hợp bị mở/gẫy (do kẻ gian) thì còi báo động sẽ được kích hoatjvaf thông báo có đột nhập. Công nghệ khóa Advanced Rolling Code và hàng tỉ mã số được tạo ra nhằm ngăn ngừa hoàn toàn khả năng copy mã số mở cửa của kẻ gian. Trong nhưng trường hợp khẩn cấp có thể mở cửa bằng tay nhanh chóng bằng “dây rút chốt hãm”. Hình 1.21. Motor cửa cuốn Có thể đóng mở cửa một cách dễ dàng và thuận tiện trong khoảng cách 50m và trong mọi điều kiện thời tiết nhờ bộ điều khiển từ xa. Hình 1.22. Điều khiển sóng rađiô Trong trường hợp mất điện vẫn mở được cửa nhờ bộ lưu điện (UBS), có khả năng lưu điện để sử dụng trong vài ngày. Hình 1.23. Bộ lưu điện Hệ thống cao su giảm chấn dưới đáy ngăn không cho nước và bụi đi vào nhà. Hình 1.24. Trục cuốn motor Ray cửa giúp cố định vị trí cửa, giúp cửa vận hành êm nhẹ. a) Ray dẫn hướng b) Ray di động Hình 1.25. Các loại ray Công tắc Remote Tubular motor Nắp thư Chốt cài ray di động Hộp inox Công tắc Khóa ngang Hình 1.26. Các phụ kiện của cửa cuốn tự động 1.1.8. Cửa nâng garage. Cửa nâng garage đem lại cho khách hành một sự lựa chọn hoàn hảo cho các công trình đòi hỏi chất lượng cao và kiến trúc độc đáo. Cửa garage nâng loại một tấm và nhiều tấm đều có những ưu điểm riêng nên loại cửa này thích hợp cho nhiều công trình khác nhau tại nhiều nước trên thế giới. Cửa được thiết kế với kĩ thuật cao, mẫu mã hiện đại cho các công trình kiến trúc đa dạng. Cửa có thể sản xuất bằng gỗ, thép, inox Hình 1.27. Cửa nâng garage 1.2. CÔNG NGHỆ ĐIỀU KHIỂN CỬA Trên thị trường hiện nay có rất nhiều loại cửa tự động, nhưng công nghệ logic điều khiển cửa không khác biệt với nhau nhiều. Các cửa tự động đều có các cảm biến gắn bên trong và bên ngoài phát hiện người đi tới, các cảm biến nhận biết vị trí cần giảm tốc, các cảm biến báo cần ngát điện động cơ. Khi có người đi vào (hoặc có người đi ra), cảm biến bên ngoài cửa (cảm biến bên trong cửa) phát hiện , truyền tín hiệu về bộ điều khiển. Bộ điều khiển ra tín hiệu khởi động động cơ mở cửa. Động cơ được điều khiển ở nhiều cấp tốc độ, khi bắt đầu mở cửa, động cơ chạy nhanh sau đó chạy chậm daanfvaf dừng lại cửa được mở hoàn toàn. Khi có người đi qua, cửa bắt đầu đóng, động cơ chạy nhanh sau đó chạy chậm dần và dừng lại, cửa được đóng hoàn toàn. Việc giảm tốc độ cuối mỗi hành trình đóng mở cửa làm giảm động năng của cửa giúp dừng chính xác cánh cửa và không gây ra va chạm. Tốc độ mở cửa có thể nhanh hơn tốc độ đóng cửa để không gây cảm giác nguy hiểm khi nhìn vào. Khi cửa đang đóng lại mà có người đi tới (đi ra hoặc đi vào) cửa sẽ mở ra, tùy theo vị trí của cửa lúc đó mà cửa sẽ mở nhanh hay chậm. Nếu cửa đang ở vị trí trong hành trình mở nhanh thì cửa sẽ mở nhanh sau đó đóng chậm dần và dừng lại. Nếu cửa đang ở vị trí trong hành trình mở chậm thì cửa sẽ mở chậm sau đó dừng lại.Khi cửa đã đóng hoặc mở động cơ truyền động phải ngắt điện. Để đề phòng trường hợp có người đi qua mặt cửa nhưng không đi vào hoặc đi ra mà cửa vẫn mở thì cảm biến sẽ được đặt để có thể nhận biết được người ở một khoản cách đủ xa, bộ điều khiển cũng được đặt thời gian để sau khoảng thời gian đó nếu vẫn thấy cảm biến liên tục báo có người tới thì mới ra tín hiệu mở cửa còn nếu như người đó chỉ đi ngang qua cửa trong một thời gian ngắn thì cửa sẽ không mở ra. Khi có đông người qua lại ( ví dụ như đầu hoặc cuối giờ làm việc), cảm biến ra tín hiệu sẽ được thông báo, bộ điều khiển trung tâm sẽ điều chỉnh để cửa hoạt động ở chế độ mở thường trực cho mọi người ra vào. Nếu lượng người qua lại không còn đông nữa, cảm biến sẽ báo để bộ điều khiển trung tâm đưa cửa sẽ trở lại chế độ bình thường, tốc độ hoạt động của cửa lại tự động phục hồi. Cảm biến cũng sẽ đảm bảo an toàn cho người đi qua. Khi có người hoặc hành lý giữa hai cánh cửa thì cửa lại mở ra. Nếu sau 3 lần gặp vật cản, cửa sẽ giữ nguyên vị trí mở và sẽ đóng trở lại khi có tín hiệu từ cảm biến báo không có vật. Trường hợp cửa bị khẹt do vướng phải chướng ngại vật trên thanh ray, dây curoa hoặc kẹt trục động cơ thì để đảm bảo an toàn cửa sẽ mở hết hoặc bộ điều khiển sẽ cắt điện cho động cơ và cửa dừng lại tại vị trí xảy ra sự cố, đồng thời ra tín hiệu báo cho người điều khiển để khắc phục sự cố. CHƯƠNG 2 THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG MÔ HÌNH CỬA TỰ ĐỘNG Các thiết bị thường dùng trong mô hình cửa tự động: Cảm biến: - Cảm biến người: +Cảm biến tiệm cận. + Cảm biến hồng ngoại + Cảm biến siêu âm + Cảm biến quang Cảm biến vị trí: + Công tắc hành trình + Encoder Thiết bị đóng cắt: + Rơ le thời gian. + Rơ le trung gian. Động cơ: Động cơ một chiều: + Động cơ một chiều có chổi than. + Động cơ một chiều không chổi than. Động cơ điện xoay chiều: + Động cơ điện xoay chiều không đồng bộ 3 pha. + Động cơ điện xoay chiều không đồng bộ 1 pha. Động cơ bước: + Động cơ bước nam châm vĩnh cửu. + Động cơ bước điện từ trở. 2.1. THIẾT BỊ CẢM BIẾN. 2.1.1 Cảm biến phát hiện người qua cửa. Cảm biến là thiết bị tiếp nhận thông tin thay đổi từ môi trường bên ngoài và biến đổi thành các đại lượng điện để điều khiển các thiết bị khác. Cảm biến là một trong ba thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển. Cảm biến là các phần tử nhạy cảm dùng để biến đổi các đại lượng đo lường, kiểm tra hay điều khiển từ dạng này sang dạng khác thuận tiện hơn cho việc tắc động của các phần tử khác. Cảm biế thường dùng ở khâu đo lường và kiểm tra. Các loại cảm biến được sử dụng rộng rãi trong tự động hóa các quá trình sản xuất và điều khiển tự động các hệ thống khác nhau. 2.2. PHÂN LOẠI CẢM BIẾN. 2.2.1. Cảm biến tiếp xúc. - Gắn trực tiếp lên đại lượng cần đo và tín hiệu phát ra của chúng có thể một đại lượng vật lý có tương quan tỷ lệ với đại lượng đo. 2.2.2. Các loại cảm biến không tiếp xúc. + Cảm biến điện từ đo khoảng cách, phát hiện vật thể. + Cảm biến điện dung. + Cảm biến quang học đo khoảng cách phát hiện sự hiện diện. + Cảm biến quang học + Cảm biến hồng ngoại. 2.3. TÌM HIỂU MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN. 2.3.1. Cảm biến tiếp cận. Cảm biến tiếp cận là loại cảm biến được sử dụng để phát hiện sự có mặt hoặc không có mặt của đối tượng bằng kỹ thuật cảm biến không có tiếp xúc cơ học. Các cảm biến tiếp cận sử dụng nguyên lý thay đổi điện cảm hay thay đổi điện dung của phần tử mạch điện đơn giản, không đồi hỏi tiếp xúc cơ học. Tuy nhiên cảm biến này có hạn chế về tầm hoạt động với khoảng cách tối đa là 100m. Các kỹ thuật tiếp cận dựa trên nguyên lý vi sóng và quang học có tầm hoạt động lớn và sử dụng rộng lớn và được sử dụng rộng rãi trong thực tế. Cảm biến tiếp cận quang học sử dụng nguồn sáng và cảm biến quang. Đối tượng cần phát hiện sẽ cắt chùm tia sáng là cảm biến tác động. Người ta thường bố trí cảm biến tiếp cận quang học như dưới đây. + Cảm biến đặt đối diện với nguồn phát: Đối tượng cần phát hiện sẽ cắt chùm tia. Ưu điểm và nhược điểm của cách bố trí này là: Ưu điểm. - Cự ly cảm nhận xa . - Có khả năng thu được tín hiệu mạnh. - Tỷ số tương phản sáng/ tối lớn nhất . - Đối tượng phát hiện có thể lặp lại Nhược điểm. - Đòi hỏi dây nối qua vùng phát hiện giữa nguồn sáng và cảm biến. - Khó chỉnh thẳng hàng giữa cảm biến và nguồn sáng. - Nếu đối tượng có kích thước nhỏ hơn đường kính hiệu dụng của chùm tia cần có thấu kính để thu hẹp chùm tia. Nguồn sáng Cảm biến Nguồn sáng Cảm biến Vật thể Hình 2.1. Phát hiện đối tượng nhờ ánh sáng phản chíếu khuếch tán 2.3.2. Cảm biến hồng ngoại. Hình 2.2. Cảm biến hồng ngoại RK210PT Hồng ngoại là loại tia có bản chất sóng điện từ nằm ngoài cùng ánh sáng có thể nhìn thấy có bước sóng lớn hơn bước sáng của tia đỏ ( ג >760μm).Sóng hồng ngoại được tạo ra dễ dàng bằng cách tạo dao động cho diode phát hồng ngoại chuyên dụng. Do đó hồng ngoại được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Tia hồng ngoại với bản chất sóng điện từ nên có thể phản xạ khi gặp bề mặt vật thể. Ta có thể ứng dụng đặc điểm này để phát hiện vật thể, cảm biến hồng ngoại sẽ phát xạ ra các tia hồng ngoại, sau đó dựa trên tín hiệu phản xạ về thì nó sẽ phân tích xem có chuyển động hay không. Còn đối với các cơ thể sống, không hoạt động trong vùng phát xạ, thì nó vãn phát hiện được sự xuất hiện của cơ thể sống, vì các cơ thể cũng tự bức xạ nhiệt,và cảm biến cũng thu được các bực xạ này. Trong mạch phát hiện vật thể hoạt động trên nguyên lí thu phát hồng ngoại người ta bố trí các diode và sensor thu hồng ngoại thành từng cặp theo một số cách sau: - Bố trí cạnh nhau Trong cách bố trí này tia hồng ngoại từ diode phát ra khi gặp bề mặt vật cản sẽ phản xạ lại. Do sensor thu được đặt cạnh diode phát nên sẽ thu được tín hiệu phản xạ này. -Bố trí đối diện: Trong cách bố trí này, khi không có vật chắn, tia hồng ngoại từ diode phát luôn tới và được sensor thu. Khi có vật chắn, tia hồng ngoại sẽ không đi thẳng mà phản xạ lại do đó không tới được sensor thu. Ngoài ra hồng ngoại còn được sử dụng để truyền tin không dây do đó có khả năng chống nhiễu tốt hơn ánh sáng thông thường , do đó có thể mang thông tin mã hóa. Thiết bị thu phát hồng ngoại lại khá đơn giản, gọn nhẹ, giá thành rẻ. Với những ưu điểm trên hồng ngoại được lựa chọn như một giải pháp tối ưu trong việc thiết kế mạch phát hiện vật thể cho cửa tự động. . PIR ( Pasive Infraed) KC7786. KC7786 là thiết bị cảm biến cỡ nhỏ được cấu tạo bởi bộ khuếch đại và chuyển mạch logic. Phần trung tâm của thiết bị là bộ điều chỉnh KC778B có độ tin cậy cao. Khả năng phát hiện sự di chuyển của người từ khoảng cách 5m. Nó cũng rất thích hợp với những hệ thống cảnh báo chống trộm, chiếu sáng…. Hình 2.3. Cảm biến hồng ngoại KC7786 Bộ điều khiển cảm biến: Hình 2.4. Bộ điều khiển cảm biến Cảm biến hồng ngoại được sử dụng trong cửa tự động dùng để nhận biết có người đang đi tới để mở cửa kịp thời khi có người đi tới và đóng cửa kịp thời khi không còn người đi qua. Hình 2.5. Vị trí gắn cảm biến trên cửa tự động 2.3.3. Cảm biến siêu âm: Cảm biến siêu âm là thiết bị dùng để xác định vị trí của các vật thông qua phát sóng siêu âm. Sơ đồ cấu tạo: Hình 2.6. Sơ đồ cấu tạo cảm biến siêu âm. Chú thích: Bộ biến âm . Đế nhựa tổng hợp. Phần giảm âm. Cáp điện. Vỏ bọc kim loại. Vỏ bọc. Một số thông tin kỹ thuật: SRF02 - Chi tiết Điện áp - Nguồn 5V Dòng - I= 4mA Tần số - 40KHz Phạm vi hoạt động - 15cm - 6m. Khả năng hoạt động - Điều khiển liên tục 64 bước Kiểu kết nối - 12 - Tốc độ truyền 12C. đường truyền tương tự - connects up to 16 devices to any uP or UART serial port Điều khiển tự động - Không định kích cỡ hoạt động, tự xử lí và hoạt động nhanh Thời gian hoạt động - Thời gian hồi đáp,đưa tín hiệu điều khiển Hệ đơn vị - Đo trong hệ inch,mm,uS Trọng lượng - 4.6 m Kích thước - 24mm x 20mm x 17mm chiều cao Hình 2.7. Thông số kỹ thuật và giản đồ xung của cảm biến siêu âm 2.3.4. Cảm biến quang: Cảm biến quang là loại cảm biến đo vị trí và dịch chuyển theo phương pháp quang hình học gồm nguồn phát sáng kết hợp với một dầu thu quang (thường là tế bào quang điện). Cảm biến quang gồm có: - Biến quang phát xạ. - Biến quang soi thấu. Ứng dụng: - Nhận biết vị trí của chi tiết trong máy CNC - Cảm biến màu sản phẩm hóa thực phẩm - Cảm biến lùi định vị khoảng cách các vật đối với ô tô, để đảm bảo an toàn - Cảm biến định vị trí trục khuỷu, bướm ga, chân ga để nâng cao hiệu suất, tính toán lượng nhiên liệu được đốt trong động cơ đốt trong. - Đếm sản phẩm trong dây chuyền … Hình ảnh và thông số kỹ thuật của một vài cảm biến quang : Hình 2.8 Cảm biến quang phát xạ Hình 2.9. Cảm biến quang điện 2.4. CÔNG TẮC HÀNH TRÌNH. Hình 2.13. Công tắc hành trình 2.4.1. Khái niệm: Công tắc hành trình là một thiết bị thực hiện chức năng đóng mở mạch điện. Nó thường được đặt trên đường hoạt động của một cơ cấu nào đó sao cho khi cơ cấu đến một vị trí đặt trước sẽ tác động lên công tắc . - Hành trình có thể tịnh tiến hoặc quay. - Người ta có thể sử dụng công tắc hành trình vào các mục đích như: + Giới hạn hành trình (khi cơ cấu đến vị trí giới hạn cà tác động vào công tắc sẽ làm tắt nguồn cung cấp cho cơ cấu nên nó không vượt qua vị trí giới hạn ). + Hành trình tự động : Kết hợp với các rơle, PLC hay vi điều khiển để khi cơ cấu đến vị trí định trước sẽ tác động cho các cơ cấu khác hoạt động hoặc tác động trực tiếp đến cơ cấu đó. Công tắc hành trình được dùng nhiều trong các dây chuyền tự động. Các công tắc hành trình có thể là: + Các nút ấn thường đóng, thường mở. + Công tắc hai tiếp điểm . + Công tắc quang. + Công tắc từ. 2.5. ENCODER. 2.5.1 Khái niệm: Nhiệm vụ của encoder là đo lường dịch chuyển thẳng hoặc góc đồng thời chuyển đổi vị trí góc hoặc vị trí thẳng thành tín hiệu nhị phân và nhờ tín hiệu này có thể xác định được vị trí trục hoặc bàn máy. Tín hiệu ra của Encoder được sử dụng làm phần tử chuyển đổi tín hiệu phản hồi trong các máy CNC và robot. Hình 2.13. Encoder kiểu quay. Tùy thuộc vào chuyển động của Encoder mà ta có hai kiểu Encoder : thẳng và quay. - Nguyên lí hoạt động hoàn toàn giống nhau nhưng Encoder thẳng có điểm khác cơ bản với Encoder quay là chiều dài của Encoder phải bằng tổng chiều dài chuyển động tương ứng có nghĩa là chiều dài cần đo bằng chiều dài thước. - Encoder quay chỉ là một đĩa nhỏ và kích thước của encoder quay không phụ thuộc vào khoảng cách đo, do đó kích thước của nó nhỏ gọn hơn so với loại thẳng. - Encoder quay có thể dùng để đo cả hai thông số là dịch chuyển và tốc độ. - Trong máy công cụ điều khiển số, chuyển động của bàn máy được dẫn động từ một dộng cơ ( động cơ bước, động cơ một chiều và động cơ xoay chiều ) qua vít me, đai ốc, bi tới bàn máy, có thể nhờ Encoder lắp trong cụm truyền dẫn. 2.6. PHÂN LOẠI ENCODER. 2.6.1. Encoder tuyệt đối. Encoder tuyệt đối kết cấu gồm các phần sau ; nguồn sáng, đĩa mã hóa và các photosensor. Đĩa mã hóa được chế tạo từ vật liệu trong suốt. Mặt đĩa được chia thành các góc đều nhau và các đường tròn đồng tâm. Các đường tròn đồng tâm và bán kính giới hạn các góc hình thành các phân tố diện tích. Tập hợp các phân tố diện tích cùng giới hạn bởi hai vòng tròn đồng tâm gọi là dải băng. Số dải băng trên đĩa tùy thuộc khả năng công nghệ. Công nghệ ngày nay cho phép chia đĩa mã hóa lớn nhất là dải. Trên các đĩa băng, các diện tích phân tố, có phân tố để trong suốt ( ánh sáng có thể xuyên qua được ) và cũng có phân tố được phủ một lớp mà ánh sáng không thể xuyên qua được. Sự trong suốt đặc trưng tính của các phân tố. Hình 2.14. Đĩa quang. a. Nguyên lý hoạt động của Encoder tuyệt đối: Đĩa mã hóa được lắp trên trục, đối diện qua đĩa mã hoá bên trái ta bố trí nguồn sáng (đèn Led ), phía bên kia của đĩa ( bên phải )ta bố trí các photosensor, khuyếch đại và Trigger Smiths. Tương ứng với mỗi dải băng ta lắp nguồn sáng. Nguồn sáng và các photosensor được lắp cố định. Khi ánh sáng từ nguồn sáng chiếu tới đĩa mã hoá, nếu đối diện với tia sáng là diện tích phân tố trong suốt, ánh sáng truyền qua đĩa tới photosensor làm xuất hiện dòng chạy qua photosensor. Nếu đối diện với tia sáng là phân tố bị phủ lớp chắn sáng, ánh sáng không tới được photosensor và trong photosensor không có dòng điện chạy qua . Dòng ra của photosensor nhỏ vì vậy mà ta đưa ra bộ khuyếch đại, khuyếch đại đủ lớn để đưa đến tầng tiếp theo. Do qua trình quay đĩa mã hoá , cường độ ánh sáng tăng từ nhỏ dến cực đại ( tia sáng xuyên qua hoàn toàn) và tiếp theo giảm dần đến khi tia sáng bị chặn , dòng trong photosensor bằng không. Vì vậy để có xung ra là xung vuông ta cho tín hiệu qua mạch sửa dạng xung Trigger Smiths. Gọi số góc trên đĩa là S và số dải là a, quan hệ giữa số góc và số dải đựoc biểu diễn qua công thức: S = 2a (2.1) Trong đó: a là số nguyên dương tuyệt đối. Giá trị góc chia trên đĩa mã hoá α được tính theo công thức. α = 3600/ S (2.2) Hình 2.15. Các thành phần cơ bản của Encoder. Decimal code Decimal mã Rotation range (deg.) Rotation nhiều (deg.) Binary code Mã nhị phân Gray code Mã Gray 0 0 0-22.5 0-22.5 0000 0000 0000 0000 1 1 22.5-45 22.5-45 0001 0001 0001 0001 2 2 45-67.5 45-67.5 0010 0010 0011 0011 3 3 67.5-90 67.5-90 0011 0011 0010 0010 4 4 90-112.5 90-112.5 0100 0100 0110 0110 5 5 112.5-135 112.5-135 0101 0101 0111 0111 6 6 135-157.5 135-157.5 0110 0110 0101 0101 7 7 15.75-180 15.75-180 0111 0111 0100 0100 8 8 180-202.5 180-202.5 1000 1000 1100 1100 9 9 202.5-225 202.5-225 1001 1001 1101 1101 10 10 225-247.5 225-247.5 1010 1010 1111 1111 11 11 247.5-270 247.5-270 1011 1011 1110 1110 12 12 270-292.5 270-292.5 1100 1100 1010 1010 13 13 292.5-315 292.5-315 1101 1101 1011 1011 14 14 315-337.5 315-337.5 1110 1110 1001 1001 15 15 337.5-360 337.5-360 1111 1111 1000 1000 Hình 2.16. Bit màu xám và tài nguyên thiên nhiên mã nhị phân. 2.6.2. Encoder gia số. Encoder được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Encoder gia số có hai loại + Kiểu thẳng. + Kiểu quay. a.Encoder quay: Gồm có nguồn sáng ( trong kết cấu này nguồn sáng là bóng đèn), thấu kính, thước cố dịnh , đĩa phát xung, photosensor và mạch điện. Đĩa phát xung được làm bằng vật liệu trong suốt trên có một hoặc hai dải băng (dải băng là tập hợp các vạch sáng tối có chiều dày giống nhau). Một trong hai dải băng trên đĩa làm nhiệm vụ phát xung, dải băng còn lại để xác định góc quay không quy chiếu. Đĩa phát xung đựoc lắp trên trục và chuyển động quay cùng trục. Đĩa thứơc ( thước cố định) có xẻ bốn rãnh trên cùng một hàng, rãnh xẻ thứ năm bố trí trên hàng riêng và thước được cố định trên vỏ cùng phía với photosensor.Tương ứng với năm rãnh cố định ta lắp năm photosensor , photosensor cũng được lắp cố định với Encoder. Thấu kính làm nhiệm vụ biến đổi đường đi của các tia sáng thành các tia sáng song song. Hình 2.17. Encoder gia số kiểu quay. b.Encoder gia số kiểu thẳng: Encoder gia số kiểu thẳng cũng có những thành phần như Encoder gia số kiểu quay nhưng chỉ khác là thước động là thước thẳng. Hình 2.18. Nguyên lý hoạt động của Encoder kiểu gia số Nguyên lý hoạt động hoàn toàn giống Encoder kiểu quay: Encoder gia số kiểu thẳng gồm có nguồn sáng ( trong kết cấu này nguồn sáng là bóng đèn ), thấu kính, đĩa thước cố định, đĩa phát xung, photosensor và mạch điện . Đĩa phát xung được làm bằng vật liệu trong suốt, trên có một hoặc hai dải băng (dải băng là tập hợp các vạch sáng tối có chiều dày giống nhau). Một trong hai dải băng trên đĩa làm nhiện vụ phát xung, dải băng còn lại để xác định góc không quy chiếu. Đĩa phát xung được lắp trên trục và chuyền động quay cùng trục. Đĩa thước (thước cố định) có xẻ bốn rãnh trên cùng một hàng, rãnh thứ năm bố trí trên hàng riêng và thước được cố định trên vỏ cùng phía với photosensor. Ưu nhược điểm của encoder gia số. *Ưu điểm. Đơn giản và rẻ tiền. Không cần mạch giải mã và không cần bộ đếm. Tốc độ có thể chọn ở bất kì thời điểm nào . *Nhược điểm. Không đo được vị trí tuyệt đối do sự thay đổi gia số. Rất nhạy cảm với các tín hiệu bên ngoài. Ngắt nguồn điện sẽ làm mất gốc 0, muốn đo được phải xác định lại. Hình 2.19. Encoder công nghệ. c.Encoder xung: *Ưu điểm: - Đầu ra dạng xung nên trong các hệ thông điều khiển không cần có các bộ chuyển đổi ADC. - Dễ sử dụng. *Nhược điểm: - Giá thành cao. - Phải có thêm mạch giải mã và đếm. Với những ưu nhược điểm của các loại Encoder nêu trên , ta nên chọn loại Encoder tương đối 100xung/vòng quay, điện áp đầu vào là 5V, xung ra có điện áp là 5V. 2.7. THIẾT BỊ ĐÓNG CẮT VÀ ĐIỀU KHIỂN. 2.7.1. Khái niệm chung về rơle. Rơle là một loại thiết bị điện tự động mà tín hiệu đầu ra thay đổi nhảy cấp khi tín hiệu đầu vào đạt những giá trị xác định. Rơle là thiết bị điện dùng để đóng cắt mạch điện điều khiển, bảo vệ và điều khiển sự làm việc của mạch điện động lực. 2.7.2. Các bộ phận (các khối )chính của rơle. a. Cơ cấu tiếp thu (khối tiếp thu): Có nhiệm vụ tiếp nhận những tín hiệu đầu vào và biến đổi nó thành đại lượng cần thiết cung cấp tín hiệu dầu vào và biến đổi nó thành đại lượng cần thiết cung cấp tin hiệu phù hợp cho khối không gian. b. Cơ cấu trung gian (khối trung gian). 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 c.Cơ cấu chấp hành (khối chấp hành): Làm nhiệm vụ phát tin hiệu cho mạch điều khiển Hình 2.20.Sơ đồ khối của rơle điện từ Các khối trong rơle điện từ (hình 2.20). + Cơ cấu tiếp thu ở đây là cuộn dây. + Cơ cấu trung gian là mạch từ nam châm điện. + Cơ cấu chấp hành là hệ thống tiếp điểm. 2.7.3. Phân loại rơ le. Có nhiều loại rơle với nguyên lý và chức năng làm việc rất khác nhau. Do vậy có nhiều cách để phân loại rơle. a.Phân loại theo nguyên lý làm việc gồm các nhóm - Rơle điện cơ (rơle điện từ,rơle cảm ứng…) - Rơle nhiệt. - Rơle từ…. b.Phân loại theo nguyên lý tác động của cơ cấu chấp hành. - Rơle có tiếp điểm. - Rơ le không tiếp điểm (rơle tĩnh): Loại này tác động bằng cách thay đổi đột ngột các tham số của cơ cấu chấp hành mắc trong mạch điều khiển như: điên cảm, điện dung, điện trở,…. c. Phân loại theo đặc tính tham số vào. - Rơ le dòng điện - Rơ le điện áp…. d. Phân loại theo cách mắc cơ cấu - Rơ le sơ cấp: Được mắc trực tiếp vào mạch cần bảo vệ. - Rơ le thứ cấp: Được lắp vào mạch thông qua biến áp đo lường hay biến dòng điện. e. Phân theo gia trị và chiều các đại lượng đi vào rơ le. - Rơ le cực đại. - Rơ le cực tiểu…. 2.7.4. Đặc tính vào ra của rơle. Hình 2.21. Đặc tính vào ra của rơle Quan hệ giữa đại lượng vào và ra của rơ le như hình minh họa. Khi X biến thiên từ 0 đến X2 thì Y= Y1 đến khi X= X1 thì Y tăng từ Y= Y1 đến Y= Y2 (nhảy bậc). Nếu X tăng tiếp thì Y không đổi Y= Y2 . Khi X giảm từ X2 về lại X1 thì Y= Y2 đến X= X1 thì Y giảm từ Y2 về Y= Y1. Nếu gọi : + X=X2= Xtđ là giá trị tác động rơ le. + X=X1=Xnh là giá trị nhả của rơ le. 2.7.4.1. Các thông số của rơle. a. Hệ số điều khiển rơle. - Pđk là công suất điều khiển định mức của rơ le, chính là công suất định mức của cơ cấu chấp hành. - Ptđ là công suất tác động, chính là công suất cần thiết cung cấp cho đầu vào để rơ le tác động. b.Thời gian tác động. Là thời gian kể từ thời điểm cung cấp tín hiệu cho đầu vào, đến lúc cơ cấu chấp hành làm việc. Với rơ le điện từ là quãng thời gian cuộn dây được cung cấp dòng ( hay áp) cho đến lúc hệ thống tiếp điểm đóng hoàn toàn (với tiếp điểm thường mở) và mở hoàn toàn (với tiếp điểm thường đóng). 2.7.4.2. Một số loại rơle thông dụng. a. Rơle trung gian. - Rơ le trung gian được sử dụng rất nhiều trong các hệ thống bảo vệ điện trong các hệ thống điều khiển tự động. - Do có số lượng tiếp điểm lớn, từ 4 đến 6 tiếp điểm, vừa thường đóng vừa thường mở. Rơ le trung gian được sử dụng khi khả năng đóng cắt của rơ le chính không đủ, hoặc chia tín hiệu từ rơ le chính đến nhiều bộ phận khác nhau của sơ đồ mạch điều khiển. - Trong các bảng mạch điều khiển dùng linh kiện điện tử, Rơ le trung gian thường được dùng làm các phần tử đầu ra để truyền tín hiệu cho bộ phận mạch phía sau, đồng thời cách ly điện áp giữa phần điều khiển thường là điện áp thấp, một chiều (5V, 10V, 12V, 24V) với phần chấp hành thướng là điện áp lớn xoay chiều (220V, 380V). Hình 2.22. Rơ le trung gian Những yêu cầu khi chọn rơ le trung gian. Công suất tiêu thụ nhỏ. Kết cấu sử dụng đơn giản. Công suất ngắt của hệ thống là đủ lớn. Độ bền cơ, độ bền điện của cặp tiếp điểm. Số lượng cặp tiếp điểm phù hợp với nhu cầu sử dụng. b. Rơ le thời gian. Trong tự động điều khiển và bảo vệ thường gặp phải những trường hợp cần có một khoảng thời gian giữa những thời điểm tác động của hai hay nhiều thiết bị hoặc trong tự động hóa quá trình sản xuất, nhiều khi phải tiến hành những thao tác kế tiếp nhau cách nhau những khoảng thời gian xá định. Để tạo nên những khoảng thời gian đó người ta dùng rơ le thời gian. Như vậy rơ le thời gian là thiết bị khi có tín hiệu vào rơ le thì sau một thời gian xác định rơ le phát tín hiệu ở đầu ra (còn gọi là rơ le trễ thời gian hay bộ trễ). Rơ le thời gian có nhiều loại cấu tạo, nguyên lý hoạt động khác nhau như: rơ le thời gian điện từ, kiểu thủy lực, kiêủ đồng hồ, kiểu kỹ thuật số. Tùy theo yêu cầu công nghệ giá thành mà ta chọn cho phù hợp. Những yêu cầu khi chọn rơ le thời gian. Khả năng duy trì thời gian ổn định chính xác, không phụ thuộc dao động của điện áp nguồn cấp, tần số nhiệt độ môi trường… Công suất ngắt của hệ thống tiếp điểm là đủ lớn. Công suất tiêu thụ nhỏ. Kết cấu sử dụng đơn giản. Số tiếp điểm rơ le cung cấp. Hầu hết các loại rơ le yêu cầu trở về trạng thái khi tín hiệu điện vào ban đầu bằng không, do đó yêu cầu hệ số nhả cao. Hình 2.23. Rơ le thời gian 2.8. THIẾT BỊ TRUYỀN ĐỘNG 2.8.1. Động cơ điện một chiều . Trong nền sản xuất hiện đại, động cơ một chiều vẫn được coi là một loại máy quan trọng mặc dù ngày nay có rất nhiều loại máy móc hiện đại sử dụng nguồn điện một chiều thông dụng. Do động cơ điện một chiều có nhiều ưu điểm : * Ưu điểm: Nhiều khả năng điều chỉnh tốc độ rất tốt, khả năng mở máy lớn và đặc biệt là khả năng quá tải không những thế cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản, đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ. Chính vì vậy mà động cơ một chiều được dùng nhiều trong các ngành cồng nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải…. * Nhược điểm: Bên cạnh đó động cơ điện một chiều cũng có những nhược điểm nhất địnhcủa nó: Giá thành của động cơ điện một chiều lớn hơn động cơ điện xoay chiều, chế tạo và bảo quản cổ góp điện phức tạp hơn (dễ phát sinh tia lửa điện)… Nhưng do những ưu điểm nên động cơ điện một chiều vẫn có một tầm quan trọng nhất định trong sản xuất. Hình.2.24. Động cơ điện một chiều 2.8.1.1. Cấu tạo động cơ điện một chiều Cấu tạo động cơ điện một chiều có thể chia làm hai phần chính phần tĩnh và phần động. a. Phần tĩnh (stato). Đây là phần đứng yên của máy bao gồm những bộ phận sau: Cực từ chính. Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt, cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm từ những lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày từ 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt. Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng cách điện kỹ thuật thành một khối, tấm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ. Các cuộn dây kích từ được đặt trên các cực từ nối tiếp với nhau. Cực từ phụ. Được đặt trên các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều. Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo lại giống như dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bulong. Gông từ. Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy. Các bộ phận khác. - Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật bên ngoài rơi vào gây hư hổng và an toàn cho người sử dụng không bị chạm vào điện. Trong máy điện vừa và nhỏ nắp máy còn có tác dụng làm gá đỡ ổ bi. - Cơ cấu chổi than: Để đưa điện từ chổi than ra ngoài. Cơ cấu chổi than bao gồm chổi than đặt trong hộp chổi than chò một lò xo tỳ chặt trên cổ góp. Hộp chổi than được đặt cố định trên giá chổi than và cách điện với giá. Giá chổi than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ. Hình 2.25. Cực từ chính b. Phần quay (roto). Bao gồm những bộ phận chính sau: Lõi sắt phần ứng: Dùng để dẫn từ. Trong những tấm thép kỹ thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì dây quấn vào. Trong các máy điện công suất trung bình trở lên người ta thường đạp các rãnh để khi ép lại tạo thành các lỗ thông gió làm mát cuộn dây và mạch từ. Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua. Trong máy điện nhỏ dây quấn phần ứng có tiết diện tròn, với động cơ có công suất vừa và lớn tiết diện dây là hình chữ nhật. Cổ góp: Cổ góp dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều. Cổ góp gồm nhiều phiến ghép bằng đồng ghép lại thành hình trụ tròn sau đó được ép chặt vào trục. Các phiến góp được cách điện với nhau bằng các tấm meca đặt ở giữa. Đuôi các phiến góp nhô cao để hàn đầu dây cuộn dây phần ứng, mỗi phiến góp có đuôi chỉ hàn một đầu dây và tạo thành các cuộn dây phần ứng nối tiếp nhau. Các bộ phận khác. Cánh quạt: Cánh quạt dùng để làm mát động cơ. Trục máy: Trục máy được làm bằng loại thép cứng nhiều cacbon. Trên trục máy đặt lõi thép phần ứng và cổ góp. Hai đầu của trục máy được gối lên hai vòng bi ở nắp máy Hình 2.26. Cấu tạo động cơ điện một chiều 2.8.1.2 Nguyên lý làm việc và phương trình điện áp của động cơ điện một chiều: Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện trong dây quấn phần ứng có dòng điện Iư. Các thanh dẫn ab, cd có dòng điện trong nam châm trong từ trường, sẽ chịu lực Fđt tác dụng làm cho roto quay. Chiều lực xác định theo quy tắc bàn tay trái. Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau, do có phiến góp đổi chiều dòng điện, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi. Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường, sẽ cảm ứng sđđ Eư chiều xác định theo quy tắc bàn tay phải. Ở động cơ điện sđđ Eư ngược chiều với dòng điện Iư nên Eư còn được gọi là sức phản điện. Phương trình điện áp sẽ là: U = Eư + RưIư. (3.1) d c Iư c b d B Fđt Fđt a Hình 2.27. Nguyên lí hoạt động của động cơ điện một chiều có chổi than 2.8.1.3. Điều chỉnh tốc độ và đảo chiều động cơ điện một chiều. a. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều. Truyền động điện một chiều sử dụng cho các máy có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ moomen. Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn so với các loại động cơ khác, không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng. Theo lý thuyết máy điện ta có phương trình sau: với (3.2) hay Từ hai phương trình trên ta thấy n (tốc độ của động cơ), phụ thuộc vào Ф (từ thông ), R (điện trở),U (điện áp phần ứng). Vì vậy để điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều ta có các phương pháp sau: - Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng. - Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ mạch roto. - Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông kích từ. b. Đảo chiều động cơ. Để đảo chiều quay của động cơ một chiều ta đảo chiều quay mômen động cơ bằng 1 trong 2 cách. M= KФI - Đổi chiều từ thông Ф (đảo chiều Ikt) còn I giữ chiều cũ nghĩa là cực tính của điện áp đặt vào giữ nguyên như cũ. Nếu dùng phương pháp đảo chiều dòng kích từ . Khi máy đang quay do hệ số điện cảm của cuôn dây kích từ lớn ( do có nhiều vòng dây) nên khi thay đổi dòng kích thích Ikt thì xuất hiện s.đ.đ cảm ứng rất cao gây ra điện áp đánh thủng cách điện dây quấn kích từ. - Do đó để đảo chiều quay động cơ ta chọn phương pháp đảo chiều dòng phần ứng. Hình 2.28. Dòng điện qua roto đảo chiều Hình 2.29. Sơ đồ dòng điện khi đi qua stator và roto 2.8.2 Động cơ điện xoay chiều. 2.8.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động. Hình 2.30. Động cơ điện xoay chiều một pha Động cơ điện xoay chiều gồm có hai phần chính là stato và roto. - Stato gồm các cuộn dây của ba pha điện quấn trên các lõi sắt bố trí trên một vành tròn để tạo ra từ trường quay. - Roto hình trụ có tác dụng như một cuộn dây cuốn trên lõi thép. Khi mắc động cơ và mạng điện xoay chiều, từ trường quaydo stato gây ra làm cho roto quay trên trục. Chuyển động quay của roto được trục máy truyền ra ngoài và được sử dụng để vận hành các máy công cụ hoặc cơ cấu truyền động khác. 2.8.2.2. Phân loại. Động cơ điện xoay chiều được sản xuất với nhiều kiểu và công suất khác nhau. Theo sơ đồ nối điện có thể phân ra làm 2 loại: - động cơ 3 pha. - động cơ 1 pha. Và nếu theo tốc độ có thể phân thành 2 loại: - động cơ đồng bộ. - động cơ không đồng bộ. Động cơ điện xoay chiều 3 pha. Từ trường quay được tạo ra bằng cách cho dòng điện ba pha chạy vào ba nam châm điện đặt lệch nhau trên một vòng tròn. Cách bố trí các cuộn dây tương tự như trong máy phát điện ba pha, nhưng trong động cơ điện người ta đưa dòng điện từ ngoài vào các cuộn dây. Khi mắc động cơ vào mạng điện ba pha, từ trường quay do stato gây ra làm cho rôto quay trên trục. Chuyển động quay của rôto được trục máy truyền ra ngoài và được sử dụng để vận hành các máy công cụ hoặc các cơ cấu chuyển động khác. Động cơ điện xoay chiều 1 pha. Dựa theo nguyên tắc của động cơ không đồng bộ ba pha, người ta chế tạo được những động cơ không đồng bộ một pha. Stato của loại động cơ này gồm hai cuộn dây đặt lệch nhau một góc, một dây nối thẳng với mạng điện, dây kia nối với mạng điện qua một tụ điện. Cách mắc như vậy làm cho hai dòng điện trong hai cuộn dây lệch pha nhau và tạo ra từ trường quay. Động cơ không đồng bộ một pha chỉ đạt được công suất nhỏ, nó chủ yếu được dùng trong các dụng cụ gia đình như quạt điện, máy hút bụi, máy bơm nước… 2.8.2.3. Điều khiển động cơ điện xoay chiều. - Điều khiển động cơ điện xoay chiều ba pha có sử dụng biến tần . - Động cơ điện xoay chiều có chổi than giống với động cơ điện một chiều. - Điều chỉnh các loại động cơ điện xoay chiều một pha bạn có thể dùng các bộ control panel của các hãng như OMROM, Mitshubishi…. * Ưu điểm : + Sử dụng được điện trực tiếp từ lưới, công suất động cơ lớn hơn. * Nhược điểm: + Chi phí cao. + Luôn chịu điện áp lớn đặt vào động cơ nên độ bền động cơ không cao 2.8.3. Động cơ bước. 2.8.3.1. Cấu tạo động cơ bước : Động cơ bước có thể coi là tổng hợp của hai loại động cơ: động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ Động cơ bước có thể được mô tả như một động cơ điện không đồng bộ chuyển mạch . Cụ thể , các mấu trong động cơ là stator và rotor là nam châm vĩnh cửu hoặc trong trường hợp của động cơ biến từ trở,nó là những khối răng làm bằng vật liệu nhẹ có từ tính. Tất cả các mạch được điều khiển bên ngoài bởi bộ điều khiển, và đặc biệt, các động cơ và bộ điều khiển được thiết kế để động cơ có thể giữ nguyên vị trí cố định nào cũng như quay đến bất kì vị trí nào. Hầu hết các động cơ bước có thể chuyển động ở tần số âm thanh, cho phép chúng quay khá nhanh, và một bộ điều khiển thích hợp, chúng có thể khởi độngvà dùng lại dễ dàng ở các vị trí bất kì. 2.8.3.2. Phân loại nguyên lý hoạt động động cơ bước . a. Phân loại : Động cơ bước được chia làm hai loại: Nam châm vĩnh cửu và biến từ trở (ngoài ra còn có động cơ hỗn hợp, động cơ này không có gì khác biệt so vói động cơ nam châm vĩnh cửu). b. Nguyên lý hoạt động chung của động cơ bước. Động cơ bước thông thường Roto là nam châm vĩnh cửu trên đó có các cặp nam châm N- S định sẵn. Stato là cá cuộn dây. Khi cuộn dây được cấp điên theo định luật cảm ứng điện từ, roto sẽ quay tới điểm trung tính vật lý của từ trường và giữ cân bằng tại điểm đó. Do vậy khi phối hợp cấp điện cho cuộn dây một cách hợp lý, roto sẽ chuyển động theo chiều dịch chuyển của từ trường tạo nên chuyển động quay của động cơ. Tốc độ quay của động cơ phụ thuộc vào tốc độ quay của từ trường 2.8.3.3. Các chế độ hoạt động khi điều khiển động cơ bước. Thông thường động cơ bước hoạt động ở hai chế độ cơ bản: - Chế độ cả bước (Fullstep) - Chế độ nửa bước (Halstep) Hai chế độ trên rất hay gặp trong thực tế và chúng cũng có các ưu nhược điểm nhất định. Sau đây là phần trình bày chi tiết hai chế độ đã nêu. Chế độ cả bước (Fullstep): Nguyên tắc hoạt động của động cơ ở chế độ cả bước : Các bước quay của động cơ được thực hiện bằng cách đóng mở đồng thời cùng lúc các cuộn dây một cách hợp lý tạo nên từ trường quay trong động cơ. Chế độ nửa bước (Halfstep): Nguyên tắc hoạt động của động cơ ở chế độ nửa bước: Bước quay của động cơ được thực hiện bằng cách xen kẽ cấp điện cho một cuộn dây với việc cấp điện đồng thời cho các cuộn dây tương ứng. Vì vậy mà bước quay của động cơ giảm đi một nửa. Hay nói cách khác chế độ hoạt động nửa bước là mở rộng của chế độ hoạt động cả bước. Ưu nhược điểm của hai chế độ trên: Cùng với một tần số clock thì động cơ hoạt động ở chế độ Fullstep chạy nhanh hơn ở chế độ nửa bước sẽ có momen khỏe hơn chế độ hoạt động cả bước . Trong vùng tốc độ cao điều này là ngược lại. Điềunày được giải thích do quán tính của động cơ. Ở cùng một tốc độ ( trong vùng tốc độ thấp ) nếu dòng điện qua động cơ không đổi thì tức là mỗi cuộn dây trong chế độ nửa bước sẽ chịu dòng lớn hơn và mỗi bước của động cơ chỉ bằng một nửa so với chế độ (cả bước) nên mômen động cơ sẽ khỏe hơn. Khi hoạt động trong vùng tốc độ cao thì thực chất là cùng tốc độ trên trục động cơ ở chế độ nửa bước các cuộn dây phải đóng mở nhanh gấp hai lần so với chế độ cả bước các cuộn dây phải đóng mở nhanh gấp hai lần với chê độ cả bước và do tính chất điện cảm của cuộn dây tốc độ qua nhanh sẽ làm cho dòng điện không kịp biến thiên ( không tăng kịp) điều này làm giảm mạnh momen trên trục động cơ. Động cơ bước nguồn đơn cực: Hình 2.31. Động cơ bước nguồn đơn cực Đây là loại động cơ phổ biến thường gặp trong thực tế do tính chất đơn giản của động cơ về nguồn cấp cũng như phương pháp điều khiển và đo đạc thông số của động cơ, đọng cơ thường được sử dụng trong sản xuất điều khiển chính xác. Động cơ bước nguồn lưỡng cực: Hình 2.32. Động cơ bước nguồn lưỡng cực Động cơ gồm hai cuộn dây độc lập do đó để điều khiển hoạt động như động cơ nguồn đơn cực thì ta phải đảo chiều từ trường bằng cách đảo chiều dòng điện dòng điện cấp vào động cơ. Có hai cách để thực hiện việc trên. Sử dụng nguồn có V+ và V- sau đó đóng cắt một cách hợp lý để tạo ra từ trường quay. Chính vì lý do này mà ta gọi động là động cơ nguồn lưỡng cực. Sử dụng mạch cầu H- B và chỉ sử dụng nguồn đơn cực. Phương pháp này hay gặp trong thực tế do nguồn đơn cực phổ biến hơn. Sau khi phân tích ưu nhược điểm của các loại động cơ điện trên, ta nên chọn loại động cơ một chiều cho mô hình vì nó có sử dụng điện áp một chiều, công suất nhỏ, kích thước nhỏ gọn phù hợp với mô hình, dễ dàng điều chỉnh tốc độ và đảo chiều quay. Ở đồ án này đối tượng nghiên cứu là động cơ điện một chiều có chổi than kích từ bằng nam châm vĩnh cửu. Động cơ nam châm vĩnh cửu có công suất từ vài chục đến vài trăm Oát được dùng trong truyền động công suất nhỏ trong ôtô, máy bay và trong các hệ tự động khác. Các động cơ thường dùng ở chế độ nhắn hạn hoặc ngắn hạn lặp lại, cho phép mở máy và đảo chiều quay không có biến trở trong mạch phần ứng. Tốc độ quay của động cơ được điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp phần ứng cũng như sử dụng điện áp xung để điều chỉnh tốc độ quay. Ưu điểm. So với máy có kích thích kiểu điện từ, máy điện mộ chiều nam châm vĩnh cửu có hiệu suất cao hơn, điều khiển, làm mát dễ dàng hơn, kiahcs thước lắp đặt, trọng lượng và giá thành nhỏ hơn, kích thích ổn định hơn vì từ truongf nam châm vĩnh cửu không phụ thuộc vào tốc độ quay. Nhược điểm. Tốc độ quay và điện áp phần ứng không điều chỉnh bằng cách thay đổi từ trường kích thích được. Khi công suất vượt quá vài chục Oát thì chúng không thể so sánh được với các máy có kích thích kiểu điện từ về mặt kích thước lắp đặt, trong lượng và giá thành. Vật liệu có trong thành phần các hợp kim làm nam châm rất hiếm, công nghệ từ hóa và chế tạo nam châm phức tạp hơn. Trong mô hình cửa tự động ta sử dụng động cơ điện một chiều kích từ nam châm vĩnh cửu vì: Với mô hình nhỏ thì chỉ cần một động cơ công suất nhỏ là đủ. Vì vậy sử dụng động cơ nam châm vĩnh cửu sẽ cho hiệu quả cao hơn. Động cơ nam châm vĩnh cửu với kích thước, trọng lượng nhỏ dễ dàng bố trí hơn. Động cơ nam châm vĩnh cửu có giá thành rẻ hơn và dễ kiếm trên thị trường. CHƯƠNG 3 TÌM HIỂU THIẾT KẾ MÔ HÌNH 3.1. THIẾT KẾ MÔ HÌNH. 3.1.1 Mục đích và yêu cầu của mô hình. 3.1.1.1. Mục đích của việc nghiên cứa thiết kế mô hình. - Tạo ra một mô hình cửa tự động có thể hoạt động tốt, từ đó có thể thiết kế được cửa tự động trong thực tế. - Việc nghiên cứu ra mô hình hoạt động tốt sẽ tạo điều kiện cho sinh viên có cơ hội học tập và nghiên cứu môn học một cách thực tế. - Nghiên cứu chế tạo ra mô hình cửa tự động này sinh viên cũng phải tham khảo thực tế nhiều lĩnh vực và tham khảo bằng nhiều tài liệu khác nhau. Điều đó mang lại sự hiểu biết sâu sắc hơn cho sinh viên không chỉ trong lĩnh vực tự động hóa mà còn nhiều lĩnh vực , ngành nghề khác như điện, điện tử cơ khí…. 3.1.1.2. Các yêu cầu của mô hình . * Yêu cầu về chương trình chung. - Phải đáp ứng về chương trình chung. - Chương trình điều khiển cửa cần đảm bảo điều khiển cửa đóng mở một cách thông minh theo đúng yêu cầu công nghệ. - Dùng kỹ thuật PLC để điều khiển chương trình hoạt động của cửa. * Yêu cầu về cơ khí. - Mô hình là phải giống với cửa thật cả về hình thức và chất lượng hoạt động càng tốt, phải chắc chắn và gọn gàng. Do đó, việc thiết kế kết cấu cơ khí cho mô hình cũng phải đảm bảo những yêu cầu kỹ thuật như đối với cửa thật: Khung cửa, cánh trượt, xích, bánh răng, trục quay….. - Ngoài ra, còn có các kết cấu phụ đề tạo ra mô hình cửa tự động thật hoàn chỉnh như cửa thật. - Hệ thống cơ hoạt động tốt. - Hệ thống điện tốt, hoạt động đúng theo thiết kế. 3.2. LỰA CHỌN ĐỘNG CƠ TRUYỀN ĐỘNG. Động cơ truyền động là động cơ dùng để biến đổi năng lượng ddienj thành năng lượng cơ Động cơ điện một chiều có chổi than kích từ bằng nam châm vĩnh cửu có nhiều ưu việt hơn so với các loại động cơ khác, không những có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng. Hình 3.1. Động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu 3.2.1. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều. E I Rf U Ikt Rkt U CKT Ukt Hình 4.2. Sơ đồ nối dây động cơ điện một chiềudùng cuộn kích từ. Phương trình cân bằng điện áp mạch phần ứng: U = E + Iư (Rư + Rf ) Trong đó: U: Điện áp nguồn cấp (V) E: Suất điện động của động cơ (V) Iư: Dòng điện phần ứng động cơ (A) Rư + Rf: Điện trở mạch phần ứng và điện trở phụ. Với Rư = rư + rcf + rb + rct. rư : Điện trở dây quấn phần ứng (Ω) rcf:: Điện trở cuộn cực từ phụ (Ω) rb : Điện trở cuộn bù (Ω) rct : Điện trở tiếp xúc của chổi than (Ω) Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức: E­ = với Trong đó: P: Là số đôi cực từ chính N: Là số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây cực từ chính a: Là số đôi mạch nhánh song song θ: Là từ thông kích từ dưới một cực từ (wb) ω: Là tốc độ góc roto (rad/ s) . Ta có : Eư = Ke. θn → Mô men điện từ: Mđt = K.θ.ω Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì momen trên trục động cơ bằng momen điện từ: Mđt = Mcơ = M Suy ra: Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều dùng cuộn kích từ. Dạng đặc tính cơ của động cơ được thể hiện trên hình ( 4.3 ). w wo M 0 Hình 3.2. Đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiềudùng cuộn kích từ Dạng dạng đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập có dạng tuyến tính với tốc độ không tải lý tưởng ω0 và độ cứng đặc tính β Nhận thấy tốc độ không tải lý tưởng ω0 phụ thuộc vào điện áp . Khi Uư = Uđm thì ta có ω0đm. Độ cứng đặc tính cơ β phụ thuộc vào điện trở Rf. Khi Rf = 0 ta có đặc tính cơ tự nhiên. 3.2.2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ. Theo lý thuyết máy điện ta có phương trình sau: với hay Từ hai phương trình trên ta thấy n (tốc độ của động cơ), phụ thuộc vào Ф (từ thông ), R (điện trở),U (điện áp phần ứng). Vì vậy để điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều ta có các phương pháp sau: - Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ mạch roto. - Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông kích từ. - Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng. 3.2.2.1. Thay đổi điện trở phụ. Giả thiết Uư = Uđm và Ф = Фđm Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng. Trong trường hợp này tốc độ không tải lý tưởng: Độ cứng đặc tính cơ: Khi tăng điện trở phụ độ cứng đặc tính cơ suy giảm. Khi Rf càng lớn, càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc. Ứng với Rf =0 ta có đặc tính cơ tự nhiên: βTN có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng lớn hơn tất cả các đường đặc tính có điện trở phụ M TN Rf1 Rf2 Rf3 Mc Rf4 ω0 ω 0 Hình 3.3.Các đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập khi thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng Như vật khi thay đổi điện trở phụ Rf ta được một họ đặc tính biến trở có dạng như H.4.2. Ứng với một phụ tải MC nào đó, nếu Rf càng lớn tốc độ động cơ càng giảm, đồng thời dòng điện ngắn mạch và momen ngắn mạch cũng giảm. Cho nên người ta thường sử dụng phương pháp này để hạn chế và điều chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơ bản. 3.2.2.2. Thay đổi từ thông kích từ. Giả thiết điện áp phần ứng Uư = Uđm = const. Điện trở phân ứng Rư = const. Muốn thay đổi từ thông ta thay đổi dòng điện kaichs từ Ikt động cơ. Tốc độ không tải: Độ cứng đặc tính cơ: Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thông. Nên khi từ thông giảm thì ωox tăng dần và độ cứng của đặc tính giảm dần khi giảm từ thông. ω02 ω01 ω0 Ф2 Ф1 Фđm,TN Mc Mnm2 Mnm1 Mnm M 0 ω Hình 3.4. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiềukích từ độc lập khi thay đổi từ thông Khi thay đổi từ thông. Dòng điện ngắn mạch: Momen ngắn mạch: Với dạng momen phụ tải Mc thích hợp với chế độ với chế độ làm việc của động cơ thì khi giảm từ thông tốc độ động cơ tăng lên. 3.2.2.3. Thay đổi điện áp phần ứng. Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển …. Các thiết bị nguồn này có các chức năng biến lượng điện xoay chiều thành một chiều có sức điện động Eb điều chỉnh được nhờ tín hiệu điều khiển Uđk. Vì là nguồn có công suất hữu hạn so với động cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở trong Rb và điện cảm Ib khác không, ở chế độ xác lập phương trình đặc tính của hệ thống U Eb(udk) Eu Rud I Rb BBD Udk LK Hình 3.5. Sơ đồ khối và sơ đồ thay thế ở chế độ xác lập Khi mômen là định mức thì các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ là: Để thỏa mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có mômen ngắn mạch là: Trong đó Km là hệ số qua tải về mô men. Vì họ đặc tính cơ là các đường song song nhau nên theo định nghĩa về độ cứng đặc tính cơ có thể viết. w wo max wmax wo min wmin Mđm Mnm min wđk1 wđki M,I Hình 3.6. Xác định phạm vi điều chỉnh w wo w01 wo2 w03 Mđm Mnm min TN(Uđm) MI U3<U2 U2<U1 U1<Uđm Hình 3.7. Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện áp. Thực tế chỉ được giảm U< Uđm. Vì vậy khi Vx giảm thì wx giảm. Còn βI và βcơ không phụ thuộc vào điện áp βI = βcơ = const M= KФđmI tỉ lệ bậc nhất với I Khi thay đổi điện áp ta được họ đặc tính song song với nhau Tuy nhiên, do công suất động cơ dùng trong mô hình nhỏ (20- 40W) nên ta không thể dùng phương pháp thế điện trở phụ vào vì như vậy sẽ làm giảm hiệu suất động cơ điện Động cơ làm việc với kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên từ thông không thay đổi do đó ta không thể điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông được. Do đó ta lựa chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ cho cửa tự động bằng cách thay đổi điện áp.Với phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng ta thấy cá các ưu nhược điểm sau: Ưu điểm: - Hiệu suất điều chỉnh cao hơn khi ta dùng phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng nên tổn hao công suất điều khiển nhỏ. - Việc làm giảm điện áp dẫn đến mô men mở máy dòng điện khởi động của động cơ giảm và tốc độ động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định.Điều này rất có ý nghĩa trong lúc khởi động động cơ. - Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen điều chỉnh xác định là như nhau nên dải điều chỉnh đều, trơn, liên tục. - Đây là phương pháp điều chỉnh triệt để, vô cấp có nghĩa là có thể điều chỉnh tốc độ trong bất kỳ vùng tải nào kể cả khi ở không tải lí tưởng. Nhược điểm: Phương pháp này đòi hỏi công suất điều chỉnh cao và đòi hỏi phải có nguồn áp điều chỉnh được nên vốn đầu tư cơ bản và phí vận hành cao. Tuy nhiên nhờ những ưu điểm nối trên phương pháp này đã được dùng trong mô hình của tự động 3.2.3. Các phương pháp đảo chiều động cơ. Chiều quay động cơ phụ thuộc vào chiều quay của momen nên để đảo chiều quay động cơ có hai phương pháp: Đổi chiều dòng phần ứng. Đổi chiều từ thông ( đổi chiều dòng kích từ Ikt) Nếu dùng phương pháp đổi chiều dòng kích từ. Khi máy dang quay do hệ số điện cảm của cuộn dây kích từ lớn (do có nhiều vòng dây) nên khi thay đổi dòng kích từ thì xuất hiện s.đ.đ cảm ứng rất cao gây ra điện áp đánh thủng cách điện dây quấn kích từ Do đó để đảo chiều quay động cơ ta chọn phương pháo đảo chiều dòng phần ứng 3.3. LỰA CHỌN VÀ TÍNH TOÁN MẠCH ĐỘNG LỰC.. 3.3.1.Lựa chọn phương án điều chỉnh tốc độ. Để điều chỉnh tốc độ nhanh, chậm của trong mô hình cửa tự động và đáp ứng được một trong những yêu cầu công nghệ nêu ở phía trên ta có thể sử dụng phương pháp thay đổi điện áp bằng cách: Sử dụng phương pháp thay đổi điện áp thông qua chỉnh lưu cầu một pha để điều chỉnh tốc độ động cơ. Dùng mạch băm xung áp một chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ. Cuốn máy biến áp với nhiều cấp điện áp khác nhau. 3.3.2.Lựa chọn phương án đảo chiều động cơ. - Sử dụng cầu tiếp điểm để đảo chiều động cơ. - Sử dụng mạch cầu 4 Transitor để đảo chiều động cơ. 3.3.3. Các phương án chọn sơ đồ mạch lực. Phương án 1. Sử dụng cầu tiếp điểm để đảo chiều động cơ. Đổi cấp tốc độ để điều chỉnh tốc độ. Phương án 2. Sử dụng mạch cầu 4 Transitor để đảo chiều động cơ. Dùng mạch băm xung sử dụng Ic logic để điều chỉnh tốc độ. 3.3.3.1. Phương án 1. - Sử dụng cầu tiếp điểm để đảo chiều động cơ. - Đổi cấp tốc độ để điều chỉnh tốc độ. RM RN RM RN RC RC RD RC C D N M Uv1 Uv2 CL1 CL2 Hình 3.8. Sơ đồ cầu tiếp điểm Nguyên lý làm việc. - Khi tiếp điểm M có điện: Công tắc tơ RM có điện hút các tiếp điểm thường mở RM đóng lại - Nếu tiếp điểm N có điện : Công tắc tơ RN có điện hút các tiếp điểm thường mở RN đóng lại Dòng điện khép mạch qua động cơ, lấy nguồn vào động cơ từ cầu chỉnh lưu CL1 chỉnh lưu dòng UN thành dòng một chiều. Động cơ chạy với tốc độ V1, cửa mở nhanh. Nếu tiếp điểm C có điện: Công tắc tơ RC có điện hút các tiếp điểm thường mở RC đóng lại Dòng điện khép mạch qua động cơ, lấy nguồn vào động cơ từ cầu chỉnh lưu CL2 chỉnh lưu dòng UC. Động cơ chạy với tốc độ V2, cửa mở chậm. Khi tiếp điểm D có điện : Công tắc tơ RD có điện hút các tiếp điểm thường mở RD đóng lại Khi tiếp điểm N có điện: Công tắc tơ RN có điện hút các tiếp điểm thường mở RN đóng lại Dòng điện khép mạch qua động cơ, lấy nguồn vào động cơ từ cầu chỉnh lưu CL1 chỉnh lưu dòng UN. Động cơ chạy với tốc độ V1, cửa đóng nhanh. Nếu tiếp điểm C có điện: Công tắc tơ RC có điện hút các tiếp điểm thường hở RC đóng lại Dòng điện khép mạch qua động cơ, lấy nguồn vào động cơ tù cấu chỉnh lưu CL2 chỉnh lưu dòng UC. Động cơ chạy với tốc độ V2, cửa đóng chậm Như vậy sơ đồ trên đã đảm bảo thực hiện yêu cầu công nghệ điều khiển tốc độ động cơ truyền động cửa theo 2 cấp tốc độ đồng thời kết hợp với PLC đảo chiều động cơ giúp đảo chiều chuyển động của cửa. Ưu điểm cửa phương án 1 là đơn giản và rẻ tiền, thích hợp để áp dụng vào mô hình cửa tự động với chi phí thấp giúp sinh viên có thể thực hành chế tạo vì thế ta chọn phương án một la 3.3.3.2. Phương án 2. Sử dụng mạch cầu 4 Transitor để đảo chiều động cơ. Dùng mạch băm xung sử dụng IC logic để điều tốc độ. DC PWM RN RC D1 D2 D3 D4 T1 T2 T3 T4 220v RM RD RM RD +24v -24v Hình 3.9. Sơ đồ mạch động lực Nguyên lý làm việc: Trong khoảng thời gian từ 0 – Π van D1 và van dẫn D3 dẫn điện áp trên tải UAB bằng điện áp U2 ở nửa chu kỳ đầu. Dòng điện có chiều từ A sang B. Trong nửa chu kỳ tiếp theo, từ Π – 2Π van D2 và D4 dẫn, điện áp trên tải UAB bằng điện áp U2. Dòng điện vẫn theo chiều từ A sang B. Trong cả hai nửa chu kỳ của điện áp dòng điện đều có chiều không đổi từ A sang B, điện áp đầu ra AB luôn ở phần dương. Do đó có thể thấy dòng xoay chiếu đã được chỉnh lưu thành dòng một chiều. Băm xung áp một chiều. Khi RN có cấp Udkn vào mạch điều chế độ rộng xung: Khi RM có dòng điều khiển T1 vầ T3 mở, T2 và T4 khóa. Nguồn cấp cho động cơ được lấy từ lưới qua khâu chỉnh lưu điốt chạy qua T1 – T3 dòng phần ứng động cơ có chiều từ A – B, động cơ chạy thuận theo chiều từ A – B, kéo cửa mở với tốc độ nhanh V1. Khi RM có dòng điều khiển T1 và T3 khóa, T2 và T4 mở. Nguồn cấp cho động cơ được lấy từ lưới qua khâu chỉnh lưu cầu điốt chạy qua T4 – T2 dòng phần ứng động cơ có chiều từ B – A, động cơ đảo chiều kéo cửa đóng nhanh với tốc độ V1 Khi RC có cấp Uđkn vào mạch điều chế độ rộng xung: Khi RM có dòng điều khiển T1 và T3 mở, T2 và T4 khóa. Nguồn cấp cho động cơ được lấy từ lưới qua khâu chỉnh lưu cầu điốt chạy qua T1 – T3 dòng phần ứng động cơ có chiều từ A – B, động cơ chay thuận theo chiều từ A – B, kéo mở cửa với tốc độ chậm V2. Khi RĐ có dòng điều khiển T1 và T3 khóa, T2 và T4 mở. Nguồn cấp cho động cơ được lấy từ lưới qua khâu chỉnh lưu cầu điốt chạy qua T4 – T2 dòng phần ứng động cơ có chiều từ B – A, động cơ đảo chiều kéo cửa đóng với tốc độ chậm V2. γ t1 t2 t3 t4 t5 Uđk URC t t U U Hình 3.10. Nguyên lý điều khiển băm áp một chiều Khi có điện áp một chiều không đổi U0. Để có những giá trị điện áp một chiều khác nhau có thể thực hiện bằng cách : Biến đổi điện áp một chiều U0 thành một dãy xung có biên độ U0 với chu kỳ ban đầu là T0, nhờ việc thay đổi thời gian Tc (Tc – thời gian có xung) và thời gian Tk (Tk - thời gian không có xung) khi đó giá trị điện áp trung bình thu được trong mỗi trường hợp chính là những giá trị điện áp một chiều khác nhau cần có Tck Tck Tck Tc1 Tk1 Tc1 Tk1 Tc1 Tk1 Tk1 Tc1 Tk1 Tk1 Tc1 Tc1 Uvào Ung Ura Ung Utb1 Ura Ung Utb2 Hình 3.11. Giản đồ băm điện áp một chiều cấp cho phần ứng động cơ truyền động Hình .3.12. Giản đồ tín hiệu của bộ băm xung bằng cách điều chế độ rộng xung. Để thực hiện băm xung áp một chiều thành nhiều cấp điện áp ta có thể thực hiện bằng cách thay đổi tần số hoặc bằng cách thay đổi tần số hoặc bằng cách giữ tần số cố định thay đổi độ rộng xung. Tần số của chuỗi băm xung cũng là một nhân tố quan trọng. Một tần số quá thấp sẽ gây ra hậu quả là gây ồn ở tốc độ và chậm đáp ứng với với sự thay đổi của vòng chu kỳ. Một tần số quá cao làm giảm hiệu suất của hệ thống nên chọn tần số từ 200Hz đến 400Hz. Với phương pháp thay đổi tần số để có được một dải điều chỉnh tốc độ như mong muốn thì việc tạo mạch dao động tần số phức tạp hơn việc tạo ra một mạch phát xung chuẩn với tần số 300Hz hoặc 400Hz và trong quá trình điều chỉnh phương pháp thay đổi tần số không tránh khỏi việc vượt qua tần số cho phép vì vậy băm xung áp một chiều trong mô hình cửa tự động bằng cách giữ tần số cố định thay đổi độ rộng xung trở nên đơn giản hơn với dải điều chỉnh từ 30% đến 95%. Với phương án 2 động cơ truyền động được điều chỉnh tốc độ trơn hơn, phạm vi điều chỉnh cao hơn Ưu điểm cửa phương án 1 là đơn giản và rẻ tiền, thích hợp để áp dụng vào mô hình cửa tự động với chi phí thấp giúp sinh viên có thể thực hành chế tạo vì thế ta chọn phương án một làm phương án thực hiện mạch động lực. 3.3. LỰA CHỌN CÁC PHẦN TỬ TRONG THIẾT KẾ CỬA 3.3.1. Thiết kế các phần tử cơ trong mô hình 3.3.1.1. Khung cửa. Hình 3.13.Khung mô hình cửa tự động Khung cửa được chế tạo hoàn toàn bằng khung sắt hộp vuông kích thước cạnh là 1cm và chiều dày của sắt là 1mm. 3.3.1.2. Con lăn. Con lăn bằng sắt được dùng loại có sẵn tại xưởng chế tạo và lắp ráp Hình 3.14. Con lăn 3.3.1.3. Đường ray. Đường ray được chế tạo bằng gỗ có hình dang và kích thước Hình 3.15. Đường ray Chiều dài của cả đườn ray là 1200 mm 3.3.1.4. Puli Puli được làm bằng nhựa và với hình dạng và kích thước: Hình 3.16. Puli a. Puli gắn phía bên trục động cơ b. Puli gắn bên còn lại. 3.3.1.5. Cánh cửa: Hình 3.17. Cánh cửa 3.3.2. Phần tử điện: 3.3.2.1. Động cơ: Động cơ truyền động sử dụng trong mô hình chỉ cần loại động cơ công suất nhỏ từ 20W đến 40 W. Động cơ dùng trong đồ án với thông số. Điện áp làm việc: 24V Công suất: 30 W Hình 3.18. Động cơ trong mô hình 3.3.2.2. Encoder. Encoder là loại Encoder gia xung với điện áp làm việc là 5V Việc xác định vị trí và dịch chuyển của cánh cửa đóng vai trò hết sức quan trọng trong kỹ thuật. Công tắc từ hành trình không được đưa vào sử dụng trong mô hình. Encoder được đưa vào mô hình như một phương án tối ưu cho việc xác định vị trí của cánh cửa trong mô hình. Vì mô hình thiết kế cửa tự động nhỏ và với ưu điểm nêu trên chúng em đã dùng Encoder gia số kiểu xung là thiết bị xác định vị trí của cánh cửa. Vì với Encoder gia số kiểu xung có dạng đầu ra dạng xung nên so với nhưng Encoder gia số khác thì trong các hệ thống điều khiển nó không cần đến các bộ chuyển đổi ADC, giúp cho qua trình sử dụng dễ dàng hơn. Hình 3.19. Encoder sử dụng trong mô hình 3.3.2.3. Cảm biến: Cảm biến sử dụng trong mô hình là cảm biến hồng ngoại Hình 3.20. Cảm biến hồng ngoại 3.3.2.4. Sensor thu hồng ngoại. Sensor thu sử dụng các loại sensor PNA4602M hoạt động ở tần số sóng mang 38Khz hình dạng của sensor như hình vẽ. Hình 3.21. Cấu tạo và kích thước của sensor thu hồng ngoại Nguyên lý hoạt động của sensor. Hình 3.22. Nguyên lý hoạt động của Sensor Khi không có hồng ngoại điện áp ra V0 = Vcc = +5V Khi có hồng ngoại điện áp ra V0 = Vcc - 0.7V 3.3.2.5. PLC. PLC sử dụng trong mô hình là loại S7 – 200 CPU 222. Hình 3.23. PLC S7 – 200 CPU 222 3.3.2.6. Máy biến áp: Máy biến áp cần cung cấp đủ các nguồn như sau: Động cơ : Cần 3 mức điện áp 4V, 6V, và 9V, một chiều và có lọc → nguồn từ biến áp là 3,5V, 5V, và 7,5V. - PLC cần 12V và 24V một chiều có lọc → nguồn từ biến áp là 9,5V và 19V Tính chọn máy biến áp: Theo trên ta cần các nguồn điện áp là: 5V, 12V,24V mà điện áp lưới là 220V vì vậy cần phải thiết kế máy biến áp để thực hiện nhiệm vụ hạ áp cho bộ nguồn và giúp cách ly giữa điện áp lưới với điện áp mạch điều khiển Từ thông số động cơ truyền động: P = 25W Uđm = 24V Ta có được Iđm = P/ Uđm = 25/ 24 = 1,042 (A) Biến áp cấp nguồn cho mạch lực và cho mạch điều khiển có thể sử dụng chung một cuộn sơ cấp. Do đó ta thiết kế máy biến áp với một cuộn sơ cấp và các cuộn thứ cấp: Cuộn +24V và – 24V lấy một đầu ra trung tính cấp điện áp cho mạch lực có công suất P21 xấp xỉ công suất của động cơ 25W Cuộn thứ cấp quấn 15V qua cầu chỉnh lưu điot 5A lấy nguồn làm nguồn nuôi cho rơ le, sơ cấp của cách li quang, biến trở VR, điện áp Uđk. Công suất cuộn 15V là P22 = 15. 1,042 = 15,63 (W) Điện áp Uđk là tín hiệu điều chế độ rộng xung nên cần độ chính xác cao, để nâng cao độ bằng phẳng điện áp ta sử dụng IC 7805, tụ hóa C2 = 2200 µF lọc nguồn trước ổn áp, tụ C3 = 10µF lọc nguồn sau ổn áp. Cuộn thứ cấp 5V cấp nguồn cho IC logic P23 = 5.0,5 = 2,5(W) Tông công suất máy biến áp nguồn: P = 2P21 + P22 + P23 = 2.225 + 15,63 + 2,5 = 68,13(W) Dòng sơ cấp máy biến áp: I1 = P/U = 68,13/ 220 = 3,41 (A) Tiết diện lõi thép mạch từ: S = k Như vậy ta chọn lõi thép có tiết diện S = 10 cm2 làm bằng thép kỹ thuật điện dày 0,35 mm gồm các lá hình chữ E và chữ I ghép lại với nhau. Theo công thức kinh nghiệm số vòng/ vôn: n0 = k/ s với k là hệ số máy biến áp lấy từ 40 – 60 Chọn hệ số máy biến áp k = 50 ta có: n0 = 50/ 9,91 = 5,04 vòng/ vôn Số vòng cuộn dây sơ cấp cần cuốn là: W1 = n0 .2U1= 5,5.2,24 = 264 (vòng) W2 = n0 . U2 = 5,5.12 = 66 (vòng) W2 = n0 . U3 = 5,5 .5 = 27,5 (vòng) ~ 220V 24V - 24V C1 5V C1 C2 7805 12V GND Hình 3.24. Sơ đồ máy biến áp - Lõi biến áp hình chữ E Hình 3.25. Lõi biến áp 3.3.2.7. Tính chọn Điốt mạch chỉnh lưu. - Mạch chỉnh lưu thiết kế theo sơ đồ một pha nên ta có điện áp ngược lớn nhất mà mỗi Điốt phải chịu là: Ung max = U.= 24.1,41 = 33,9(V) - Dòng qua điốt chính là dòng tải, do điốt mắc nối tiếp tải. Ta có dòng cực đại chạy qua van: Imax = 1,042 → Chọn Điốt loại 1N4007 chịu được Imax = 5A, Ungmax = 40V 3.3.2.8. Tính chọn Transitor: - Dòng lớn nhất mà cực Bazo phải chịu: Ib = 20 (mA) - Dòng nhỏ nhất mà cực Bazo phải chịu: Ib = 1,042 (mA) - Điện áp ngược lớn nhất đặt lên 2 cực Emiter và Colecter: Ucemax = 60 (V) Từ thông số trên, ta chọn Transitor loại H1061 với các thông số như sau: Ic = 1,5 (A) IBmax = 0,02 (A) UCemax = 60 (V) 3.3.2.9. Tín chọn IC ổn áp. IC 78xx: IC ổn áp Với những mạch điện không đòi hỏi đòi hỏi độ ổn định của điện áp qua cao, sử dụng Ic ổn áp thường được người thiết kế sử dụng vi mạch điện khá đơn giản. Các loại ổn áp thường được sử dụng là Ic 78xx, với xx là điện áp cần ổn áp. Ví dụ 7805 ổn áp là 5V, 7812 ổn áp 12V. Việc dùng các loại IC ổn áp 78xx tương tự nhau. IC 7805 có ba chân. Chân số 1 là chân IN. Chân số 2 là chân GND Chân số 3 là chân OUT. Ngõ ra OUT luôn ổn định ở 5V dù điện áp từ nguồn cung cấp thay đổi. Nếu nguồn điện có sự cố đột ngột điện áp tăng cao thì mạch điện vẫn hoạt động ổn định nhờ có IC 7805 vẫn giữ được điện áp ở ngõ ra OUT 5V không đổi. Chú ý: Điện áp đặt trước IC 78xx phải lớn hơn điện áp cần ổn áp từ 1,5V đến 2V. Mạch điện đóng vai trò ổn định và chống nhiễu cho nguồn CHƯƠNG 4 LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN PLC 4.1. TỔNG QUAN VỀ PLC S7 – 200 4.1.1. Giới thiệu về họ PLC. 4.1.1.1.PLC (Program Mable Logic Controler – Bộ điều khiển logic khả trình ). PLC là một loại thiết bị chuyên dụng được tích hợp sẵn, có cấu trúc giống như một máy tính số bao gồm CPU, bộ nhớ ROM, RAM dùng để nhớ chương trình ứng dụng và các đầu Vào/Ra – Input/ Output . PLC là một thiết bị lập trình được, cho phép thực hiện linh hoạt các phép toán điều khiển thông qua ngôn ngữ lập trình. CPU ROM RAM INP OUT Bộ đệm vào vvvavào Bộ đệm ra Hình 4.1. Cấu trúc PLC 4.1.1.2. Vị trí của PLC trong hệ thống điều khiển. Hệ điều khiển truyền thống. Nót Ên C«ng t¾c CT hanh trinh C¶m biÕn Rele TIM Re le Tgian Bé ®Õm CNT >= So s¸nh B¶n m¹ch ®iÖn tö §«ng c¬ Van Gia nhiÖt Hình 4.2.Các khối trong hệ điều khiển truyền thống Khối đầu vào. Gồm các nút điều khiển Các công tắc Các công tắc hành trình đặt tại máy Các cảm biến đo lường đặt tại dây truyền sản xuất. Khối điều khiển gồm các phần tử . Các loại rơ le Các bộ đếm thời gian Các bộ đếm Các bộ so sánh Các bản mạch điện tử Khối đầu ra gồm Các loại động cơ Các loại van Các thiết bị gia nhiệt Các thiết bị chỉ thị… Hệ điều khiển dùng PLC. Bộ điều khiển bằng PLC Nút ấn Công tắc Công tắc hành trình Cảm biến Động cơ Van Gia nhiệt Heater Hiển thị Chương trình ứng dụng Khối đầu vào Khối điều khiển Khối đầu ra Hình 4.3. Hệ điều khiển dùng PLC Khối đầu vào tương tự hệ điều khiển truyền thống. Khối đầu ra tương tự hệ điều khiển truyền thống. Khối điều khiển được thay bằng thiết bị điều khiển PLC kèm theo đó là một chương trình ứng dụng, được lập trình dưới dạng giản đồ thang như hình vẽ. 4 .1.1.3. Khả năng của PLC. a. Điều khiển Logic. Chức năng điều khiển rơ le. Thời gian đếm Thay cho các Panel điều khiển và các mạch in Điều khiển tự động, bán tự động,bằng tay các máy và các quá trình. b. Điều khiển liên tục. Thực hiện các phép toán số học và logic. Điều khiển liên tục nhiệt độ áp suất lưu lượng… Điều khiển PID, FUZY. Điều khiển động cơ chấp hành,động cơ bước Điều khiển biến tần… Khối đầu vào thêm các khâu cảm biến Tương tự (Analog);chiết áp,… Khối đầu ra có thêm các thiết bị tương tự như biến tần, động cơ SERVO, động cơ bước… Khối điều khiển thêm các khâu biến đổi A/D, D/A… c. Điều khiển tổng thể. Điều hành quá trình và báo động. Ghép nối máy tính Ghép nối mạng tự động hoá Điều khiển tổng thể quá trình – nghĩa là điều khiển một quá trình trong mối liên hệ với các quá trình khác. Tín hiệu vào và ra còn có thêm thông tin. 4.1.1.4. Các ưu điểm khi sử dụng PLC. - Thời gian lắp đặt công trình ngắn hơn. - Dễ thay đổi mà không gây tổn thất - Có thể tính chính xác được giá thành - Dế thay đổi thiết kế nhờ phần mềm - Ứng dụng điều khiển trong phạm vi rrọng - Dễ bảo trì bảo hành nhờ: Khả năng tín hiệu hoá Khả năng lưư giữ mã lỗi Khả năng truyền thông - Độ tin cậy cao - Chuẩn hoá được thiết bị - Thích ứng được môi trường khắc nghiệt: Nhiệt độ, độ ẩm, điện áp dao động… 4.1.2. Một số loại PLC và modul PLC. 4.1.2.1:Một số loại PLC của SIEMENS. Hình 4.4. PLC S7- 200 Hình 4.5. Kết nối PLC S7 – 200 với máy tính Hình 4.6. PLC S7 – 212 Hình 4.7. PLC S7 – 215 và S7 – 216 Hình 5.8. Ghép nối cho modul mở rộng Hình 4.8. Ghép nối mạng PLC 4.1.3. Hệ SIMATIC S7 – 200 . Simatic S7 – 200 là thiết bị điều khiển logic khả trình loại nhỏ của hãng Siemens, có cấu trúc theo kiểu modul và có các modul mở rộng. Các modul này sử dụng cho nhiều loại ứng dụng lập trình khác nhau. Thành phần cơ bản của S7 – 200 là khối vi xử lý của CPU 222. Về hình thức bên ngoài nhận biết được nhờ số đầu vào/ra và nguồn cung cấp. CPU 222 có 10 đầu vào và 8 đầu ra Tổng số đầu vào/ ra cực đại là 64 cổng vào và 64 cổng ra Có 256 timer chia làm 3 loại theo độ phân giải khác nhau : 8 timer 1ms, 32 timer 10ms, 208 timer 100ms. Các chế độ ngắt và xử lý ngắt bao gồm: Ngắt truyền thông, ngắt theo sườn lên hoặc sườn xuống, ngắt theo thời gian, ngắt của bộ đếm tốc độ cao và ngắt truyền xung. Toàn bộ vùng nhớ không bị mất dữ liệu trong khoảng thời gian là 190h khi PLC mất nguồn nuôi. Có 368 bít nhớ đặc biệt dùng để thông báo trạng thái và chế độ làm việc. Dải tín hiệu vào từ 15 đến 30 V điện áp một chiều 4mA Có cách ly quang 500 VAC 1 phút. Trong mô hình cửa tự động ta sử dụng PLC S7 – 200 CPU222, modul 212 – 1BB23 – OXBO. Hình 4.9. PLC dùng trong mô hình của tự động 4.1.3.1: Cấu trúc chương trình của S7 – 200 . Có thể lập trình cho plc S7 – 200 bằng cách sử dụng một trong các phần mềm sau: STEP7- Micro/ DOS. STEP7 – Micro/ WIN. Các chươngh trình cho S7 -200 phải có cấu trúc chương trình chính và sau đó đến các chương trình con và chương trình xử lý ngắt được chỉ ra sau đây: Chương trình chính được kết thúc bằng lệnh kết thúc chương trình (MEND). Chương trình con là một bộ phận của chương trình, các chương trình con phải được viết sau lệnh kết thúc chươnh trình chính đó là lệnh MEND. Các chương trình con được nhóm lại thành một nhóm ngay sau chương trình chính. Sau đó đến ngay các chương trình xử lý ngắt. Bằng cách viết như vậy cấu trúc chương trình được rõ ràng và thuận tiện hơn trong việc đọc chương trình sau này. Có thể tự do trộn lẫn các chương trình con và chương trình xử lý ngắt đằng sau chương trình chính. Ta sử dụng phần mềm STEP7 – Micro để lập trình. 4.1.3.2. Các vùng nhớ S7 – 200. Trong S7 – 200 có các vùng nhớ sau: I: Input, các ngõ vào số. Q: Output, các ngõ ra số. M: Internal Memory, vùng nhớ nội. V: Variable Memory, vùng nhớ biến. AIW: Analog Input, ngõ vào analog. AQW: Analog Output, ngõ ra analog. T: Timer. C: Counter. AC: Con trỏ địa chỉ. 4.2. LẬP TRÌNH PLC ĐIỀU KHIỂN CỬA TỰ ĐỘNG. Với những tiện ích của thiết bị khả trình PLC đem lại, nó đã được ứng dụng để điều khiển cửa tự động trong mô hình. 4.2.1. Các bước lập trình. - Tìm hiểu công nghệ. - Liệt kê các đầu vào/ ra và chọn PLC. - Phân cổng vào/ ra cho PLC theo : trình tự tác động, theo tên gọi, theo tên ưu tiên các tín hiệu bị động. - Dựng lưu đồ cho chương trình. - Dịch lưu đồ sang giản đồ thang. - Lập trình giản đồ thang PLC. - Chạy mô phỏng kiểm tra chương trình. - Nối PLC với thiết bị thực. - Kiểm tra sửa lỗi. - Chạy thử nghiệm. 4.2.2. Quá trình thực hiện. 4.2.2.1. Lập trình cho thiết bị cảm biến. a. Yêu cầu công nghệ. - Sử dụng PLC điều khiển cửa thông qua việc tổng hợp tín hiệu từ thiết bị cảm biến và Encoder. Đối với cảm biến vị trí: Khi có điện động cơ sẽ mở cửa với tốc độ chậm. Khi gặp Kh1động cơ sẽ dừng, chờ một khoảng thời gian nếu không có người thì cửa sẽ đóng lại với tốc độ chậm. Khi hết hành trình đóng động cơ sẽ ngắt, cửa dừng ở trạng thái đóng. Khi có người cửa sẽ mở với tốc độ nhanh, đến khi gặp Kh2 thì động cơ mở chậm. Động cơ sẽ mở chậm đến khi gặp Kh1 thì dừng chở một khoảng thời gian mà không có người thì động cơ sẽ đóng. Khi bắt đầu đóng động cơ đóng nhanh, khi gặp Kh3 thì động cơ đóng chậm, động cơ sẽ đóng chậm đến khi bằng thời gian đặt trước thì dừng động cơ kết thúc một quá trình. Đối với Encoder. - Khi có điện động cơ sẽ mở cửa với tốc độ chậm. Khi gặp Kh1 động cơ sẽ dừng chờ một khoảng thời gian nếu không có người thì cửa sẽ đóng lại với tốc độ chậm. Khi hết hành trình động cơ sẽ ngắt, cửa dừng ở trạng thái đóng. Khi có người cửa sẽ mở với tốc độ nhanh, khi đếm đủ số xung đặt trước động cơ sẽ mở chậm, khi đủ số xung mở chậm động cơ sẽ dừng lại chở một thời gian mà không có người thì động cơ sẽ đóng. Khi bắt đầu đóng động cơ đóng nhanh, khi đếm số xung đặt trước động cơ đóng chậm. Nếu thời gian đóng đủ số xung đặt trước động cơ dừng lại kết thúc một quá trình. b. Phân cổng vào ra cho PLC. - Đầu vào. I0.1. Tín hiệu cảm biến người. I0.2. Tín hiệu cảm biến ngừoi I0.3. Tín hiệu xung hành trình. I0.4. Đóng cưỡng bức I0.5. KH1. Đầu ra. Q0.0: Cho phép mở cửa Q0.1: Cho phép đóng cửa Q0.2: Cho phép mở cửa nhanh Q0.4: Cho phép cửa đóng nhanh. Q0.5: Cho phép cửa đóng mở chậm. c. Lưu đồ chương trình. Hình 4.10. Lưu đồ cảm biến Hình 4.11. Lưu đồ Emcoder d. Dịch lưu đồ sang giản đồ thang. KẾT LUẬN ĐÁNH GIÁ VỀ ĐỒ ÁN Đồ án “Tìm hiểu thiết kế mô hình cửa đóng mở tự động” là một đồ án mang tính khoa học và tổng hợp. Nó không chỉ dừng lại ở việc xây dựng lý thuyết và tìm hiểu về công nghệ cửa đóng mở tự động mà còn thiết kế được một mô hình cửa tự động có khả năng hoạt động như cửa thật với thiết kế mở giúp người thực hành có thể tự thao tác viết chương trình điều khiển, ghép nối giữa các phần mô hình, giữa mô hình với modul PLC để từ đó thực hiện điều khiển trên mô hình cửa đóng mở tự động. Đồ án giúp mang lại cái nhìn rõ nét hơn về công nghệ cửa đóng mở tự động, giúp người học hiểu rõ về cấu tạo bên trong, các thiết bị, linh kiện cấu thành, nguyên lý hoạt động của cửa đống mở tự động góp phần nâng cao khả năng thực tế của người học cũng như làm tăng thêm tính sinh động cho hoạt động học tập, nghiên cứu. Tuy nhiên, do đây chỉ là một đồ án “Tìm hiểu thiết kế mô hình cửa đóng mở tự động” chứ không đi sâu vào việc chế tạo mô hình nên bản đồ án không tránh khỏi những thiếu sót. Hơn nữa mô hình mới chỉ được dừng lại ở việc tìm hiểu thiết kế trên lý thuyết vì vậy sinh viên vẫn chửa thể hiểu hết về những sai sót trong quá trình chế tạo. Những người thực hiện đồ án mong rằng, bản đồ án thiết kế sẽ là một công cụ hữu ích cho các bạn sinh viên thực hiện việc chế tạo mô hình cửa tự động. Đồng thời, thông qua quá trình chế tạo và sử dụng mô hình phục vụ cho hoạt động học tập nghiên cứu, bản thiết kế sẽ được cải tiến khắc phục những thiếu sót, hạn chế. Để có thể mạng lại hiệu quả hoạt động tốt hơn góp phaanfthieets thực vào việc cải thiện công tác giảng dạy và học tập bộ môn Tự động hóa trong các nhà trường. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Vũ Gia Hanh, Trần khánh Hà, Phan Tử Thụ, Nguyễn Văn Sáu Máy điện 1 và 2 – Nhà xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật – 2003 2. Phạm Văn Chới , Bùi Tín Hữu, Nguyễn Tiến Tôn Khí cụ điện – Nhà xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật – 2004 3. Phan Cuốc Phô, Nguyễn Đức Chiến Giáo trình cảm biến – Nhà xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật – 2000 4. Đỗ Xuân Thụ Kỹ thuật điện tử – Nhà xuất Bản Giáo Dục – 2005 5. Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Thị Hiền, Nguyễn Văn Liễn Truyền động điện – Nhà xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật – 2006 6. Nguyễn Quang Hùng, Trần Ngọc Bình 7. Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh Điện tử công suất – Nhà xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật 8. Trịnh Đình Để, Võ Trí An Điều khiển tự động truyền động điện – NXB Đại Học và Trung Học Chuyên Nghiệp 9. MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN