Đề tài Tìm hiểu, thiết kế mô hình cửa đóng mở tự động

LỜI NÓI ĐẦU Cùng với sự phát triển của các ngành kỹ thuật điện tử, công nghệ thông tin, ngành kỹ thuật điều khiển , ngành tự động hóa đã và đang đạt được nhiều tiến bộ mới. Tự động hóa không những làm giảm nhẹ sức lao động cho con người mà còn góp phần rất lớn trong việc nâng cao năng suất lao động, cải thiện chất lượng sản phẩm chính vì thế Tự động hóa ngày càng khẳng định được vị trí cũng như vai trò của mình trong các ngành công nghiệp và đang được phổ biến rộng rãi trong các hệ thống công nghiệp trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng . Không chỉ dừng lại ở đó , sù phát triển của tự động hóa còn đem lại nhiều tiện Ých phục vụ đời sống hàng ngày cho con người . Mét minh chứng rõ nét chính là sự ra đời của nhưng chiếc cửa tự động với nhiều tiện Ých hơn, đa năng hơn. Để phục vụ tốt hơn nữa đời sống con người trong thời điểm xã hội ngày càng hiện đại và phát triển hiện nay , vẫn luôn đòi hỏi cải tiến hơn nữa công nghệ cùng những tính năg tiện Ých cho những chiếc cửa tự động . Xuất phát từ thưc tế trên , chóng em đã được thầy giáo hướng dẫn giao đề tài : “Tìm hiểu , thiết kế mô hình cửa đóng mở tự động”. Nội dung đồ án gồm các phần cơ bản như sau : Tìm hiểu về công nghệ điều khiển của tự động . Tìm hiểu về các phần tử , thiết bị dùng trong cửa tự động. Thiết kế, tính toán. lùa chọn các phần tử cho mô hình. Các phụ kiện trang trí. Do kinh nghiệm thực tế chưa được nhiều và còn nhiều hạn chế về kiến thức chuyên môn, vì vậy mà em không thể tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình làm. Em rất mong được sự góp ý của thầy cô. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 08 tháng 07 năm 2009 Sinh viên. Phùng Hà Khánh CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ ĐIỀU KHIỂN CỬA TỰ ĐỘNG 1.1 CÁC LOẠI CỬA TỰ ĐỘNG HIỆN NAY Hiện nay có nhiều loại cửa tự động : cửa kéo,cửa đẩy, cửa cuốn, cửa trượt.... Nhưng chúng thường được sản xuất ở nước ngoài bán tại việt nam với giá thành khá cao. Vì thế chúng không được sử dụng rộng rãi. Nhu cầu cửa tự động ở Việt Nam là rất lớn về số lượng và chủng loại. 1.1.1 Cửa cuốn: Hình 1.1. Cửa cuốn Loại cửa này có ưu điểm là gọn nhẹ tiện dụng và dễ sử dụng, lại chỉ cần động cơ công suất nhá. Loại cửa này thường được dùng cho gara ô tô. Nó có tính kinh tế khá cao vì không mấy khó khăn khi làm được loại cửa này. Nhưng có nhược điểm là cửa không chắc chắn và dễ bị háng hơn các loại cửa khác. 1.1.2 Cửa kéo: Hình 1.2. Cửa kéo Loại cửa này nhìn rất lạ, với kết cấu đơn giản một động cơ được gắn cố định với trần nhà. Cửa được động cơ kéo bằng một đoạn dây. Ưu điểm của loại này là đơn giản nhưng hiệu quả, so với loại cửa cuốn thì cánh cửa chắc hơn nhiều. Có lẽ nhược điểm của loại cửa này là động cơ gắn với trần nhà vì vậy cần phải gắn đủ chắc để chịu được sức nặng của cửa. Vì vậy trong thực tế người ta Ýt sử dụng loại cửa kéo này do nhược điểm là phải gắn đủ chắc để chịu sức nặng nếu không sẽ rất nguy hiểm cho người sử dụng. 1.1.3 Cửa trượt Hình 1.3. Cửa trựơt Loại cửa này có đặc điểm là có một rãnh trượt cố định cho phép cánh cửa thể trượt qua trượt lại. Loại cửa này thường được sử dông trong nhà hàng, khách sạn, cơ quan hay sân bay, nhà ga, trung tâm thương mại... Loại cửa này có ưu điểm là kết cấu khá nhẹ nhàng,tạo ra một cảm giác thoáng đạt và thoải mái và lịch sự rất thích hợp với nhưng nơi công cộng, cơ Loại cửa này thiết kế rất toàn vẹn, nó có thể nhận biết được người, máy móc cũng như loài vật có thể đi qua. Nhược điểm của loại cửa này là độ chắc chắn không cao , nhẹ nhàng nhưng không có nghĩa là gọn gàng mà ngược lại có khi lại rất cồng kềnh .Nhưng trên thực tế loại cửa này lại được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất hiện nay. Mét số hình ảnh cửa tự động khác: Nói chung, nguyên tắc điều khiển của các cửa loại này không khác nhau nhiều, chỉ cần bố trí cảm biến và động cơ ở những vị trị thích hợp, ta có được nhiều mẫu cửa rất đa dạng đáp ứng nhiều các nhu cầu khác nhau. 1.2 KHẢO SÁT CÁC LOẠI CỬA TỰ ĐỘNG Ở HÀ NỘI : Thông qua việc quan sát, tìm hiểu về cửa tự động ở một số địa điểm trên Hà Nội hiện nay, ta nhận thấy cửa tự động được sử dụng chủ yếu ở những nơi giao dịch thương mại, những công sở lớn, ở sân bay, ngân hàng và các khách sạn lớn. Sở dĩ như vậy là do những nơi này có lượng người qua lại lớn, đồng thời những nơi này lại yêu cầu có tính hiện đại, sang trọng và tiện dụng. Sử dụng cửa tự động tại những nơi này sẽ phát huy được tất cả những ưu điểm của nó. Tuy nhiên cửa tự động cũng có rất nhiều loại tuỳ theo yêu cầu về mục đích sử dụng như trọng lượng cửa, chiều cao hay phần mạch điều khiển cửa. Theo trọng lượng cửa thì có các loại sau: loại 200 kg/hai cánh tại Cung văn hoá hữu nghị Việt Xô,loại 180kg/2 cánh tại ngân hàng nông nghiệp và phát triển nông thôn.Ngoài ra người ta còn chia ra làm hai loại theo số cánh cửa:Loại một cánh và loại hai cánh. + Cửa tự động chỉ có 1 cánh: Loại cửa này chủ yếu được dùng trong 2 điều kiện như sau: Một là, những nơi yêu cầu tính hiện đại, sang trọng nhưng lại có số lượng người đi qua lại không nhiều như các khác sạn lớn, nhà nghỉ lớn, hay công sở mà không có tính chất giao dịch Hai là, những loại cổng có kích thước lớn dùng ở các công ty, xí nghiệp hay những ngôi nhà lớn Ngoài ra còn có thể có loại cửa tự động mà chỉ có 1 cánh đóng mở tự động còn lại 1 cánh là đóng mở như loại bình thường. + Cửa tự động có hai cánh: Loại cửa này được dùng rộng rãi hơn so với loại cửa tự động 1 cánh. Nơi có số lượng cửa tự động lớn nhất hiện nay tại Hà Nội đó là sân bay Nội bài. ở đây loại cửa được sử dụng chủ yếu là loại cửa trướt hai cánh. Để tìm hiểu rõ hơn ta đi khảo sát cửa tự động tại đây. Khảo sát cửa tự động ở sân bay Nội Bài - Hà Nội Hình 1.4. Cửa tự động tại sân bay Nội Bài Trước cửa ra vào nơi bán vé và làm thủ tục bay của sân bay Nội Bài cả tầng 1 và tầng 2 mỗi tầng có 14 hệ thống cửa tự động .Tất cả các cửa này đều có kết cấu cơ khí và hình dạng bên ngoài giống nhau do hãng PORTALP chế tạo. Cửa tự động tại đây sử dụng hệ thống cửa hai cánh với kích thước cửa Cao: 2.5m Rộng: 3m Độ rộng cửa khi mở hoàn toàn: 1.5m Cuối hành trình mở có đặt một công tắc hành trình để bảo vệ tránh cho cửa không chuyển động vượt quá hành trình. Quan sát cửa chuyển động em thấy cửa chuyển động với ba cấp tốc độ. Khi mở cửa cửa mở ra với vận tốc nhanh để kịp thời mở ra tránh tình trạng người phải chờ đợi cửa mở gây cảm giác khó chịu cho người muốn đi vào, gần hết hành trình mở cửa giảm tốc và dừng lại, khi cửa đóng cửa đóng với vận tốc chậm hơn so với lúc mở để tránh gây cảm giác cho người muốn đi vao từ đằng xa.Gần hết hành trình cửa giảm tốc và dừng lại chính xác. Khi mở ra khoảng trễ thời gian là khoảng 5 giây nếu ko có tín hiệu thì cửa sẽ đóng lại. Khoảng cách xa của tín hiệu cảm biến là khoảng 2m. Khi cửa đang đóng mà có tín hiêu người đi vào thì cửa sẽ mở ra với vận tốc nhanh sau gần cuối hành trình thì giảm tốc và dừng lại chính xác ở cuối hành trình.Cảm biến dùng ở đây là hai cảm biến quang: Một cảm biến đặt ở phía bên ngoài, một cảm biến đặt ở phía bên trong của cánh cửa để đảm bảo nhận biết và báo tín hiệu khi có người đi từ trong ra cũng như khi có ngừơi đi từ ngoài vào. Hai cảm biến này trên khung cánh cửa. 1.3 CÔNG NGHỆ CỬA TÙ ĐỘNG: Qua tìm hiểu tài liệu và quan sát thực tế em thấy một hệ thống cửa tự động phải đảm bảo yêu cầu công nghệ: Khi có tín hiệu người cửa sẽ lập tức mở ra Khi mất tín hiệu người sau một khoảng thời gian trễn nhất định cửa sẽ tự động đóng lại Khi cửa đang đóng lại mà có tín hiệu người thì cửa sẽ mở ra Trong hành trình mở cửa mở với hai cấp tốc độ cấp thứ nhất la mở nhanh với vận tốc V1 để ngay lập tức mở ra kịp thời cho người đi tới. Đến gần cuối hành trình cửa giảm xuống vận tốc V3 và dừng lại chính xác để tránh việc va đập gây ồn và háng cửa Trong hành trình đóng cửa cũng đóng với hai cấp tốc độ, cấp thứ nhất là cửa đóng nhanh với vận tốc V2 nhưng phải đảm bảo V2 nhỏ hơn V1 để tránh gây cảm giác ghê sợ cho người đang đi tới. Và gần cuối hành trình đóng cửa cũng giảm xuống vận tốc V3 và dừng lại chính xác. CHƯƠNG II TÌM HIỂU VỀ CÁC PHẦN TỬ, THIẾT BỊ DÙNG TRONG CỬA TỰ ĐỘNG 2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN VẬT THỂ: Vấn đề phát hiện vật thể là một trong những vấn đề cơ bản trong đề tài thiết kế, điều khiển cửa tự động. Để phát hiện vật thể chúng ta có thể áp dụng rất nhiều nguyên tắc vật lý khác nhau. Sau đây chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu về một sốphương pháp phát hiện vật thể điển hình. 2.1.1 Phương pháp phát hiện vật thể ứng dụng công nghệ vi sóng: Phương pháp phát hiện vật thể ứng dụng vi sóng được thực hiện thông qua các cảm biến vi sóng. Cảm biến vi sóng là thiết bị điện tử sử dụng sóng cực ngắn để đo di chuyển tốc độ, chiều chuyển động, khoảng cách, phát hiện vật thể . Cảm biến vi sóng được chia thành năm loại: - Cảm biến chuyển động phát hiện đối tượng chuyển động đi vào vùng bảo vệ. - Cảm biến tốc độ đo tôc độ di chuyển của đối tượng. - Cảm biến phát hiện hướng chuyển động của đối tượng (chạy tiến, chạy lùi). - Cảm biến tiếp cận: phát hiện sự hiện diện của đối tượng. - Cảm biến khoảng cách đo khoảng cách từ cảm biến đến đối tượng. Các đặc điểm cơ bản của cảm biến vi sóng: - Không tiếp xúc cơ khí: Do có đặc tính này mà cảm biến vi sóng có thể làm việc trong các môi trường độc hại, dễ cháy nổ, có thể thâm nhập vào bề mặt không kim loại như sợi thuỷ tinh, phát hiện mức, phát hiện đối tượng bằng cactông... - Bền vững: Cảm biến siêu âm không có bộ phận chuyển động, có thể được bọc kín nên có thể chống được tác động cơ học. - Vùng tác động rộng: Cảm biến siêu âm có thể phát hiện các đối tượng xa từ 25 mm đến 45.000 mm và lớn hơn, phụ thuộc vào kích thước của đối tượng, công suất nguồn và anten. - Kích thước nhỏ: Mặc dù có kích thước lớn hơn cảm biến tiếp cận điện cảm, điện dung nhưng khi sử dụng tần số cao và mạch điện tử công nghệ cao có thể giảm kích thước, giá thành. - Kích thước mục tiêu: Cảm biến siêu âm phù hợp với mục tiêu phát hiện kể cả mục tiêu nhỏ như một hạt cát. - Môi trường làm việc: Có thể làm việc trong điều kiện môi trường khó khăn từ -55 tới +125 độ C, môi trường bụi bẩn, ô nhiễm, độc hại. Nguyên lý hoạt động của cảm biến vi sóng: Cảm biến vi sóng gồm có ba phần chính:nguồn, anten tụ tiêu, máy thu và xử lý tín hiệu. Thông thường máy phát và máy thu được đặt trong cùng một module. Máy phát chứa diode Gunn lắp trong một hốc cộng hưởng nhỏ, có nguồn năng lượng và dao động ở tần số cao cỡ Ghz. Công suất phát cỡ 10 đến 20 mW, công suất nguồn một chiều 8V, 150mA. Đầu cuối ống dẫn sóng được nối với anten. Anten tụ tiêu chùm tia, mỗi anten có dải thông và hệ số khuếch đại xác định. Khi đập vào đối tượng chùm sóng được phản hồi lại module. Khi tia phản xạ lại máy thu diode trộn sẽ phối hợp với một phần tín hiệu phát. Nếu mục tiêu chuyển động pha của hai tín hiệu phát và trở về khác nhau. Tín hiệu đến máy thu cỡ W đến mW cần được khuếch đại. Ngoài khuếch đại, so sánh có thêm mạch relay đầu ra để phù hợp với ứng dụng. Với những đặc tính trên cảm biến vi sóng rất hiệu quả trong việc phát hiện những mục tiêu, những vật thể chuyển động có kích thước nhỏ, ở khoảng cách xa. Tuy nhiên với những vật thể không di động việc sử dụng vi sóng thường không đem lại hiệu quả như mong muốn, chi phí cho phương pháp này cũng khá tốn kém. 2.1.2 Phương pháp phát hiện vật thể dùa trên hiệu ứng quang điện: Trong phương pháp này việc phát hiện vật thể được thực hiện thông qua các cảm biến quang điện. Cảm biến quang điện là các linh kiện quang điện, thay đổi trạng thái điện khi có ánh sáng thích hợp tác động vào bề mặt của nó. Cảm biến quang điện bao gồm một số loại sau. 2.1.2.1 Tế bào quang dẫn : Đặc trưng cơ bản của tế bào quang dẫn là điện trở của nó phụ thuộc vào thông lượng của bức xạ và phổ của bức xạ đó. Tế bào quang dẫn là một trong những cảm biến có độ nhạy cao. Cơ sở vật lý của tế bào quang dẫn là hiện tượng quang dẫn do kết quả của hiệu ứng quang điện bên trong. Đó là hiện tượng giải phóng hạt tải điện trong vật liệu bán dẫn dưới tác dụng của ánh sáng. 2.1.2.2 Photodiode: Nguyên lý hoạt động của photodiot: Khi chiếu sáng lên bề mặt diode bán dẫn bằng bức xạ có bước sóng nhỏ hơn bước sóng ngưỡng < sẽ xuất hiện thêm các cặp điện tử - lỗ trống. Để các hạt này có thể tham gia vào độ dẫn và làm tăng dòng điện I, cần phải ngăn cản quá trình tái hợp của chúng tức là phải nhanh chóng tách cặp điện tử - lỗ trống dưới tác dụng của điện trường. Điều này chỉ có thể xảy ra trong vùng nghèo và sự chuyển dời của các điện tử đó kéo theo sù gia tăng của các dòng điện ngược. Để đạt được điều đó ánh sáng phải đạt tới vùng nghèo sau khi đã đi qua bề dày của chất bán dẫn và tiêu hao năng lượng không nhiều. Càng đi sâu vào chất bán dẫn quang thông càng giảm. Diode thực tế có líp bán dẫn rất mỏng để sử dụng ánh sáng hữu hiệu, đồng thời vùng nghèo cũng phải đủ rộng để sự hấp thụ ở đó là cực đại. Photodiot hoạt động theo hai chế độ quang dẫn và quang thế. 2.1.2.3 Phototranzito: Phototranzito là tranzito silic loại NPN trong đó vùng bazơ có thể được chiếu sáng. Khi không có điện áp đặt trên bazơ chỉ có điện áp trên C, chuyển tiếp B - C phân cực ngược. Điện áp đặt vào tập trung hầu như toàn bộ lên chuyển tiếp B - C, trong khi đó sự chênh lệch điện thế giữa E và B không đáng kể = 0.6 - 0,7 V. Khi chuyển tiếp B-C được chiếu sáng, sẽ hoạt động giống photodiode ở chế độ quang dẫn với dòng điện ngược =+. Trong đó là dòng điện ngược trong tối, là dòng quang điện khi có quang thông chiếu qua bề dày X. Dòng đóng vai trò dòng bazơ, nó gây nên dòng colectơ =(+1) . là hệ số khuếch đại dòng khi emitơ nối chung. Có thể coi phototranzito như tổ hợp của một photodiot và một tranzito. photodiot cung cấp dòng quang điện tại bazơ, còn tranzito cho hiệu ứng khuếch đại . Các điện tử và lỗ trống phát sinh trong vùng bazơ dưới tác dụng của ánh sáng sẽ bị phân chia dưới tác dụng của điện trường trên chuyển tiếp B-C. Trong kỹ thuật cảm biến quang điện thường được sử dụng như một khoá chuyển mạch đóng cắt mạch điện khi có mặt hoặc không có mặt đối tượng cần phát hiện. Tuy nhiên cảm biến quang điện chỉ được sử dụng để phát hiện vật thể trong phạm vi nhỏ, dễ bị nhiễu bởi các nguồn sáng khác. 2.1.3 Phương pháp phát hiện vật thể bằng nhận dạng hình ảnh: Các cơ thể sống được thiên nhiên ban tặng cơ quan thị giác vô cùng tinh tế. Muông thó, các loài chim và côn trùng có cặp mắt rất tinh tế để kiếm mồi. Việc nhận dạng dùa trên rất nhiều yếu tố như hình dáng, kích thước, màu sắc hay những đặc điểm có tính chất đặc trưng. Ngày nay chóng ta đã có thể chế tạo ra những hệ thống nhận dạng nhân tạo tuy nhiên chưa thể so sánh được thị giác và khả năng xử lý của bộ não con người. Trong mục này sẽ giới thiệu hệ thống nhận dạng hình ảnh bằng phương tiện camera thông dụng phối hợp với kỹ thuật phân tích, nhận dạng hình ảnh nhằm tạo nên hệ thống cảm biến hình ảnh dễ sử dụng cho quá trình phát hiện vật thể. Nguyên lý cảm nhận hình ảnh: Khi ánh sáng đập vào bề mặt một vật thì một phần ánh sáng bị phản xạ, một phần bề mặt bị hấp thụ hoặc truyền dẫn vào vật. Tỷ lệ các bước sóng ánh sáng phản xạ phụ thuộc vào góc tới, đặc tính lý hoá của bề mặt và sự phân cực ánh sáng. Do vậy phân bố phổ ánh sáng phản xạ cho ta thông tin về đặc tính lý hoá của bề mặt. Đương nhiên đối mắt người chỉ cảm nhận được bước sóng nằm trong khoảng 380 nm đến 780 nm. Có nhiều kỹ thuật khác nhau để khai thác thông tin của tín hiệu phản xạ: - Kỹ thuật phân tích phổ dùng máy phân tích phổ để đánh giá tính chất của bề mặt chiếu sáng. - Kỹ thuật phổ ảnh quan tâm đến đặc tính hoá học của từng miền ánh sáng xuyên qua. Hệ thống cảm nhận hình ảnh bao gồm: camera, nguốn sáng chiếu sáng đối tượng, máy tính được tích hợp phần mềm thông minh và kết nối với các thành phần khác của hệ thống. Đối tượng quan sát được chiếu sáng và tụ tiêu vào camera và truyền đến máy tính. Camera thu loại thông dụng cảm nhận tín hiệu ba màu cơ bản: R (Red- màu đỏ, bước sóng 700nm), G (Green- màu xanh lá cây, bước sóng 546nm) và B (Blue- màu xanh da trời, bước sóng 436nm). Một sè camera sử dụng bộ lọc màu để phân tích các màu R, B, G rồi mới đưa vào máy tính xử lý. Tính ổn định của là đặc tính quan trọng của camera. Độ nhạy và đáp ứng phổ của silicon thay đổi theo nhiệt độ nên vị trí đặt camera cần có điều hoà nhiệt độ. Nguồn sáng sử dụng là ánh sáng mặt trời, nếu trong môi trường không có ánh sáng mặt trời thì dùng đèn sợi đốt với diện tích hẹp và đèn huỳnh quang cho vùng chiếu sáng rộng. Máy tính sau khi nhận được tín hiệu hình ảnh từ camera sẽ phân tích và nhận dạng hình ảnh bằng phần mềm. Ngày nay với sự phát triển của trí tuệ nhân tạo và mạng nơron thì hệ thống nhận dạng hình ảnh càng chính xác, đáp ứng nhanh hơn. Tuy nhiên phương pháp phát hiện vật thể bằng nhận dạng hình ảnh không được sử dụng nhiều trong thực tiễn do thiếu sự tin cậy, phức tạp và chi phí cao. 2.1.4 Cảm biến tiếp cận: Cảm biến tiếp cận được sử dụng để 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 cạn sử dụng nguyên lý thay đổi điện cảm hay thay đổi điện dung của phần tử mạch điện khi có mặt hoặc không có mặt đối tượng, có cấu trúc tương đối đơn giản, không đòi hỏi tiếp xúc cơ học nhưng tầm hoạt động hạn chế với khỏng cách tối đa 100 nm. Các kỹ thuật tiếp cận dùa trên nguyên lý vi sóng và quang học có tầm hoạt động lớn và được sử dụng rộng rãi trong thực tế. 2.1.4.1 Cảm biến tiếp cận điện cảm: Một bộ cảm biến tiếp cận điện cảm gồm bốn khối chính: cuộn dây và lõi ferit, mạch dao động, mạch phát hiện, mạch đầu ra. Mạch dao động phát dao động điện từ công suất radio. Từ trường biến thiên tập trung từ lõi sắt sẽ móc vòng với đối tượng kim loại đặt đối diện với nó. Khi đối tượng lại gần sẽ có dòng điện Foucault cảm ứng trên mặt đối tượng tạo nên một tải làm giảm biên độ tín hiệu dao động. Bộ phát hiện sẽ sự thay đổi trạng thái biên độ mạch dao động. Khi mục tiêu rời khỏi trường của bộ cảm biến, biên độ mạch dao động tăng lên trên giá trị ngưỡng và bộ phát hiện trở về vị trí bình thường. Phạm vi của cảm biến tiếp cận điện cảm liên quan đến khoảng cách giữa bề mặt cảm biến và đối tượng, liên quan đến hình dáng của lõi và dây quấn. 2.1.4.2 Cảm biến tiếp cận điện dung: Trong cảm biến tiếp cận điện dung, sự có mặt của đối tượng làm thay đối điện dung C của các bản cực. Cảm biến tiếp cận điện dung cũng gồm bốn bộ phận chính là cuộn dây và lõi ferit, mạch dao động, mạch phát hiện, mạch đầu ra. Tuy nhiên cảm biến tiếp cận điện dung không đòi hỏi đối tượng là kim loại. Đối tượng phát hiện có thể là chất lỏng, vật liệu phi kim loại; thuỷ tinh, nhựa. Tốc độ chuyển mạch tương đối nhanh, có thể phát hiện đối tượng có kích thước nhỏ, phạm vi cảm nhận lớn. Hạn chế yếu của cảm biến điện dung là chịu ảnh hưởng của độ Èm và bụi. Cảm biến tiếp cận điện dung có vùng cảm nhận lớn hơn vùng cảm nhận của cảm biến tiếp cận điện cảm. Để có thể bù ảnh hưởng của môi trường và đối tượng, cảm biến tiếp cận điện dung thường có một chiết áp điều chỉnh. 2.1.4.3 Cảm biến tiếp cận quang học: Các cảm biến quang học sử dụng nguồn sáng và cảm biến quang. Đối tượng cần phát hiện sẽ cắt chùm tia sáng làm cảm biến tác động. Người ta thường bố trí cảm biến quang học như dưới đây. Cảm biến đặt đối diện với nguồn phát Đối tượng cần phát hiện sẽ cắt chùm tia. Ưu điểm của cách bố trí này là: - Cù 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. Hạn chế của cách bố trí này là: - 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. C¶m biÕn §èi t­îng Cảm biến đặt cùng phía với nguồn phát sáng Trong cách bè trí này, ánh sáng đập vào mặt phản xạ trở về mặt cảm biến.Vì hành trình của tia sáng theo cả hai chiều đi và về nên cự ly cảm nhận thấp hơn so với phương pháp đặt đối diện, nhưng không cần dây nối qua khu vực cảm nhận. Hạn chế chính của cách bố trí này là nguồn sáng khác chiếu vào mặt phản xạ có thể gây tác động sai. C¶m biÕn Nguån s¸ng G­¬ng ph¶n x¹ C¶m biÕn Nguån s¸ng G­¬ng ph¶n x¹ VËt thÓ Phát hiện đối tượng nhờ ánh sáng phản chiếu khuếch tán Nguồn sáng và bộ cảm biến đặt cùng phía nhưng ở đây đối tượng đóng vai trò gương phản chiếu. Trong trường hợp này đối tượng đặt khá gần nguồn sáng. C¶m biÕn Nguån s¸ng C¶m biÕn Nguån s¸ng VËt thÓ Khi có vật thể trong vùng hoạt động, cảm biến sẽ thu được ánh sáng phản xạ từ vật thể. Với những đặc điểm trên, cảm biến tiếp cận chỉ được sử dụng để phát hiện vật thể trong phạm vi nhỏ, dễ bị nhiễu bởi các nguồn sáng khác. 2.1.5 Cảm biến hồng ngoại: Hồng ngoại có bản chất là sóng điện từ nằm ngoài vùng ánh sáng nhìn thấy, có bước sóng lớn hơn bước sáng của tia đỏ (> 760 m). 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. Trong mạch phát hiện vật thể hoạt động trên nguyên lý thu phát hồng ngoại ta bố trí các diode phát và sensor thu hồng ngoại thành từng cặp theo một số cách sau: Bè trí cạnh nhau: Trong cách bố trí này tia hồng ngoại từ diode phát khi gặp bề mặt vật cản sẽ phản xạ ngược trở lại. Do sensor thu được đặt cạnh diode phát nên sẽ thu được tín hiệu phản xạ này. b. Bố trí đối diện : Ở cách bố trí này, khi không có vật chắn tia hồng ngoại từ diode phát luôn tới được sensor thu, khi có vật chắn tia hồng ngoại sẽ không đi thẳng mà phản xạ trở lại do đó không tới được sensor thu. Ngoài ra hồng ngoại còn được sử dụng để truyền tin không dây do 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 lùa chọn như một giải pháp tối ưu trong việc thiết kế mạch phát hiện vật thể cho cửa tự động. 2.2 GIỚI THIỆU VỀ ENCORDER. 2.2.1 Khái niệm: Nhiệm vụ của Encoder là đo lường dịch chuyển thẳng hoặc góc đồng thời chuyển đổi góc hoặc vị trí thẳng thành tín hiệu nhị phân và nhờ tín hiệu này có thể xác định được vị trí trục hoặc của một cơ cấu chuyển động bất kì. Tín hiệu ra của Encoder cho dưới dạng số. Encoder được sử dụng chủ yếu trong các máy CNC và robot dùng làm phần tử chuyển đổi tín hiệu phản hồi. Hình 2.1. Encoder kiểu quay Tùy thuộc vào chuyển động của Encoder mà ta có hai kiểu Encoder thẳng và Encoder quay. Nguyên lý hoạt động hoàn toàn giống nhau nhưng Encoder thẳng có điểm khác cơ bản với Encoder kiểu quay là chiều dài của Encoder thẳng phải bằng tổng chuyển động tương ứng có nghĩa là chiều dài cần đo phải bằng chiều dài thước. Encoder quay chỉ là một đĩa nhỏ và kích thước của của Encoder 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 dịch chuyển và tốc độ. rong máy công cụ điều khiển số, chuyển động của bàn máy được dẫn động từ một động cơ(động cơ bước, động cơ xoay chiều hoặc động cơ một chiều) qua vít me, đai ốc bi tới bàn máy. Có thể xác định nhờ Encoder lắp trong cụm truyền dẫn. 2.2.2 Các loại Encoder: Encoder được chia làm hai loại 2.2.2.1 Encoder tuyệt đối Encoder tuyệt đối kết cấu gồm các phần sau: nguồn sáng, đĩa mã hóa và các phodetetor. 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 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 giải băng. Số giả băng trên đĩa tùy thuộc vào khả năng công nghệ. Công nghệ ngày nay cho phép chia đĩa mã hóa lớn nhất là dải. Trên các dải 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 líp mà ánh sáng không thể xuyên qua được. Sự trong suốt và không trong suốt đặc trưng tính của các phân tố Hình 2.2. Đĩa quang Nguyên lý hoạt động của Encoder tuyệt đối: Đĩa mã hóa được lắp trên trục, đối diện qua đĩa mã hóa phía bên trái ta bố trí nguồn sáng( đèn LED), phía bên kia của đĩa bố trí các photosensor, khuếch đại và các 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 hóa, nếu đối diện với tia sáng là diện tích phân tố trong suốt, ánh sáng xuyên qua đĩa tới photosensor làm xuất hiện dòng chạy qua photosensor. bị phủ líp chắn sáng, ánh sáng không tới được photosensor và trong photosensor không có dòng điện chạy qua. Dòng ra của photosensor nhỏ, vì vậy ta đưa ra bộ khuếch đại, khuếch đại đủ lớn để đưa đến tầng tiếp theo. Do quá trình quay đĩa mã hóa, cường độ ánh sáng tăng từ nhỏ đến cực đại( tia sáng xuyên qua hoàn toàn) và tiếp theo giảm dần đến khi tia sáng bị chặn bởi 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 giải biểu diễn theo công thức là S = 2a Trong đó a là số dương tuyệt đối 2.2.2.2 Encoder gia sè: Encoder được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Encorder gia số có hai kiểu kiểu thẳng và kiểu quay. Encoder quay: gồm có nguồn sáng( trong kết cấu này nguồn sáng là bóng đèn),thấu kính, đĩa thước cố định đĩa, đĩa phát xung, photosensor và mạch điện. Đĩa phát xung được làm bằng vật liệu trong suốt, trên có mộ hoặc hai dải băng( dải băng là tập hợp các vạch sáng tối có chiều dầy giống nhau). Mét trong hai dải băng trên đĩa làm nhiệm vụ phát xung, dải băng còn lại để xác định góc không quy chiếu. Đĩa phát xung được lắp trên trục và chuyển động quay cùng trục. Đĩa thước( thước cố định) có xẻ bốn rãnh trên cùng một hàng, rãnh xẻ thứ năm bố trí trên hàng riêng và thước được có định trên vỏ cùng phía với photosensor Hình 2.3: Encoder gia số kiểu quay Tương ứng với năm rãnh cố định 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. Encoder gia số kiểu thẳng: Encoder gia số kiểu thẳng cũng có những thành phần cơ bản như Encoder gia số kiểu quay nhưng chỉ khác thước động là thước thẳng. Nguyên lý hoạt động của nó hoàn toàn giống Encoder gia số kiểu quay. Hình 2.4: Encoder kiểu thẳng. So sánh Encoder gia số và Encoder tuyệt đối: Encoder gia số có ưu điểm sau: Đơng giản và rẻ tiền Không cần mạch giải mã và không cần bộ đếm Giải đo chỉ giới hạn đặc tính của bộ đếm Tốc độ có thể chọn ở bất kì điểm nào. Nhược điểm: Không đo được vị trí tuyệt đối do sù thay đổi gia sè Rất nhạy cảm với các tín hiệu bên ngoài Ngắt nguồn điện sẽ làm mất gốc ), muốn đo được phải xác định lại Encoder xung: Hình 2.5: Encoder xung Nguyên lý làm việc của Encoder xung Sử dông Encoder xung làm cảm biến vị trí: Sơ đồ ứng dụng Encoder xung giao tiếp với điều khiển: Ưu điểm: Đầu ra dạng xung nên trong các hệ thống điều khiển không cần có bộ chuyển đổi ADC Dễ sử dụng. Nhược điểm: Giá thành cao Phải có thêm mạch giải mã và đếm. 2.3 GIỚI THIỆU VỀ PLC 2.3.1 Thiết bị điều khiển Logic khả trình: 2.3.1.1 Giới thiệu PLC: Thiết bị điều khiển Logic khả trình PLC (Programmable Logic Control)là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình, thay cho việc phài thể hiện thuật toán đó bằng các mạch số. Như vậy với chương trình điều khiển trong mình.PLC trở thành bộ điều khiển nhỏ gọn, dễ dàng thay đổi thuật toán và đặc biệt dễ dàng trao đổi thông tin với môI trường xung quanh (Với các PLC khác hoặc với máy tính ). Toàn bộ chương trình lưu nhớ trong bộ nhớ PLC dưới dạng các khối chương trình con hoặc chương trình ngắt ( Khối chính OB1 ) .Trường hợp dung lượng nhớ của PLC không đủ cho việc lưu trữ chương trình thì ta có thể sử dụng thêm bộ nhớ ngoài hỗ trợ cho việc lưu chương trình và dữ liệu ( Catridge ). Để có thể thực hiện được một chương trình điều khiển,tất nhiên PLC phải có tính năng như một máy tính, nghĩa la phải có một bộ vi xử lý (CPU), một hệ điều hành, một bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển, dữ liệu và tất nhiên phải có các cổng ra vào để giao tiếp với các đối tượng diều khiển va để trao đổi với môI trường xung quanh. Bên cạnh đó nhằm phục vụ các bào toán điều khiển số, PLC còn phảI có thêm những khối chức năng đặc biệt khác như bộ đếm ( Counter ), bé định thời gian ( Timer )…. và những khối hàm chuyên dụng. 2.3.1.2 Bé nhí PLC: Gồm 3 vùng chính 2.3.1.2.1 Vùng chứa chương trình ứng dông : Vùng chứa chương trình được chia thành 3 miền: a. OB1 (Organisation block ): Miền chứa chương trình tổ choc, chứa chương trình chính, các lệnh khối này luôn được quét. b. Subroutine (Chương trình con ): Miền chứa chương trình con, được tổ chức thành hàm và có biến hình thức để trao đổi dữ liệu, chương trình con này sẽ được thực hiện khi nó được gọi trong chương trình chính. c. Interrup ( Chương trình ngắt ): Miền chứa chương trình ngắt, được tổ choc thành hàm và có khả năng trao đổi dữ liệu với bất cứ một khối chương trình nào khác. Chương trình này sẽ được thực hiện khi có sự kiện ngắt xảy ra. Có nhiều sự kiện ngắt như : Ngắt thời gian, ngắt xung tốc độ cao... 2.3.1.2.2 Vùng chứa tham số hệ điều hành : Chia thành 5 miền khác nhau I (Process image input ): Miền dữ liệu các cổng số vào, trước khi bắt đầu thực hiện chương trình, PLC sẽ đọc giá trị Logic của tất cả các cổng đầu vào và cất giữ chúng trong vùng nhớ I. Thông thường chương trình ứng dụng không đọc trực tiếp trạng thái Logic của cổng vào số mà chỉ lấy dữ liệu của cổng vào từ bộ đệm I. Q (Process Image Output): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng ra số. Kết thúc giai đoạn thực hiện các chương trình, PLC sẽ chuyển giá trị của bộ đệm Q tới các cổng ra số. Thông thường chương trình không trực tiếp gán giá trị tới tận cổng ra ma chỉ chuyển chúng tới bộ dệm Q. M ( Miền các biến cờ ): Chương trình ứng dụng sử dụng những biến này để lưu trữ các tham số cần thiết và có thể truy nhập nó theo Bit ( M ), Byte ( MB ), từ ( MW ) hay từ kép ( MD ). T ( Timer ): Miền nhớ phục vụ miền thời gian ( Timer )bao gồm việc lưu trữ giá trị thời gian đặt trước ( PV – Preset Value ),giá trị đếm thời gian tức thời( CV – Current Value )cũng như giá trị Logic đầu ra của bộ thời gian. C ( Counter ): Miền nhớ phục vụ bộ đếm bao gồm việc lưu trữ giá trị dặt trước ( PV – Preset Value ), gia trị đếm tức thời ( CV – Current Value )và giá trị đầu ra của bộ đệm. 2.3.1.2.3 Vùng chứa các khối dữ liệu: Được chia làm 2 loại: DB (Data Block): Miền chứa dữ liệu được tổ chức thành khối.Kích thước cũng như số lượng khối do người sử dụng quy định , phù hợp với từng bài toán điều khiển. Chương trình có thể truy nhập miền này theo tưng Bit ( DBX ),byte ( DBB ),từ ( DBW )hoặc từ kép ( DBD ). L ( Local dât block ): Miền dữ liệu địa phương, được các khối chương trình OB1, Chương trình con, Chương trình ngắt tổ chức và sử dụng cho các biến nháp tức thời và trao đổi dữ liệu của biến hình thức với những khối chương trình gọi nó. Nội dung của một khối dữ liệu trong miền nhớ này sẽ bị xóa khi kết thúc chương trình tương ứng trong OB1, Chương trình con, Chương trình ngắt. Miền này có thể được truy nhập từ chương trình theo Bit ( L ), byte ( LB ),từ ( LW )hoặc từ kép ( LD ). 2.3.1.3. Vòng quét chương trình : PLC thực hiện chương trình theo chu kỳ lặp. Mỗi vòng lặp được gọi là vòng quét ( Scan). Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn chuyển dữ liệu từ các cổng vào số tới vùng bộ dệm ảo I, tiếp theo là thực hiện chương trình. Trong tong vòng quét chương trình thực hiện tưd lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối OB ( Block End ). Sau giai đoạn thực hiện chương trình la giai đoạn chuyển các nội dung của bộ dệm ảo Q tới các cổng ra số. Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi. Chó ý rằng bộ đệm I và Q không liên quan tới các cổng vào ra tương tự nên các lệnh truy nhập cổng tương tự được thực hiện trực tiếp với cổng vật lý chứ không thông qua bộ đệm. Thời gian cần thiết để PLC thực hiện 1 vòng quét gọi là thời gian vòng quét ( Scan Time ), Thời gian vòng quét không cố định, tức là không phảI vòng quét nào cũng được thực hiện trong một khoảng thời gian như nhau, Có vòng quét thực hiện lâu, có vòng quét thực hiện nhanh tuỳ thuộc vào số lệnh trong chương trình được thực hiện và khối dữ liệu truyền thông trong vòng quét đó. Như vậy giữ việc đọc dữ liệu từ đói tượng để xử lí, tính toán và việc gửi tín hiệu điều khiển đến đối tượng có một khoảng thời gian trễ đúng bằng thời gian vòng quét, Nói cách khác, thời gian vòng quét quyết định tính thời gian thực của chương trình điều khiển trong PLC. Thời gian vòng quét càng ngắn, tính thời gian thực của chương trình càng cao. Nếu sử dụng các khối chương trình đặc biệt có chế độ ngắt, Ví dụ như khối OB40, OB80…, chương trình của các khối đó sẽ được thực hiện trong vòng quét khi xuất hiện tín hiệu báo ngắt cùng chủng loại. Các khối lượng chương trình này co thể thực hiện tại mọi điểm trong vòng quét chứ không bị gò Ðp là phảI ở trong giai đoạn thực hiện chương trình. Chẳng hạn nếu 1 tín hiệu báo ngắt xuất hiện khi PLC đang ở giai đoạn truyền thông và kiểm tra nội bộ, PLC sẽ ngừng công việc truyền thông, kiểm tra để thực hiện khối chương trình tương ứng với tín hiệu báo ngắt đó. Với hình thức xử lí tín hiệu ngắt xuất hiện trong vòng quét. Do đó để nâng cao tính thời gian thực cho chương trình điều khiển, tuyệt đối không nên viết chương trĩnhử lí ngắt quá dài hoặc quá lạm dụng việc sử dụng chế độ ngắt trong chương trình diều khiển. Tại thời điểm thực hiện lệnh vào ra, thông thường lệnh không làm việc trực tiếp với cổng vào ra mà chỉ thông qua bộ đệm ảo của cổng trong vùng nhớ tham số. Việc truyền thông giữa bộ dệm ảo với ngoại vi trong cac giai đoạn 1 và 3 do hệ điều hanh CPU quản lý. Ở 1 số Môđul CPU, khi gặp lệnh vào ra ngay lập tức hệ thống sẽ dừng mọi công việc khác, ngay cả chương trình xử lý ngắt để thực hiện lệnh trực tiếp với cổng vào ra. 2.3.1.4 Cấu tróc chương trình: Chương trình trong S7-200 được lưu trong bộ nhớ của PLC ở vùng dành riêng cho chương trình vá có thể được lập với 2 dạng cấu trúc khác nhau. a. Lập trình tuyến tính: Toàn bộ chương trình nằm trong một khối trong bộ nhớ. Loại hình cấu trúc tuyến tính này phù hợp với những bài toán tự đọng nhỏ, không phức tạp. Khối được chọn phải là khối OB1, la khối mà PLC luôn quét và thực hiện các lệnh trong đó thường xuyên, từ lệnh đầu tiên đến lệnh cuối cùng và quay lại lệnh đầu tiên. b.Lập trình có cấu trúc: Chương trình được chia thành những phần nhỏ và mỗi phần thực thi những nhiệm vụ chuyên biệt riêng của nó, tong phần này này nằm trong những khối chương trình khác nhau. Loai hình cấu trúc này phù hợp với những bài toán điều khiển nhiệm vụ và phức tạp. PLC S7-200 có 3 lọai khối cơ bản sau: - Loại khối OB1 (Organization Block ): Khối tổ chức và quản lí chương trình điều khiển. Khối này luôn thực thi, và luôn được quét trong mỗi chương trình quét. - Loại khối SBR ( Khối chương trình con ): Khối chương trình với những chức năng riêng giống như một chương trình con hoặc một hàm ( chương trình con có biến hình thức). Mét chương trình ứng dụng có thể có nhiều khối chương trình con và các khối chương trình con này được phân biệt với nhau bằng tên của chương trình con đó. - Loại khối INT ( Khối chương trình ngắt ): Là loại khối chương trình đặc biệt có khả năng trao đổi một lượng dữ liệu lớn với các khối chương trình khác. Chương trình nay sẽ đươc thực thi mỗi khi có sự kiên ngắt xảy ra. 2.3.1.5 Các loại PLC S7-200 ( Siemens ): Các loại PLC thông thường: CPU222, CPU224, CPU224XP ( Có 2 cổng giao tiếp ), CPU226 ( Có 2 cổng giao tiếp ),CPU226XM. Thông thường S7-200 được phân ra 2 loại chính: Loại cấp điện áp 220VAC: Ngõ vào: Tích cực mức 1 ở cấp điện áp +24VDC ( 15VDC – 30 VDC ) Ngõ ra: Ngõ ra Rơle Ưu điểm của lọai này là ngõ ra Rơle, do đó có thê sử dụng ngõ ra ở nhiều cấp điện áp (có thể xử dụng ngõ ra 0V, 24V, 220V…) Tuy nhiên, nhược điểm của nó: Do ngõ ra Rơle nên thời gian đáp ứng của Rơle không đươc nhanh cho ứng dụng điều rộng xung, hoặc Output tốc độ cao… Loại cấp điện áp 24VDC: Ngõ vào: Tích cực mức 1 ở cấp điện áp +24VDC ( 15VDC – 30VDC ) Ngõ ra: Ngõ ra Transistor Ưu điểm của loại này là ngõ ra Transistor, do đó có thể sử dụng ngõ ra này để điều rộng xung, hoặc Output tốc độ cao… Tuy nhiên nhược điểm của nó: do ngõ ra Transistor nên ngõ ra chỉ có một cấp điện áp duy nhất là +24VDC, do vậy sẽ gặp rắc rối trong những ứng dụng có cấp điện áp ra là 0VDC, trong trường hợp này buộc ta phải thông qua 1 VDC đệm. 2.3.1.6 Các khối trong S7-200 ( Siemens ): 2.3.1.6.1 Khối Program Block: Có 3 khối chính a. Khối OB1: Là khối chứa chương trình chính,và luôn được quét trong mỗi chương trình quét, là khối chính trong việc thiết kế chương trình. b. Kối chương trình con: Là khối chứa chương trình con, khối này sẽ được thực thi khi nó được gọi trong chương trình chính. c. Khối chương trình ngắt: Là khối chứa chương trình ngắt, khối này sẽ được thực thi khi có sự kiện ngắt xảy ra. Trong một chương trình, luôn mặc định có một chương trình chính Main, chương trình con SBR_0, và chương trình ngắt INT_0, tuuy nhien ta có thể thêm một hoặc nhiều chương trình ngắt cũng như có thể xoá nó khi không cần thiết bằng cách Click chuột phảI rối chọn Insert Subroutine hay Interrupt. 2.3.1.6.2 Khối Data Block: Khối chứa dữ liệu của một chương trình, ta có thể định dạng trước dữ liệu cho khối này, và khi Download xuống PLC, thì toàn bộ dữ liệu náy sẽ được lưu trong bộ nhớ. 2.3.1.6.3 Khối System Block: Có 10 khối chính: a. Communication ports: Định dạng cho cổng giao tiếp bao gồm : Địa chỉ PLC ( PLC Address ): Địa chỉ mặc định cho PLC là 2, ta có thể thay đổi địa chỉ cho PLC khác 2. Việc định địa chỉ cho PLC đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối mạng. Ngoài ra trong Port giao tiếp ta cũng cần chọn, tôc độ Baud cho việc truyền thông. Tốc độ Baud mặc định la 9600. Retentive Ranges: Trong S7-200 cho phép ta chọn 5 phân vùng có thể lưu trữ dữ liệu khi mất điện, nếu ta chọn vùng dữ liệu nào trong Retentive thì giá trị của vùng đó sẽ vẫn không thay đổi khi mất điện, ngược lạigiá trị đó sẽ bị Reset về 0 khi mất điện. Password: S7-200 có 3 mức ( Level Password ): để bảo đảm bảo mật về bản quyền thông thường người sử dụng nên chọn mức Password cao nhất. Số ký tù trong Password tối đa là 8 ký tù. Trường hợp PLC đã cài Password thì người không có Password không thể Upload chương trình từ PLC, ngược lại có thể Download chương trình mới xuống PLC bằng cách gõ Clearplc khi phần mềm hỏi Password khi Download, trường hợp khi ta gõ Clearplc thì toàn bộ dữ liệu cũ sẽ hoàn toàn mất. Output Table: Ngõ ra của PLC cho phép ta chọn trạng thái On hay Off khi PLC chuyển từ trạng thái Run sang Stop, chế độ mặc định của phần mềm là tất cả trạng thái ngõ ra Off khi chuyển trạng thái. Input Filter: S7-200 cho phép ta chọn thời gian lọc của các tín hiệu ngõ vào, thời gian lọc là thời gian mà ngõ vào phải không đổi trạng thái trong khoảng thời gian lọc đó thì PLC mới cho phép nhận trạng thái đó. Trạng thái lọc mặc định là: 6,4ms: Ngõ vào phải giữ On trong khoảng thời gian >= 6,4msthì PLC mới hiểu ngõ vào đó lên 1. Pulse catch Bist: PLC cho phép người sử dụng chọn ngõ vào có thể bắt những tín hiệu nhanh khi chu kỳ quét chưa kịp quét, Tín hiệu đó sẽ được giữ cho tới khi chu kì quét được thực hiện. Configure Led: PLC cho phép ta định dạng trạng tháI của Led system faul, hoặc Led diagnostics, trạng thái Led này cho phép ta định dạng màu cam, đỏ,… khi chương trình gặp sự cố. 2.3.1.7 Cách giao tiếp giữa máy tính và PLC: Để có thể giao tiếp giữa máy tính và PLC cho thực hiện việc Download hoặc Upload cho PLC, ta phải thực hiện các bước sau: Chọn cổng giao tiếp: Trường hợp cáp giao tiếp là cáp USB thì cổng giao tiếp phải chọn USB. Trường hợp cáp giao tiếp là cáp COM thì phải chọn đúng cổng giao tiếp của máy tính. Để có thể chọn cổng giao tiếp,vào mục Communication, chọn Set PG/PC Interface Sau đó chọn Properties của PC/PPI cable ( PPI ) Trong Tab PPI: chọn đúng tốc độ Bauds ở phần Tranmission Rate: Tốc độ dể mặc định là 9600, tốc độ Baud mặc định ở cáp cũng là 9600 ( tốc độ Baud này chỉ áp dụng đối với cáp cổng COM ), trên cáp COM, cho phép ta chọn nhiều mức tốc độ Baud khác nhau. Trong phần Local Connection: Cho phép ta chọn cổng COM Sau khi chọn cổng COM, bước kế tiếp là phải chọn địa chỉ PLC, thông thường địa chỉ mặc định của PLC là 2, nếu địa chỉ PLC khác 2 thì ta phải chọn địa chỉ đúng trước khi thực hiên việc Communication. Trường hợp nếu không biết địa chỉ PLC ta có thể thực hiên như sau: Vào phần Communication, chọn Search all baud rate sau đó double click vào phần “ double click to refresh” khi đó chương trình sẽ tự nhận địa chỉ PLC. Sau khi chọn xong cổng COM cũng như địa chỉ PLC, ta thực hiện việc Download cũng như Upload. Chọn mòi tên xuống cho việc Download,mũi tên lên cho việc Upload. Ngoài ra việc Communication còn có thể thực hiện bằng cách: Vào CPU click chuột phải chọn Type Chọn read PLC, nếu liên thông được thì chương trình có thể đọc đựơc loại PLC, còn không thì nó sẽ báo, ta phải chọn lại cổng COM cũng như địa chỉ PLC trong phần Communication. 2.3.2 Các vùng nhớ S7-200: 2.3.2.1 Trong S7-200 có các vùng nhớ sau: I: Input, các ngõ vào số. Q: Output, các ngõ ra sè. M: Internal Memory, vùng nhớ nội. V: Variable Memory, vùng nhớ biến. AIW: Analog Input, ngõ vào Analog. AQW: Analog Output,ngõ ra Anaolog. T: Timer. C: Counter. AC: Con trỏ địa chỉ. Giới hạn vùng nhớ trong S7-200: CPU 221 222 224 226 Byte VB 0-2047 0-2047 0-5119 (V1.22) 0-5119 (V1.23) 0-8191 (V2.00) 0-10239 (V2.00) 0-10239 (XP) IB 0-15 0-15 0-15 0-15 QB 0-15 0-15 0-15 0-15 MB 0-31 0-31 0-31 0-31 SMB 0-179 0-299 0-549 0-549 AC 0-3 0-3 0-3 0-3 2.3.2.2 Định dạng dữ liệu: Kiểu Bool: VD: Q0.0, I0.0, V2.3, M1,7… Mét biến kiểu Bool chỉ có 2 giá trị là 0 hoặc 1 (True hoặc False) Đối với ngõ IN: Trạng thái mức 0: Mức áp bé hơn 15VDC,hoặc ở trạng thái ngõ vào tổng trở cao Trạng tháI mức 1: 24V(15VDC-30VDC): so với0VDC cấp cho chân M ở ngõ Input Đối với ngõ Output: Trạng thái mức 0: Hở tiếp điểm hoặc ngõ ra tổng trở cao ( High Z ). Trạng thái mức 1: Xuất 24V hoặc đóng tiếp điểm. *Kiểu Byte: 1 Byte = 8 Bit. Suy ra 1 giá trị Byte trong khoảng:0-(28-1) hay 0-255 VD : QB0, MB3, VB10, SMB2… *Kiểu Word: 1 Word = 2 Byte = 16 Bit. Suy ra, giá trị 1 Word trong khoảng 0-(216-1) VD: ID0, QD0, MD3, VD10,… MD0 = MW0 + MW2 = MB0 + MB1 + MB2 + MB3, Trong đó MB0 là byte cao nhất, MB3 la byte thấp nhất. *Kiểu Int: Sè nguyên Mét biến kiểu Int tương đương 1 Word, nghĩa là dung lượng của một biến kiểu Int cũng gồm 16Bit. Tuy nhiên, biến kiểu Int và Word cũng có những điểm khác nhau như: - Biến kiểu Word là biến không dấu,biến kiểu Int có dấu (Bit trọng số cao nhất là Bit dấu) - Giá trị 1 Word: 0-(216-1), giá trị 1 Int (-215) – (231-1) (Do có 1 Bit dấu) - Định dạng một biến kiểu Word phải có 16# đứng đầu, còn Int thì không. VD: 16#1234, 16#ABCD: mét Word. 1,5,100,250…: mét Int. *Kiểu DInt: Số nguyên Mét biến kiểu DInt tương đương một DWord, nghĩa là dung lượng của một biến kiểu Int cũng gồm 32 Bit. Tuy nhiên, biến kiểu DInt và DWord cũng có những điểm khác nhau như sau: - Biến kiểu DWord là biến không dấu, biến kiểu DInt có dấu(Bit trọng số cao nhất là Bit dấu). - Giá trị 1 DWord: 0-(232-1), giá trị 1 Int (-231) – (231-1) (Do có 1 Bit dấu) - Định dạng một biến kiểu DWord phải có 16# đứng đầu, còn DInt thì không. VD: 16#12345678, 16#ABCDABCD : mét Word 1,5,100,250… : mét DInt *Kiểu Real: Sè thực Mét biến kiểu Real 32bit , nghĩa là vùng nhớ cũng là DWord. Định dạng phải có dấu “ . ” Thập phân. VD: 1.5, 2.3, 0.09, 1.0, 100.2… 2.4 GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU. 2.4.1 CÊu tạo của động cơ điện một chiều. 2.4.1.1 Phần tĩnh( phần cảm hay còn gọi là phần tạo ra từ trường): a. Cực từ chính: Cực từ chính là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt, cực từ và dây cuốn kích từ ngoài lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ đựơc làm bằng lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày từ 0.5 đến 1mm Ðp lại và tán chặt , còng có thể dùng thép khối. Cực từ được dán chặt vào vỏ máy nhờ các bu lông. Dây cuốn kích từ đựơc cuốn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều đựơc bọc thành một khối và tẩm sơn cách điện trứoc khi đặt lên các cực từ. Cuộn kích từ đặt lên các cực từ đựơc nối tiếp với nhau. b. Cực từ phụ: Đựơc đặt xem kẽ với cực từ chính, xung quanh các cực từ phụ có dây quấn cực từ phụ. Dây quấn cực từ phụ đấu nối tiếp với dây quấn roto, nhiệm vụ của cực từ phụ là triệt tiêu từ thông phấn ứng( từ trừong do dòng roto sinh ra). Trên vùng trung tính hình học để hạn chế xuất hiện của tia lửa điện trên chổi than và cổ góp. c.Vỏ máy( gông từ): Gông từ dùng để làm mạch từ nối tiếp các cực từ, đồng thời làm vỏ máy. Trong động cơ điện một chiều nhỏ và vừa thường dùng thép tấm dày, uốn và hàn lại , với động cơ lớn thường dùng thép đúc. 2.4.1.2 Phần quay: a. Lõi sắt phần ứng: Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ. Thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện( thép hợp kim silic) dày 0.5 mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi Ðp chặt lại để giảm hao tổn do dòng điện xoáy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi Ðp lại thì đặt dây cuốn vào. b. Dây cuốn phần ứng: Dây cuốn phần ứng là phần sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua. Dây cuốn phần ứng thường được làm bằng dây đồng có bọc cách điện. Trong động cơ nhỏ thường dùng dây có tiết diện tròn, còn với động cơ vừa và lớn thường dùng dây có tiết diện chữ nhật. Dây cuốn được cách điện cẩn thận với lõi thép. c.Cổ góp: Cổ góp (còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều) dùng để đổi chiều của dòng điện xoay chiều thành một chiều. 2.4.2 Phân loại động cơ điện một chiều: Tùy theo cách mắc mạch kích từ so với mạch phần ứng mà động cơ điện một chiều được chia ra: Động cơ điện một chiều kích từ độc lập (hình 3.1) Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau, lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ độc lập. - + U1 IKT KT + - U2 E Iư Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý nối dây động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Động cơ điện một chiều kích từ song song (hình 3.2) - + IKT E Iư Hình 2.7. Sơ đồ nguyên lý nối dây động cơ điện một chiều kích từ song song. Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi thì mạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng, lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ song song. Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp (hình 3.3) E + - KT§2 I­ Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý dây động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp. Đặc điểm của động cơ kích từ nối tiếp là cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng, nên cuộn kích từ có tiết diện lớn, điện trở nhỏ, số vòng Ýt, chế tạo dễ dàng. Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp (hình 3.4) E + - KT§2 I­ IKT KT§1 Hình 2.9. Sơ đồ nguyên lý nối dây động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp. Đặc điểm từ thông của máy là tổng hợp các từ thông của các cuộn kích từ song song và kích từ nối tiếp, do vậy nó tận dụng được những đặc tính cơ bản của hai loại trên tùy theo cách đấu dây để sử dụng cuộn dây kích từ nào đóng vai trò chủ yếu. 2.4.3 Nguyên lý làm việc của dộng cơ điện một chiều: Khi đóng động cơ roto quay đến tốc độ n, đặt điện áp U kích từ nào đó lên dây quấn lên lên dây kích từ thì trong dây quấn kích từ có dòng ik và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông , tiếp điểm đó ở trong mạch phần ứng thì trong dây cuốn phần ứng sẽ có một dòng điện I chạy qua. Tương tác giữa từ thông và dòng điện phần ứng sinh ra mô men làm quay động cơ. Giá trị của Mômen điện từ được tính như sau: Trong đó: p : Sè đôi cực của động n : Sè thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ a : Số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng k : Hệ số kết cấu máy 2.4.4 Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Để thành lập phương trình đặc tính cơ ta xuất phát từ phương trình cân bằng điện áp của động cơ: Uư = Eư + (Rư + Rf)Iư = Eư + RIư (1) Trong đó: Uư: điện áp phần cứng (V) Eư: sức điện động phần ứng (V) Rư: điện trở của mạch phần ứng () Iư: dòng điện mạch phần ứng (A) với Iư = rư + fcf + fb + rct rư: điện trở cuộn dây phần ứng () fcf: điện trở cuộn dây phần phô () fb: điện trở cuộn dây phần ứng () rct: điện trở tiếp xúc của chổi điện () sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo công thức Eư = = = Trong đó: p - sè đôi cực từ chính N - sè đôi mạch dẫn nhanh song song của cuộn dây phần ứng - từ thông kích từ dưới một cực từ (Wb) - tốc độ góc (rad/s) k = - hệ số cấu tạo động cơ Từ phương trình (1), ta có: Eư = Uư - (Rư + Rf)Iư Chia cả hai vế cho ta được: hay (2) : đặc tính động cơ điện Mặt khác mô men điện từ của cơ điện được xác định bởi: suy ra Thế vào (2) ta được , đặc tính cơ theo mô men. Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì mô men trục điện cơ bằng mô men điện từ, ta kí hiệu là M, nghĩa là: Mđt = Mcơ = M ð (3) Giả thiết phản ứng phần ứng được bù đủ, từ thông = const thì phương trình đặc tính cơ điện (2) và phương trình đặc tính cơ là tuyến tính đồ thị của chúng được thể hiện như sau: 0 I®m Inm ω®m ω0 ω I 0 M®m Mnm ω®m ω0 ω M H×nh 2,10.a §Æc tÝnh c¬ ®iÖn cña ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu H×nh 2.10.b §Æc tÝnh c¬ cña ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu kÝch tõ ®éc lËp Theo các đồ thị trên khi Iư = 0 hoặc M = 0 ta có: : được gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ. khi = 0 ta có: Imn, Mnm, được gọi là dòng điện ngắn mạch và mô men ngắn mạch. Nhận xét: Nếu cho U, Rư + Rf, là hằng số thì phương trình (3) sẽ là phương trình bậc nhất: : gọi là độ sụt tốc độ ∆ω ω ω0 0 M Hình 2.11. Độ sụt tốc độ 2.4.4.1 Ảnh hưởng của các tham số đến đặc tính cơ Từ phương trình đặc tính cơ: Ta thấy có ba tham số ảnh hưởng đến đặc tính cơ đó là: từ thông động cơ điện áp phần cứng Uư và điện trở phần cứng động cơ. Ta lần lượt xét ảnh hưởng của từ tham sè. 2.4.4.2 Ảnh hưởng của điện trở phần ứng Giả thiết Uư = Uđm và = = const Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng ω ω0 0 M Mc Rf1 Rf2 Rf3 Rf4 Hình 2.12. Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi tăng điện trở trong mạch phần ứng. Tốc độ không tải lý tưởng: - Độ cứng của đặc tính cơ: Khi Rf càng lớn, càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc. + Rf = 0 ta có đặc tính cơ tự nhiên: ta có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng hơn tất cả các đường đặc tính có điện trở. + Rf khác không càng lớn thì càng nhỏ dần tới đặc tính cơ càng dốc Như vậy khi thay đổi điện trở phụ ta được một họ đặc tính cơ như hình 3.6, ứng với một tải phụ Mc nào đó, nếu Rf càng lớn thì tốc độ càng giảm, đồng thời dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch cũng giảm. Cho nên người ta thường sử dụng phương pháp này để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơ bản. Đặc điểm: + Tốc độ n bằng phẳng + Phạm vi điều chỉnh tốc độ + Vùng điều chỉnh tốc độ nđc < nđm + Việc điều chỉnh tốc độ thực hiện trong mạch phần ứng có dòng điện lớn, tổn hao vô Ých nhiều, hệ số động cơ giảm. 2.4.4.3 Ảnh hưởng của điện áp phần ứng Giả thiết từ thông = = const, điện áp phần ứng Rư = const trong thực tế thường giảm điện áp theo hướng giảm so với Uđm, ta có: - Độ cứng đặc tính cơ: Ta thấy tốc độ thay đổi theo sù thay đổi của điện áp phần ứng khi điện áp phần ứng giảm xuống thì tốc độ cũng giảm xuống. - Độ cứng đặc tính cơ: Như vậy khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta được một họ đặc tính cơ song song với đường đặc tính cơ tự nhiên như hình 3.7. Nhận thấy rằng khi thay đổi điện áp, thực chất là giảm áp thì mômen ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch của động cơ giảm và tốc độ của động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định. Vì vậy phương pháp này cũng được sử dụng để điều chình tốc độ động cơ và hạn chế dòng điện khi khởi động. Đặc điểm: Tốc độ điều chỉnh bằng phẳng. Phạm vi điều chỉnh rộng. Vùng điều chỉnh tốc độ nđc < nđm Để thực hiện phương pháp này ta cần phải có nguồn điện áp thay đổi được (bộ biến đổi điện áp bằng điện tử công suất). ω04 ω03 ω02 ω01 ω 0 U3 U2 U1 U®m(TN) M(I) Hình 2.13. Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập khi giảm điện áp phần ứng 2.4.4.4 Ảnh hưởng của từ thông Giả thiết điện áp phần ứng Uư = Uđm = const, điện trở phần ứng Rư = const. Muốn thay đổi từ thông ta thay đổi dòng điện kích từ Ikt động cơ. Trong trường hợp này: - Tốc độ không tải: - Độ cứng của đặc tính cơ: Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thông. Nên khi từ thông giảm thì tăng, còn sẽ giảm. Ta có một họ đặc tính cơ với tăng dần và độ cứng đặc tính giảm dần khi giảm từ thông. Mnm Φ2 Φ1 Φ®m ω0 ω01 ω02 ω Φ2 Φ1 Φ®m ,TN ,TN Inm I a) ω0 ω01 ω02 ω Mnm1 Mnm2 MC b) 0 0 M Hình 2.14. Đặc tính cơ (a) và đặc tính điện (b) của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi giảm từ thông. Ta nhận thấy rằng khi thay đổi từ thông: Dòng điện ngắn mạch: Mômen ngắn mạch: Các đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông được biểu diễn hình (2.14 a) và (2.14 b ). Với dạng mômen phụ tải Mc thích hợp với chế độ làm việc của động cơ thì giảm từ thông tốc độ động cơ tăng lên (hình 3.8b). Đặc điểm: - Tốc độ bằng phẳng. - Phạm vi rộng - Vùng điều chỉnh nđm < nđc - Với điều chỉnh tốc độ tổn hao Ýt, thực hiện trong máy kích từ thì dòng điện nhỏ, hiệu suất cao. 2.4.5 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều: Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn so với loại động cơ khác, không những có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạnh lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đặt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng. Thực tế có hai phương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều. - Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ. - Điều chỉnh điện áp cấp cho cuộn kích động cơ Cấu trúc phần lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bao giê cũng cần có bộ biến đổi. Các bộ biến đổi này cấp cho mạch phần ứng động cơ hoặc mạch kích từ động cơ. Cho đến nay trong công nghiệp sử dụng bộ biến đổi chính: - Bé biến đổi máy điện gồm: động cơ sơ cấp kéo mày phát một chiều hoặc máy điện khuếch đại (KĐM) - Bé biến đổi chỉnh lưu bán dẫn: chỉnh lưu TIRISTOR (CLT) - Bé biến đổi xung áp một chiều: TIRISTOR hoặc TRANZITOR (BBĐX) Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi mà ta có các hệ truyền động như:- Hệ truyền động máy phát-động cơ (F-Đ)- HÖ truyÒn ®éng m¸y ph¸t-®éng c¬ (F-§) - Hệ truyền động máy điện khuếch đại - động cơ (MĐKĐ - Đ) - Hệ truyền động khuếch đại từ - động cơ (T - Đ) - Hệ truyền động chỉnh lưu TIRISTOR - động cơ (KĐT - Đ) - Hệ truyền động xung áp - động cơ (XA - Đ) Theo cấu trúc mạch điều khiển các hệ truyền động, điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều có loại điều khiển theo mạch kín (ta có hệ truyền động điều chỉnh tự động) và loại điều khiển mạch hở (hệ truyền động điều khiển “hở”). Hệ điều chỉnh tự động truyền động cơ điện có cấu trúc phức tạp. Nhưng có chất lượng điều chỉnh cao và giải điều chỉnh rộng hơn so với hệ truyền động “hở”. Ngoài ra các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều còn được phân loại theo truyền động có đảo chiều quay và không đảo chiều quay. Đồng thời tùy thuộc vào các phương pháp hãm, đảo chiều mà ta có truyền động làm việc ở một góc phần tư, hai góc phần tư và bốn góc phần tư. Sau đây em xin nêu ra một số phương pháp điều chỉnh tốc độ đông cơ một chiều bắng cách điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng của động cơ điện: 2.4.5.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ sử dụng các bộ chỉnh lưu bán dẫn: Để thực hiện phương pháp điều chỉnh nay, cần phải có một nguồn cung cấp mà điện áp của nó có thể thay đổi được để cung cấp cho phần ứng của động cơ. Các nguồn điện áp này thường được tạo ra bởi một bộ chỉnh lưu bán dẫn có điều khiển ( Thysistor ) hoặc không có điều khiển ( Điôt ). Hình 2.15 : Điều chỉnh điện áp phần ứng bằng bộ điều chỉnh điện áp Và bộ chỉnh lưu Điôt Hình 2.16 : Điều chỉnh điện áp phần ứng bằng bộ chỉnh lưu có điều khiển Sơ đồ 2.15 muốn thay đổi điện áp đặt lên phần ứng đọng cơ ta phải sử dụng bộ điều chỉnh điện áp. Sơ đồ 2.16 điện áp đặt lên phần ứng động cơ phụ thuộc góc mở của Thysistor của bộ chỉnh lưu có điều khiển. 2.4.5.2 Điều chỉnh tốc độ động cơ khi sử dụng thiết bị điều chỉnh xung áp: Phương pháp điều chỉnh này là đóng ngắt động cơ vào nguồn cung cấp một cách có chu kỳ. Khi đóng động cơ vào nguồn cung cấp, năng lượng được đưa từ nguồn vào động cơ. Năng lượng này phần chủ yếu được truyền qua trục động cơ, phần còn lại được tích ở dạng động năng và năng lượng điện từ. Khi ngắt động cơ ra khỏi nguồn thì hệ truyền động vẫn tiếp tục làm việc nhờ năng lượng tích luỹ đó. Hình 2.17 : Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ tương đương của bộ điều chỉnh xung áp Hình 2.18 : Biểu đồ thời gian điện áp và dòng điện Trong hệ thống này nhờ một khoá chuyển đổi K ( có thể là chuyển mạch cơ khí hay chuyển mạch điện từ ). Mà phần ứng động cơ được đóng, ngắt một cách có chu kỳ vào nguồn điện một chiều có điện áp không đổi. Trong khoảng thời gian t1 khoá K đóng, động cơ được cấp nguồn, nếu bỏ qua sụt áp trên khoá K thì Ut = U. Trong khoảng thời gian t2 khóa K ngắt. Do ảnh hưởng của các điện cảm phía một chiều ( điện cảm phần ứng động cơ và điện cảm phần lọc nếu có ) dòng điện iu tiếp tục chạy qua Điôt D. Điện áp Ut ở giai đoạn này bằng sụt áp thuận trên Điôt nhưng ngược dấu Ut = Ud. Từ đồ thị ( Hình 2.18 ) ta thấy rằng trị số trung bình của dòng điện trong phần ứng itb quyết định tốc độ động cơ. Do đó, để thay đổi tốc độ động cơ chỉ cần thay đổi trị số của dòng điện trung bình trong phần ứng itb . Để thay đổi dòng điện trung bình itb, cò thể thay đổi t1 hoặc thay đổi t2 hoặc thay đổi cả t1 và t2. Nếu giữ nguyên chu kỳ đóng ngắt của khoá ( Tck = const) thay đổi t1 thì ta có phương pháp điều chỉnh xung theo độ rộng. Nếu giữ nguyên thời gian đóng khoá ( t1 = const ) và thay đổi t2 thì ta có phương pháp điều chỉnh tần số xung. Phương pháp biến đổi độ rộng xungđược sử dụng phổ biến hơn vì nó cho phạm vi điều chỉnh rộng hơn. Phương pháp điều chỉnh tần số xung có sơ dồ đơn giản hơn nhưng phạm vi điều chỉnh hẹp vì nếu tăng t2 quá lớn thì Tck nghĩa là về thực chất ý nghĩa điều chỉnh xung không còn nữa. 2.4.5.3 Phương pháp điều chỉnh điện áp một chiều có đổi chiều quay: Khi điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều, người ta thực hiện đổi chiều quay của nó theo nhiều cách khác nhau. Nếu chiều của dòng điện kích từ cố định đẻ đổi chiều quay của đọng cơ phải đổi cực tính của điện áp nguồn đặt vào phần ứng. Cũng có thể giữ nguyên điện áp cực tính phần ứng nhưng đỏi chiều dòng kích từ. Hình 2.19 : Sơ đồ nguyên lý thực hiện đảo chiều động cơ điện một chiều kích từ độc lập theo phương pháp thay đổi cực tính điện áp đặt vào phần ứng động cơ. Trong phương phá điều khiển này các cặp van K1 và K3, K2 và K4 thay nhau đóng ngắt. Thực hiện đảo chiều bằng cách: trong thời gian t1 cho K1 và K3 đóng ( K2 và K4 ngắt ) đầu A của phần ứng được nối với dưong nguồn, đầu B được nối với âm nguồn. Trong khoảng thời gian t2 cho K2 và K4 đóng ( K1 và K3 ngắt ) thì đầu B của phần ứng đựoc nối với dương nguồn còn đầu A của phần ứng được nối với âm nguồn. 2.4.5.4 Mét số phương pháp điều khiển tốc độ dùng Transistor và Thyristor: 2.4.5.4.1 Phương án điều khiển dùng Transistor: Khi điều khiển tốc độ động cơ công suất nhỏ và điện áp phần ứng nhỏ người ta thường dùng sơ đồ điều khiển Transistor rất dễ dàng tiện lợi, mạch điều khiển đơn giản, độ tin cậy cao, đặc biệt khi sử dụng phương pháp điều khiển xung. Phương án điều khiển tốc độ động cơ một chiều không đảo chiều quay dùng Transistor: Hình 2.20 : Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều không đảo chiều quay dùng Transistor T1 đóng vai trò tầng khuếch đại sơ bộ mắc theo kiểu Colletor chung ( mạch lặp Emitor) T2 và T3 là tầng khuếch đại công suất mắc theo kiểu Darlington để có công suất lớn ra. Chức năng của mạch do T2 quyết định còn T3 có tác dụng khuếch đại dòng điện ra. Nguyên lý hoạt động : khi có xung điều khiển Uv đưa vào bazơ của T1 sẽ tạo thiên áp cho T1 do đó T1 mở. Tín hiệu ra trên Emitor của T1 đưa vào bazơ của T2 làm cho T2 và T3 làm việc dẫn đến điện áp phần ứng của động cơ đựoc khuếch đại lên. Xung điều khiển có thể thay đỏi bằng cách điều chỉnh tần số xung ( độ rộng xung ) dẫn đến Ube của T1 thay đổi lamcho Ucc của T1 thay đổi theo, qua khuếch đại công suất T2 và T3 làm cho điện áp đặt vào phần ứng của động cơ một chiều thay đổi, do đó tốc độ động cơ thay đổi. Phương án điều khiển có đảo chiều quay: Nguyên lý làm việc: Ở chế độ quay thuận : Người ta đua xung điều khiển Udk1 vào cực bazơ của T1 và T4 lúc này cả 2 Transistor T1 và T4 đều mở do đó có dòng điện đi từ dương nguồn qua T1 dến phần ứng động cơ rồi qua T4 về âm nguồn, đọng cơ quay theo chiều thuận. Hình 2.21 : Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều có đảo chiều quay Ở chế độ quay ngược : khi cả 4 Transistor đều khoá, để động cơ quay ngược lại người ta đưa xung điều khiển Udk2 vào cực bazơ của T2 và T3 dẫn đến cả hai Transistor T2 và T3 đều mở, dòng điện đi từ dương nguồn qua T2 đến phần ứng động cơ rồi qua T3 về âm nguồn. Động cơ quay theo chiều ngược lại. Hình 2.22 : Sơ đồ nguyên lý mạch đảo chiều động cơ dùng Trasistor và khuếch đại thuật toán Hình 2.22 mô tả mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều có đảo chiều quay dùng khuếch đại thuật toán và đèn bán dẫn công suất. Mạch gồm 2 tầng khuếch đại : Tầng 1 là tầng khuếch đại điện áp đầu vào sử dụng bộ khuếch đại thuật toán 741. Tầng 2 là tầng khuếch đại công suất dùng T1, T2, T3, T4 ghép kiểu Darlington. Điện áp cung cấp cho tầng khuếch đại công suất là 12V. Mạch phản hồi âm được báo từ đầu ra cuối cùng của khuếch đại thuật toán. D1, D2 là 2 Điôt ổn định điện áp cho khuếch đại thuật toán. Tụ C1 và C2 cùng với R10 có tác dụng lọc thành phần xoay chiều do động cơ làm việc ở chế độ máy phát khi ta đổi chiều quay. Rf là điện trở mạch phản hồi. Nguyên lý hoạt động: Khi Udk có tính cực dương thì ở chân 6 của bộ khuếch đại thuật toán có điện áp âm dặt vào bazơ của T1 và T2 do T1 là loại npn và T2 là loại pnp do đó T1 khoá còn T2 dẫn. Khi T2 dẫn thì âm nguồn (-12V ) qua R5, qua T2 ( lóc này dẫn ) đặ vào bazơ của T3 và T4. Còng do T3 loại npn, T4 là loại pnp do đó T3 bị khoá còn T4 dẫn. Do T2 và T4 dẫn nên có dòng điện đi từ 0 qua động cơ qua T4 rồi về âm nguồn (-12V ) động cơ quay theo một chiều nhất định. Đây là sơ đồ mạch phản điên âm điện áp. Nguyên tắc giữ ổn định tốc độ như sau: Giả sử tốc độ động cơ giảm dòng điện Id tăng làm điện áp tại đầu ra là Ur giảm. Thông qua điện trở phản hồi Rf điện thế ở đầu vào chân 2 của khuếch đại thuật toán tăng lên vì U2 = Udk - Ur mà Udk = const nên Ur giảm thì U2 tăng. Khi điện áp ở đầu vào 2 của khuếch đại thuật toán tăng thì điện áp ở đàu ra 6 cũng tăng theo làm cho Ur tăng. Ur tăng làm cho tốc độ động cơ tăng lên. Ngược lại khi Udk có cực tính âm thì đầu ra 6 có điện áp dương đặt vào bazơ của T1 và T2. Lúc này T1 và T3 dẫn còn T2 và T4 khoá, do đó sẽ có dòng đi từ dương nguồn (+12V) qua T3 qua động cơ rồi về 0 làm cho động cơ quay theo chiều ngược lại. Quá trình tự động giữ ổn định tốc độ động cơ giống như trên. 2.4.5.4.2 Phương án điều khiển dùng Thyristor : Khi điều khiển động cơ có công suất lớn và điện áp phần ứng cao người ta cũng có thẻ dùng Transistor nhưng phải sử dụng các Transistor dặc biệt có thể dùng với điện áp cao và dòng điện lớn. Tuy nhiên phương án dùng Thyristor bị hạn chế vì giá thành linh kiện rất đắt. Khi điều khiển động cơ có điện áp phần ứng lớn lúc đó dùng Trasistor là không hợp lý ta phải sử dụng phương pháp điều khiển dùng Thyristor . Hình 2.23 : Sơ đồ điều chỉnh tốc đọ động cơ một chiều dùng Điôt và Thyristor Trong đó: D1, D2, D3, D4 làm thành mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ. L và D5 có tác dụng san bằng dòng điện. Thyristor T có tác dụng điều chỉnh điện áp ra của bộ chỉnh lưu. 2.4.6 Đảo chiều động cơ: a) b ) Hình 2.24 : Sơ đồ nối dây động cơ điện một chiều khi đảo chiều từ thông hoặc khi đảo chiều dòng điện phần ứng Chiều từ lực tác dụng vào dòng điện được xác định theo quy tắc bàn tay trái. Khi đảo chiều quay từ thông hay đảo chiều dòng điện thì từ lục có chiều ngược lại.Vậy muốn đảo chiều động cơ điện một chiều có thể thực hiện một trong hai cách như hình vẽ trên và đường đặc tính cơ của động cơ khi quay thuận và khi quay ngược là đối xứng nhau qua gốc toạ độ. Phương pháp đảo chiều từ thông thực hiện được nhẹ nhàng vì mạch từ thông có công suất nhỏ hơn mạch phần ứng. Tuy vậy vì cuộn kích từ có số vòng dây lớn, hệ số tự cảm lớn, do đó thời gian đảo chiều tăng lên nên phương pháp này Ýt được sử dụng. Ngoài ra dùng phương pháp đảo chiều từ thông thì khi từ thông qua trị số không có thể làm tốc độ tăng quá, không tốt cho động cơ. 2.4.7 Mét số hình ảnh về máy điện 1 chiều a.Mô hình máy 1 chiều: b.Động cơ 1 chiều servo: c.Động cơ 1 chiều Siemens: CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ TÍNH TOÁN VÀ LÙA CHỌN CÁC PHẦN TỬ CHO MÔ HÌNH Dùa vào các yêu cầu công nghệ và dưới sự hướng dẫn của thầy Lưu Đức Dũng và các cán bộ tại trung tâm thực hành chúng em đã chọn ra phương án chế tạo mô hình cửa tự động. - Trong truyền động sẽ dùng động cơ một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu. - Để điều chỉnh tốc độ động cơ dùng phương pháp thay đổi điện áp phần ứng. - Dùng Encoder để đo hành trình của cửa. - Dùng PLC để điều khiển hoạt động của cửa. - Dùng cảm biến hồng ngoại Từ những tiêu chí trên chúng em đã tính tóan và lùa chọn thông số của các phần tử chính dùng để chế tạo mô hình như sau: 3.1. CÁC PHẦN TỬ CƠ : 3.1.1 Khung: Hình 3.1. Khung mô hình của tự động Khung cửa sẽ được chế tạo hòan tòan bằng sắt hộp vuông kích thước cạnh là 1cm và chiều dày của sắt là 1mm Với kích thước của khung như vậy chúng em đã lùa chọn phần tử chuyển động của cửa là dùng con lăn sắt chạy trên đường ray bằng gỗ nhằm đảm bảo cho cánh cửa chuyển động êm và chắc chắn. 3.1.2 Con lăn: Con lăn bằng sắt được dùng là loại có sẵn tại xưởng chế tạo và lắp ráp nơi chúng em thực hiện đồ án tốt nghiệp này. Hình dạng và kích thứơc của con lăn như sau: Hình 3.2. Con lăn 3.1.3 Đường ray: Đường ray được chế tạo bằng gỗ có hình dáng và kích thước như sau: Hình 3.3. Đường ray Chiều dài của cả đừong ray là 1200m 3.1.4 Pu li: Pu li được làm bằng nhựa và với hình dạng và kích thước: Hình 3.4. Pu li a) Pu li gắn phía bên trục động cơ b) Pu li gắn bên còn lại 3.1.5 Cánh cửa: Hình 3.5.Cánh cửa 3.2 CÁC PHẦN TỬ ĐIỆN: 3.2.1 Động cơ: Trong mô hình này động cơ truyền động chỉ cần loại động cơ công suất nhỏ từ 20W đến 40W. Với yêu cầu như vậy ta tìm mua trên thị trường động cơ dùng trong đồ án này với thông sè: Điện áp làm việc : 24 V Công suất : 30W Hình 3.6. Động cơ sử dụng trong mô hình 3.2.2 Encorder: Encoder là loại Encoder gia sè xung với điện áp làm việc là 5V Hình 3.7. Encoder sử dụng trong mô hình 3.2.3 Cảm biến: Lùa chọn cảm biến hồng ngoại. 3.2.3.1 Diode phát hồng ngoại Hình 3.8. Cấu tạo và kích thứơc của Diode phát hồng ngoại - Diode phát hồng ngoại được sử dụng là loại Diode có 940nm. Góc phát giới hạn trung bình là . - Công suất tiêu tán là 200mW. Điện áp làm việc là 5V, dòng làm việc cho phép là 100mA. Công suất phát tiêu hao trên nhiệt độ là 2.67mW/ ở 25 . 3.2.3.2 Sensor thu hồng ngoại Sensor thu sử dụng là loại sensor PNA4602M hoạt động ở tần số sóng mang 38Khz. Hình dạng của sensor như hình vẽ. Hình 3.9. Cấu tạo và kích thước của sensor thu hồng ngoại  Nguyên lý hoạt động của sensor: Khi không có hồng ngoại điện áp ra Vo =Vcc = +5V Khi có hồng ngoại điện áp ra Vo=Vcc-0.7V 3.2.4 PLC: PLC sử dụng trong mô hình là loại S7 – 200 CPU 222. Hình 3.10. PLC S7- 200 CPU 222 Cấu trúc của PLC này bao gồm một CPU và các module mở rộng cho nhiều ứng dụng khác nhau. Đặc điểm và thông số của PLC Kích thước(mm) 90x80x62 Bộ nhớ chương trình 2048words Bộ nhớ dữ liệu 1024words Cổng logic vào 8 Cổng logic ra 6 Module mở rộng 2 Digital I/O cực đại 128/128 Analog I/O cực đại 16In/16Out Bộ đếm(Counter) 256 Bộ định thời(Timer) 256 Tốc độ thực thi lệnh 0.37micro giây Khả năng lưu trữ khi mất điện 50 giê 3.2.5 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, 5.0V và 7.5V - PLC cần 12V và 24V một chiều có lọc -> Nguồn từ biến áp 9.5V và 19V - Bóng đèn loại 24 V -> cấp 20 V - Encoder 5V mét chiều có lọc và ổn áp -> Nguồn từ biến áp 5.5V - Vi xử lý 5V một chiều có lọc và ổn áp-> Nguồn từ biến áp 5.5V 220V 3.5 V 5.0 V 7.5 V 24 V 9.5 V 20 V 5.5 V 5.5 V Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý máy biến áp Tính chọn máy biến áp: Chọn lõi biến áp hình chữ E: Hình 3.12. Lõi biến áp a = 4cm, b = 5.5cm, l= 2.3cm, h= 5.8cm Hệ số quấn dây s= a.b = 4 x 5.5 = N0 = = 2,27 -> lấy = 2.3(vòng/vol) 14. Số vòng dây Cuộn sơ cấp W1 = N0.U1max = 2.3 x 220 = 5.06(vòng) Cuộn thứ cấp W2 = N0.U2max (vòng) 3.5V -> 8 vòng 5V -> 11 vòng 5.5V -> 13 vòng 7.5V -> 17 vòng 9.5 V -> 22 vòng 20V -> 46 vòng 20V -> 46 vòng 3.3 CÁC SƠ ĐỒ VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 3.3.1 Lưu đồ chương trình 3.3.2 Giản đồ thang: 3.3.3 Sơ đồ mạch lực động cơ: CHƯƠNG 4 CÁC PHỤ KIỆN TRANG TRÍ Nhìn chung do nhu cầu khách hàng thì cửa sẽ có nhưng phụ kiện trang trí đi kèm: đèn nhấp nháy, chữ chạy, đồng hồ... các phụ kiện này sẽ được điều khiển bằng 1 vi điều khiển riêng ( không trùng với vi điều khiển điều khiển cửa nếu cửa dùng vi điều khiển). Đây là những mạch điện tử kinh điển và rất hay gặp trong thực tế. Một số ví dụ: 4.1 Mạch đèn nháy : 4.2 Mạch đèn nháy dùng IC 4017: CODE #include  void delay(unsigned int ms) {unsigned int i;unsigned char j;for(i=0; i<ms; i++)for(j=0; j<120; j++);}void tatDen(){P0 = 0x00;}void batDen(){P0 = 0xFF;}void main() {while(1) {batDen();delay(1000);tatDen();delay(1000);}unsigned int i;unsigned char j;for(i=0; i<ms; i++)for(j=0; j<120; j++);}void tatDen(){P0 = 0x00;}void batDen(){P0 = 0xFF;}void main() {while(1) {batDen();delay(1000);tatDen();delay(1000);} 4.3 Mạch chữ chạy ( các file đính kèm ) TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Máy điện 1 và 2 – Vò Gia Hanh, Phan Tử Thụ, Nguyễn Văn Sáu NXBKHKT 2002 2. Lý thuyết điều khiển tự động – Nguyễn Doãn Phước NXBKHKT 2002 3. Cảm biến – Phan Quốc Phô NXBKHKT 2002 4. Các nguồn thông tin từ internet: MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan bản đồ án : "Tìm hiểu và thiết kế mô hình hệ thông cửa đóng mở tự động" là do em tự hoàn thành dưới sự hướng dẫn của thầy Lưu Đức Dũng Các số liệu và kết quả hoàn toàn đúng với thực tế tham khảo mô hình hệ thống cửa đóng mở tự động tại Trung tâm thực hành kỹ thuật điện tử – Trường Đại Học Dân Lập Phương Đông Để hoàn thành bản đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu đã được nêu trong bảng những tài liệu tham khảo mà không sử dụng bất cứ loại tài liệu nào khác. Nếu có sự sao chép không đúng em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Sinh viên KẾT LUẬN ĐÁNH GIÁ VỀ ĐỒ ÁN Đồ án “Tỡm 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 thờm tớnh 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 phần thiết thực vào việc cải thiện công tác giảng dạy và học tập bộ môn Tự động hóa trong các nhà trường.