Một số hệ thống điều khiển

Chương 21: Một số hệ thống điều khiển 2.1.Hệ thống điều khiển dùng rơ le. Rơ -le là một công tắc điện có khả năng chịu được dòng cao, được tác động gián tiếp bởi dòng điện điều khiển có cường độ thấp. Nó là thành phần quan trọng trong các hệ thống điều khiển hiện đại. Rơ le lúc đầu được sử dụng trong hệ thống đơn giản dùng vào việc khuyếch đại công suất các tín hiệu điện tín để truyền đi xa. Sau này rơ le cho phép thực hiện các hệ thống tinh vi hơn và được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị công nghiệp với nhiệm vụ là tạo sự giao tiếp giữa các tín hiệu ở mức điện áp thấp và (5-24 V) từ các bộ điều khiển đến các thiết bị công suất hoặc cơ cấu tác động làm việc với điện áp và dòng cao. Tất cả các rơ le đều có cấu tạo về cơ để đóng/ mơ ûtiếp điểm. Chính cấu tạo này làm hạn chế tốc độ tác động, tuổi thọ và độ tin cậy. Một số nhược điểm nữa là rơ le cồng kềnh, chiếm nhiều không gian trong tủ điều khiển và không kinh tế trong trường hợp chỉ làm các nhiệm vụ như một công tắc đơn giản. Một hệ thống điều khiển dùng rơ le có thể có đến vài trăm rơ le, trong đó một rơ le có thể đóng/ mở nhiều tiếp điểm đồng thời. Đặc điểm chung của hệ thống này là dễ thiết kế và lắp đặt. Toàn bộ công việc điều khiển được thực hiện thông qua phối hợp trình tự hoạt động của các rơ le. Bằng cách kết nối các tiếp điểm ở ngõ vào và ngõ ra của các rơ le theo kiểu nối tiếp hoặc song song có thể tạo ra các logic điều khiển. Việc tổ hợp các phần tử logic khác nhau có thể dùng để tạo ra các chương trình điều khiển phức tạp. Tuy nhiên cách thức kết nối như vậy thành mạch điều khiển khó có thể thay đổi được hoạt động điều khiển. Đây là một trong những nhược điểm của rơ le. 2.2.Hệ thống điều khiển dùng máy tính Máy tính số là một bộ máy điện tử xử lý thông tin ở dạng nhị phân. Nó rất phù hợp để tính toán và lưu trữ lượng thông tin lớn. Sơ lược về ứng dụng máy tính trong điều khiển. Máy tính được ứng dụng trong điều khiển quá trình từ giữa thập niên 1950. Các hãng chế tạo máy tính đã cố gắng ứng dụng những ưu điểm của nó vào việc điều khiển các quá trình sản xuất hoá chất và đã đạt được kết quả tương đối khả quan. Tuy nhiên, thời điểm đó phần cứng của máy tính còn đắt tiền, tốc độ xử lý chậm và cấu tạo rất cồng kềnh. Sau này cùng với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử, các máy tính ngày càng nhỏ hơn và tốc độ xử lý nhanh hơn, giá thành hạ giúp cho việc ứng dụng máy tính trong điều khiển có hiệu quả kinh tế và hấp dẫn các nhà thiết kế hệ thống điều khiển. Bên cạnh đó ngôn ngữ lập trình cho máy tính cũng ngày càng phong phú, thuận lợi cho các ứng dụng điều khiển. Hoạt động của máy tính. Cấu tạo của máy tính gồm có : khối xử lý trung tâm, bộ nhớ và các khối vào /ra. Bộ xử lý trung tâm có chức năng giám sát và điều khiển mọi hoạt động bên trong của máy tính bằng cách thực hiện tuần tự các lệnh đã được lưu trữ trong bộ nhớ của máy tính. Bộ nhớ cũng được dùng để lưu trữ những giữ liệu tạm thời trong khi thực hiện chương trình. Máy tính liên các với các thiết bị bên ngoài như các bộ chuyển đổi tín hiệu và các cơ cấu tác động thông qua các khối vào ra. Các khối vào ra hoặc là có sẵn trên hệ thống máy tính như các máy in, bàn phím chuột.. hoặc là các mạch vào ra được thiết kế chuyên dùng phù hợp cho việc giao tiếp với các thiết bị bên ngoài theo từng ứng dụng cụ thể. Bộ chuyển đổi tín hiệu ngõ vào Bộ nhớ dữ liệu Đơn vị xử lý số học và logic Chương trình Khối xuất tín hiệu ra Cấu trúc máy tính cơ bản. Khối vào ra dùng để đưa dữ liệu của quá trình điều khiển vào bộ xử lý trung tâm. Bộ xử lý trung tâm sẽ xử lý các tín hiệu nhận được theo chương trình đã lập sẵn để đưa ra những tín hiệu lệnh tương ứng và đến từng địa chỉ ngõ ra cụ thể để khối ngõ ra thực hiện. Sự phát triển của các bộ vi xử lý có vai trò như là chất xúc tác cho sự vươn lên của điều khiển bằng máy tính, mang lại kết quả không chỉ ở việc làm giảm chi phí và kích thước của phần cứng một cách đầy ấn tượng mà còn cung cấp khả năng xử lý mạnh cho các máy tính. Bộ vi xử lý của máy tính có khả năng thực hiện các logic cần thiết để nhận dạng và thực thi các lệnh của chương trình. Khả năng của máy tính trong điều khiển Hiện nay máy tính với cấu hình mạnh, giá rẻ cho phép ứng dụng vào những công việc điều khiển hệ thống theo trình tự và điều khiển liên tục với những thủ tục truyền thông đơn giản, dễ áp dụng. Ơû những quá trình sản xuất lớn dần dần các máy vi tính đã được sử dụng thay thế cho các máy tính lớn mà vẫn đảm bảo được độ tin cậy và hiệu quả thực hiện. Mỗi máy vi tính có thể điều khiển tốt cho từng thiết bị và thực hiện được khả năng giao tiếp truyền thông bao gồm truyền và nhận dữ liệu với máy chủ là máy thực hiện vai trò giám sát . 2.3. Hệ thống điều khiển dùng PLC. Nhu cầu về bộ điều khiển dễ sử dụng, linh hoạt và có giá thành thấp đã thúc đẩy sự phát triển những hệ thống điều khiển lập trình. Hệ thống sử dụng CPU và bộ nhớ để điều khiển máy móc hay quá trình hoạt động. Trong bối cảnh đó, bộ điều khiển lập trình PLC được thiết kế nhằm thay thế phương pháp điều khiển truyền thống dùng rơ le và thiết bị rời cồng kềnh, và nó tạo ra khả năng điều khiển thiết bị dễ dàng và linh hoạt dựa trên việc lập trình trên các lệnh logic cơ bản. Ngoài ra PLC còn có thể thực hiện các tác vụ khác như định thì, đếm … làm tăng khả năng điều khiển cho những hoạt động phức tạp. Hoạt động của PLC là kiểm tra tất cả các tín hiệu ngõ vào, được đưa về từ quá trình điều khiển, thực hiện logic được lập trình trong chương trình và kích ra tín hiệu để điều khiển thiết bị bên ngoài tương ứng. Với các mạch giao tiếp chuẩn ở khối vào và khối ra của PLC cho phép nó kết nối trực tiếp đến cơ cấu tác động có công suất nhỏ ở ngõ ra và những mạch chuyển đổi tín hiệu ở ngõ vào mà không cần các mạch giao tiếp hay rơ le trung gian. Tuy nhiên khi điều khiển những thiết bị có công suất lớn thì cần phải có mạch điện tử công suất trung gian. Pa-nen lập trình Bộ nhớ chương trình Khối ngõ vào Khối ngõ ra Bộ nhớ dữ liệu Đơn vị điều khiển Mạch giao tiếp và cảm biến Mạch công suất và cơ cấu tác động Nguồn cấp điện Sơ đồ khối bên trong PLC Việc sử dụng hệ thống PLC cho phép chúng ta hiệu chỉnh hệ thống điều khiển mà không cần có sự thay đổi nào về mặt kết nối dây, sự thay đổi chỉ là thay đổi chương trình trong bộ nhớ thông qua thiết bị lập trình chuyên dùng. Hơn nữa, chúng còn có ưu điểm là thời gian lắp đặt và đưa vào hoạt động nhanh hơn so với những hệ thống điều khiển truyền thống mà đòi hỏi cần phải thực hiện việc nối dây phức tạp giữa các thiết bị rời. Về phần cứng, PLC tương tự như máy tính và chúng có đặc điểm thích hợp cho mục đích điều khiển trong công nghiệp:  Khả năng chống nhiễu tốt.  Cấu trúc dạng mô đun dễ dàng thay thế, tăng khả năng ( nối thêm môđun mở rộng vào/ ra ) và có thêm chức năng ( nối thêm môđun chuyên dùng ).  Việc kết nối dây và mức điện áp tín hiệu ở ngõ vào và ngõ ra được chuẩn hoá.  Ngôn ngữ lập trình chuyên dùng – ladder, instruction dễ hiểu và dễ sử dụng.  Thay đổi chương trình điều khiển dễ dàng. Những đặc điểm trên làm cho PLC được sử dụng nhiều trong việc điều khiển các máy móc công nghiệp và trong điều khiển quá trình. Chính từ khả năng ứng dụng rộng rãi của PLC , các nhà nghiên cứu đã tiếp tục đưa thêm một số yêu cầu cần phải có trong chức năng của PLC : các lệnh về tác vụ định thì, tác vụ đếm, sau đó là các lệnh xử lý toán học, xử lý bảng dữ liệu, xử lý xung tốc độ cao…song song đó sự phát triển về phần cứng cũng đạt được nhiều kết quả : bộ nhớ lớn hơn, số lượng ngõ vào /ra nhiều hơn, nhiều mô đun chuyên dùng hơn. Các họ PLC phát triển từ loại làm việc độc lập, chỉ với 20 ngõ vào/ra và bộ nhớ chương trình 500 bước, đến các PLC cấu trúc môđun nhằm dễ dàng mở rộng thêm khả năng và chức năng chuyên dùng. So sánh với hai hệ thống điều khiển trên. Chỉ tiêu so sánh Rơ-le Máy tính PLC Giá thành từng chức năng Khá thấp Cao Thấp Kích thước vật lý lớn Khá gọn Rất gọn Tốc độ điều khiển Chậm Khá nhanh Nhanh Khả năng chống nhiễu Xuất sắc Khá tốt tốt Lắp đặt Mất thời gian thiết kế và lắp đặt Mất nhiều thời gian lập trình Lập trình và lắp đặt đơn giản Khả năng điều Không Có Có khiển tác vụ phức tạp Dễ thay đổi điều khiển Rất khó Khá đơn giản Rất đơn giản Công tác bảo trì Kém-có rất nhiều công tắc Kém – có nhiều mạch điện tử chuyên dùng Tốt – các mô đun được tiêu chuẩn hóa Bảng so sánh đặc tính kỹ thuật giữa những hệ thống điều khiển. Tuỳ theo yêu cầu thiết kế, giá thành mà nhà thiết kế, chế tạo lựa chọn cho mình hệ thống điều khiển phù hợp. Đối với những công việc cần điều khiển các công việc đơn giản thì chỉ cần dùng rơ le là đủ. Trong đề tài luận văn, việc điều khiển đồng thời 3 cụm : chiết, định lượng, đóng nắp khá phức tạp nên lựa chọn hệ thống điều khiển dùng PLC là phù hợp.