Phân tich và xây dựng hệ thống đóng chai nước tự động

: hệ thống được trang bịo Mạch điều khiển trung tâm PLC của Panasonic: điều khiển xuyên suốt hệ thống xúc rửa, chiết rót, đóng nắp. Bảng mạch hiển thị trạng thái hoạt động của hệ thống trên các đèn led (màu xanh). Khi có sự cố xảy ra, hệ thống ngắt điện hoàn toàn tự động, tín hiệu âm thanh bíp bíp sẽ được phát ra. Ngoài ra chương trình trong PLC này nhiều chức năng hơn hệ thống tiêu chuẩn o Khung sườn : được làm bằng thép không gỉ và các ô cửa sổ nhỏ mica trong suốt giúp người sử dụng dễ dàng quan sát hệ thống trong quá trình vận hànho Ống dẫn nước: bằng nhựa thép không gỉo Mạch đếm số bình thành phẩm: đếm số bình thành phẩm đã sản xuất hoặc người sử dụng có thể lập trình số bình mong muốn. o Các vòi chiết rót : được bọc cẩn thận tránh ăn mòn gỉ sét o 2 chế độ hoạt động auto / manual: giúp người sử dụng có thể kiểm tra hoạt động của các chức năng. 2.Nguyên lý hoạt độngHệ thống hoạt động theo các bước sau đây: - Vỏ bình được đặt úp trên hệ thống xúc rửa chiết rót và đóng nắp (gọi tắt là RFC). - Nguồn nước tinh khiết từ bồn chứa được nối vào hệ thống RFC. - Các cánh tay đòn sẽ tự động đưa bình vào hệ thống xúc rửa. Tùy theo model của máy mà có các công đoạn xúc rửa khác nhau (rửa bằng nước tinh khiết) oHệ thống tiêu chuẩn : 2 công đoạn xúc rửa bên trong bình oHệ thống cao cấp : 1 công đoạn xúc rửa bên ngoài và 2 công đoạn xúc rửa bên trong - Sau khi rửa và được sấy khô, bình sẽ được cánh tay đòn lật ngược trở lại và đưa vào vị trí chiết rót, bơm nước sẽ tự động chiết rót vào bình. (Lưu ý : thể tích nước có thể điều chỉnh được) - Khi bình chứa đã đầy nước, sẽ được chuyển sang vị trí đóng nắp. Nắp bình chứa được lấp đầy trong ống chứa (30 nắp) và được đưa vào ngay đầu bình chứa. - Một máy nén hơi được nối với búa dập trong hệ thống để dập nắp chặt - Sau đó bình chứa được chuyển trên băng tải ra ngoài- Bình chứa được tiếp tục chuyển đến máy bao màng co bằng (nếu có) II.XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG,CÁC THIẾT BỊ VÀ CHỨC NĂNG. 1,Mô hình hệ thống Xúc rửa và sấy khô chai Chiết rót nước vào chai Đóng và vặn nắp chai Co màng và đóng gói phẩm Vỏ chai chưa xử lý 2,các thiết bị và chức năng 1/ Động cơ DC: Động cơ DC là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều. Động cơ điện một chiều ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng dân dụng cũng như công nghiệp. Thông thường động cơ điện một chiều chỉ chạy ở một tốc độ duy nhất khi nối với nguồn điện, tuy nhiên vẫn có thể điều khiển tốc độ và chiều quay của động cơ với sự hỗ trợ của các mạch điện tử cùng phương pháp PWM. Động cơ điện một chiều trong dân dụng thường là các dạng động cơ hoạt động với điện áp thấp, dùng với những tải nhỏ. Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều được sử dụng ở những nơi yêu cầu moment mở máy lớn hoặc yêu cầu thay đổi tốc độ trong phạm vi rộng. ở đây ta chỉ nghiên cứu động cơ DC trong dân dụng chỉ hoạt động với điện áp 24V trở xuống . Hình 1.1 Một số loại động cơ trên thực tế. 1.1 Cấu tạo: Một động cơ DC có 6 phần cơ bản: Phần ứng hay Rotor (Armature). Nam châm tạo từ trường hay Stator (field magnet). Cổ góp (Commutat). Chổi than (Brushes). Trục motor (Axle). Bộ phận cung cấp dòng điện DC. Stator bao gồm vỏ máy, cực từ chính, cực từ phụ, dây quấn phần cảm (dây quấn kích thích). Số lượng cực từ chính ảnh hưởng tới tốc độ quay. Đối với động cơ công suất nhỏ, người ta có thể kích từ bằng nam châm vĩnh cửu. Hình 1.2: Cấu tạo động cơ điện một chiều. Rotor ( còn gọi là phần ứng ) gồm các lá thép kỹ thuật điện ghép lại có rãnh để đặt các phần tử của dây quấn phần ứng. Điện áp một chiều được đưa vào phần ứng qua hệ thống chổi than – vành góp. Chức năng của chổi than – vành góp là để đưa điện áp một chiều và đổi chiều dòng điện trong cuộn dây phần ứng. Số lượng chổi than bằng số lượng cực từ (một nửa có cực từ âm, một nửa có cực từ dương). Phương trình cơ bản của động cơ 1 chiều: E = K Φ. W (1) V = E + Ru.Iu (2) M = K Φ Iu (3) Với: E: sức điện động cảm ứng (V). Φ: Từ thông trên mỗi cực( Wb). Iu: dòng điện phần ứng (A). V : Điện áp phần ứng (V). Ru: Điện trở phần ứng (Ohm). W : tốc độ động cơ (rad/s). M : moment động cơ (Nm). K: hằng số, phụ thuộc cấu trúc động cơ. 1.2 Nguyên lý hoạt động: Khi có một dòng điện chảy qua cuộn dây quấn xung quanh một lõi sắt, cạnh phía bên cực dương sẽ bị tác động bởi một lực hướng lên, trong khi cạnh đối diện lại bị tác động bằng một lực hướng xuống theo nguyên lý bàn tay trái của Fleming. Các lực này gây tác động quay lên cuộn dây, và làm cho rotor quay. Để làm cho rotor quay liên tục và đúng chiều, một bộ cổ góp điện sẽ làm chuyển mạch dòng điện sau mỗi vị trí ứng với 1/2 chu kỳ. Chỉ có vấn đề là khi mặt của cuộn dây song song với các đường sức từ trường. Nghĩa là lực quay của động cơ bằng 0 khi cuộn dây lệch 90o so với phương ban đầu của nó, khi đó rotor sẽ quay theo quán tính. Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích thích tạo thành momen điện từ. Do đó phần ứng sẽ được quay quanh trục. Hình 1.3: Nguyên lý hoạt động của động cơ DC. 1.3 Điều khiển tốc độ động cơ DC: Thông thường, tốc độ quay của một động cơ điện một chiều tỷ lệ với điện áp đặt vào nó, và ngẫu lực quay tỷ lệ với dòng điện. Có nhiều phương pháp để thay đổi tốc độ động cơ DC, ở đây ta sử dụng phương pháp điều khiển thông dụng nhất là kiểu điều biến độ rộng xung (PWM), có nghĩa là ta cấp áp cho động cơ dưới dạng xung với tần số không đổi mà chỉ thay đổi Ton và Toff. Từ (1),(2). (3) suy ra: W = V/(K.Φ) – Ru.Iu/(K.Φ) (4) Theo (4) : khi Iu không đổi (tức Moment không đổi) và Φ không đổi thì W thay đổi "tuyến tính" theo V (thực tế thì không hoàn toàn tuyến tính theo đường thẳng được). Hình 1.4: Điều khiển động cơ bằng PWM. Khi tỷ lệ thời gian "on" trên thời gian "off" thay đổi sẽ làm thay đổi điện áp trung bình (VAV). Tỷ lệ phần trăm thời gian "on" trong một chu kỳ chuyển mạch nhân với điện áp cấp nguồn sẽ cho điện áp trung bình đặt vào động cơ. Như vậy với điện áp nguồn cung cấp là 100V, và tỷ lệ thời gian ON là 25% thì điện áp trung bình là 25V. VAV thay đổi từ VL đến VH tùy theo các độ rộng Ton và Toff Như vậy, tốc độ động cơ sẽ thay đổi "tuyến tính" theo % độ rộng xung. 2. Băng tải: 2.1. Cách lắp đặt vận hành băng chuyền tải: - Đặt hệ thống băng tải vào đúng vị trí cần lắp đặt. - Dùng thước thủy để căn theo chiều ngang dây tải. - Siết chặt các buloong nền và buloong chân. - Điều chỉnh sơ bộ các bass căng dây ở vị trí căng dây tương đối. - Khởi động động cơ băng tải chạy thử. - Điều chỉnh cho dây băng tải cân chính giữa. - Siết ốc kỹ, tỳ ren điều chỉnh lại đúng vị trí. - Cho hệ thống chạy trong 1 giờ rồi kiểm tra, nếu thấy dây bị sàng thì điều chỉnh lại. 2.2. Nguyên tắc kiểm tra băng tải tốt xấu: - Băng tải đen bóng, cứng mềm không quan trọng. - Cắt một băng vải nhỏ dài chừng 5cm, kéo dãn đến khi đứt, băng càng tốt kéo dãn càng nhiều. - Ngửi băng tải thấy có mùi thơm, nếu băng tải có mùi thơm khó chịu thì bỏ ngay. - Lấy mũi nhọn đâm thử, băng tải mà kém thì thủng ngay một lỗ, loại tốt thì khó thủng và có đàn hồi. - Băng tốt thì bề mặt ít lồi lõm và không bị vá, sữa chữa. - Đừng tin vào những chữ in trên mặt băng tải. 2.3. Các loại băng tải: 2.3.1. Băng tải bố NN Cấu tạo Hình 1: Băng tải bố NN Băng tải bố NN gồm nhiều sợi dọc /ngang đểu là Nylon, có các thành phần gồm: cao su mặt trên + lớp bố + cao su mặt dưới. Lớp bố của băng tải loại này duy trì sức căng cũng như tạo độ bền cho kết cấu băng tải, chịu lực nén và kéo tải, chịu nhiệt 1000C tới 6000C. Đặc điểm Cường lực chịu tải lớn: chịu lực gấp 5 lần sợi Cotton. Chịu lực va đập lớn: sợi Nylon là loại sợi tổng hợp chịu sự va đập rất tốt nên các tác động ngoại lực hầu như không ảnh hưởng đến chất lượng bố. Chịu axit, chịu nước và một số loại hóa chất khác. Chống được lão hóa do gấp khúc, uốn lượn nhiều trong sử dụng. Tăng cường sự bám dính giữa sợi và cao su, đồng thời giảm thiểu việc tách tầng giữa các lớp bố. Rất bền nếu phải hoạt động trong môi trường nhiệt độ thấp. Độ dai cực lớn,nhẹ và làm tăng lên sức kéo của motor dẫn đến giảm tiêu thụ điện. Ứng dụng Băng tải NN có đặc tính mềm dẻo, dai và hiện được coi là loại bố chịu lực phổ thông và có nhiều ưu điểm vượt trội. Thường dùng để tải than, sỏi, đá (các cỡ), cát, quặng sắt, xi măng, than, gỗ… Không dùng để tải các vật liệu chịu nhiệt trên 6000C hoặc các bề mặt có chất dầu. Băng tải bố NN chiếm từ 60-70% trên thị trường hiện nay do tính kinh tế và nhẹ của nó. 2.3.2. Băng tải con lăng Hình 2: Băng tải con lăng Băng tải có thể nâng lên hạ xuống để làm đổi hướng vận chuyển. Dùng để vận chuyển các sản phẩm đã đóng thùng, có trọng lượng lớn. 2.3.3. Băng tải cáp thép Cấu tạo Băng tải lõi thép gồm nhiều lõi cáp thép được sắp xếp theo chiều dọc ở những khoảng cách từ 10 đến 15mm, lớp cáp thép này là phần chịu lực tải chính giữ cho băng tải luôn chạy đúng hướng bao quanh nó là lớp phủ cao su mặt trên và mặt dưới. Lớp cáp thép sẽ được liên kết với nhau bằng một phương pháp đặt biệt, sự liên kết này giúp cho băng tải không có bất kỳ sự cố nào xảy ra trong suốt quá trình sử dụng, cao su mặt và cao su bao phủ cáp thép được chế tạo theo những tính chất riêng. Ký hiệu thông thường các loại băng tải cáp thép: ST-500,ST-630,ST-800 và cao nhất tới ST-7000, độ dày có thể lên tới 50mm. Băng tải cáp thép thường rất nặng như loại ST-1000, khổ 1 mét có thể lên tới 25Kg/m. Vì vậy thường chỉ dài 150m/cuộn. Đặc điểm Băng tải cáp thép chủ yếu sử dụng tại các hệ thống truyền tải có chiều dài lớn trên 300m, do có thể chịu được cường lực rất cao. Hình 3: Băng tải cáp thép Các sợi cáp thép được bố trí song song đều nhau theo chiều dọc băng tải và rải đều trên toàn mặt băng tải. Băng tải cáp thép có tỷ lệ dãn dư cực thấp dưới 1% kể cả trong điều kiện toàn tải. Băng tải cáp thép có độ bền tuyệt hảo nhất trong các loại băng tải. Toàn bộ cáp thép trước khi lưu hóa phải được xử lý tráng ngoài tạo bám dính với lớp cao su bao quanh và đây là yếu tố quang trọng nhất khi chọn băng tải. Lớp cao su mặt được chế tạo đặc biệt để chống lại các lực xé rách từ mọi hướng. Có những băng tải thép có tuổi thọ tới 15- 20 năm trong điều kiện vận hành liên tục hiệu quả kinh tế là rất lớn. 2.3.4. Băng tải bố EP Cấu tạo và đặc điểm EP ký hiệu là băng tải có vải bố chịu lực bằng sợi tổng hợp Polyester làm sợi dọc và sợi Nylon làm sợi ngang. Độ dãn băng tải rất nhỏ làm cho hành trình khởi động ngắn hơn do vậy tiết kiệm điện hơn. Băng chuyền khởi động êm, đặc biệt là đối với băng chuyền có độ dài lớn. Chịu ẩm tốt hơn các loại bố khác, vì sợi Polyester có đặc điểm chịu ẩm, nước rất tốt do đó tuổi thọ băng kéo dài hơn đặc biệt khi gặp ẩm cao, chịu nhiệt rất tốt khi dưới 1500C , chịu hóa chất cực tốt. Ưu điểm Độ dãn rất thấp nhỏ hơn 4%, vì vậy bề mặt cao su không bị rạng nứt tránh được hiện tượng thẩm thấu - tác nhân gây lão hóa tới các lớp bố . 2.4. Tỷ lệ truyền của băng tải Ta có: Với : N1 : là số vòng quay của buli băng tải. N2: là số vòng quay của động cơ. θ1: là đường kính của buli băng tải. θ2: là đường kính của buli động cơ. 3. Encoder: Encoder mục đích dùng để xác định vị trí góc của một đĩa quay, để đo tốc độ và chiều quay của thiết bị, đĩa quay có thể là bánh xe, trục động cơ, hoặc bất kỳ thiết bị quay nào cần xác định vị trí góc. Dựa trên nguyên tắc cảm biến ánh sáng với một đĩa có khắc vạch sáng tối quay giữa nguồn sáng và phototransistor (đối với encoder quang) hoặc là hiện tượng cảm ứng điện từ (đối với encoder từ). Ở đây ta chỉ đề cập tới encoder quang. Encoder được chia làm 2 loại, là encoder tuyệt đối và encoder gia tăng. Ở đây ta chỉ nghiên cứu về loại gia tăng. Hình 1.5: Một số loại encoder trên thị trường. 3.1 Cấu tạo chính của Encoder: Gồm 1 bộ phát ánh sáng (thường là LED), một bộ thu ánh sáng nhạy với ánh sáng từ bộ phát ( thường là photodiotde hoặc phototransistor), 1 đĩa quang được khoét lỗ gắn trên trục quay đặt giữa bộ phát và thu, thông thường trục quay này sẽ được gắn với trục quay của đối tượng cần đo tốc độ hay vị trí. Hình 1.6: Cấu tạo thực tế của encoder. Hình 1.7: Cấu trúc đĩa và mắt đọc. Một encoder thường có các dây sau: Dây cấp nguồn (+5V) cho encoder. Dây nối đất (GND). Dây pha A – tín hiệu ra theo độ phân giải (1 vòng/N xung (N từ vài chục lên đến vài nghìn xung tuỳ theo độ phân giải)). Dây pha B – tín hiệu ra theo độ phân giải (1 vòng/N xung (N từ vài chục lên đến vài nghìn xung tuỳ theo độ phân giải)), pha B chậm pha hơn pha A 90o. Thường tuỳ theo trạng thái pha nhanh hay chậm của 2 pha này ta xác định chiều quay của đối tượng, để từ đấy bộ đếm đếm tiến hoặc đếm lùi. 3600 A B Z Hình 1.8: Dạng sóng ngõ ra của LED thu. Ngoài ra một số encoder còn có dây pha z, ta thu được một xung từ pha z khi đĩa encoder quay 1 vòng. Hình 1.9: Cấu tạo đĩa quay trong encoder 3.2 Nguyên lý cơ bản: Encoder thực chất là một đĩa tròn xoay, quay quanh trục. Trên đĩa có các lỗ (rãnh). Dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa. Khi đĩa quay, chỗ không có lỗ (rãnh), đèn led không chiếu xuyên qua được, chỗ có lỗ (rãnh), đèn led sẽ chiếu xuyên qua. Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa, đặt một con mắt thu. Với các tín hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua, ta ghi nhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay không. Cứ mỗi lần đi qua một lỗ, chúng ta phải lập trình để thiết bị đo đếm lên 1. Số lỗ trên đĩa sẽ quyết định độ chính xác của thiết bị đo. Ví dụ có 1 lỗ tức là khi quay được 1 vòng thì bộ thu sẽ thu được 1 xung, nếu đĩa khoét N lỗ có nghĩa 1 vòng thu được N xung. Như vậy khi đo tốc độ, ta đếm số xung trong 1 đơn vị thời gian, từ đó tính được số vòng trên 1 đơn vị thời gian (hoặc có thể đo chu kì xung). Nếu đo tốc độ cao thì số lỗ khoét càng nhiều càng chính xác. Hình 1.10: Quá trình đọc Encoder. 4. Các phần tử khí nén: 4.1. Máy nén khí: Máy nén khí là thiết bị tạo ra áp suất khí, ở đó năng lượng cơ học của động cơ điện hoặc động cơ đốt trong được chuyển đổi thành năng lượng khí nén và nhiệt năng. Phân làm 2 loại : Phân loại theo áp suất. Máy nén khí áp suất thấp p <= 15 bar Máy nén khí áp suất cao p>= 15 bar Máy nén khí áp suất rất cao p>= 300 bar Phân loại theo nguyên lý hoạt động. Máy nén khí theo nguyên lý trao đổi thể tích: Máy nén khí kiểu pittong, máy nén khí kiểu cách gạt, máy nén khí kiểu root, máy nén khí kiểu trục vít. Máy nén khí tuabin: Máy nén khi ly tâm và máy nén khí theo chiều trục. 4.2. Bình trích chứa khí nén: Khí nén sau khi ra khỏi máy nén khí và được xử lý thì cần phải có một bộ phận lưu trữ để sử dụng. Bình trích chứa khí nén có nhiệm vụ cân bằng áp suất khí nén từ máy nén khí chuyển đến trích chứa, ngưng tụ và tách nước. Kích thước bình trích chứa phụ thuộc vào công suất của máy nén khí và công suất tiêu thụ của các thiết bị sử dụng, ngoài ra kích thước này còn phụ thuộc vào phương pháp sử dụng: ví dụ sử dụng liên tục hay gián đoạn. 4.3. Mạng đường ống dẫn khí nén: Mạng đường ống dẫn khí nén là thiết bị truyền dẫn khí nén từ máy nén khí đến bình trích chứa rồi đến các phần tử trong hệ thống điều khiển và cơ cấu chấp hành. Mạng đường ống dẫn khí nén có thể phân thành 2 loại: * Mạng đường ống được lắp ráp cố định (mạng đường ống trong nhà máy). * Mạng đường ống được lắp ráp di động (mạng đường ống trong dây chuyền hoặc trong máy móc thiết bị). 4.4. Van đảo chiều: Van đảo chiều có nhiệm vụ điều khiển dòng năng lượng bằng cách đóng mở hay thay đổi vị trí các cửa van để thay đổi hướng của dòng khí nén. Hình 1.26: Trạng thái khi OFF và ON của van đảo chiều. * Ký hiệu của van đảo chiều Vị trí của nòng van được ký hiệu bằng các ô vuông liền nhau với các chữ cái o,a ,b ,c ,… hay các chữ số 0, 1, 2, … a o b b a Vị trí ‘không’ là vị trí mà khi van chưa có tác động của tín hiệu bên ngoài vào. Đối với van có 3 vị trí, thì vị trí ở giữa, ký hiệu ‘o’ là vị trí ‘không’. Đối với van có 2 vị trí thì vị trí ‘không’ có thể là ‘a’ hoặc ‘b’, thông thường vị trí bên phải ‘b’ là vị trí ‘không’. Ký hiệu Port của van ISO 5599 ISO 1219 Port cấp nguồn (từ bộ lọc khí) 1 P Port điều khiển (làm việc) 2, 4, 6… A, B, C.. Port xả 3, 5, 7… R, S, T… Port nối tín hiệu điều khiển 12, 14… X, Y… a b Hình 1.27: Kí hiệu cửa xả khí Trường hợp a là cửa xả khí không có mối nối cho ống dẫn, còn cửa xả khí có mối nối cho ống dẫn khí là trường hợp b. Bên trong ô vuông của mỗi vị trí là các đường mũi tên biểu diễn hướng chuyển động của dòng khí nén qua van. Khi dòng bị chặn thì được biểu diễn bằng dấu gạch ngang. 1 0 Cửa xả khí không có mối nối cho ống dẫn 2(A) 4(B) 5(S) 1(P) 3(R) Nối với nguồn khí nén Cửa xả khí có mối nối cho ống dẫn 14(Z) Cửa nối điều khiển 12(Y) Cửa nối điều khiển Cửa 1nối với cửa 2 Cửa 1nối với cửa 4 Hình 1.28: Ký hiệu và tên gọi của van đảo chiều Hình trên là ký hiệu của van đảo chiều 5/2 Trong đó: 5 : chỉ số cửa. 2 : chỉ số vị trí. Cách gọi tên và ký hiệu của một số van đảo chiều: TÊN THIẾT BỊ KÍ HIỆU Van đảo chiều 2/2 Van đảo chiều 4/2 Van đảo chiều 5/2 * Tín hiệu tác động: Tín hiệu tác động vào van đảo chiều có 4 loại là: tác động bằng tay, tác động bằng cơ học, tác động bằng khí nén và tác động bằng nam châm điện. Tín hiệu tác động từ 2 phía ( đối với van đảo chiều không có vị trí ‘không’) hay chỉ từ 1 phía (đối với van đảo chiều có vị trí ‘không’). Tác động bằng tay. TÊN THIẾT BỊ KÍ HIỆU Kí hiệu nút nhấn tổng quát Nút bấm Tay gạt Bàn đạp Tác bằng khí nén. TÊN THIẾT BỊ KÍ HIỆU Trực tiếp bằng dòng khí nén vào Trực tiếp bằng dòng khí nén ra Trực tiếp bằng đường khí nén vào với 2 đầu nòng van có đường kính khác nhau Gián tiếp bằng dòng khí nén ra có van phụ trợ Tác động bằng cơ TÊN THIẾT BỊ KÍ HIỆU Đầu dò Cừ chặn bằng con lăn tác động 2 chiều Cừ chặn bằng con lăn tác động 1 chiều Lò xo Nút nhấn có rãnh định vị Tác động nam châm điện. TÊN THIẾT BỊ KÍ HIỆU Trực tiếp Bằng nam châm điện và van phụ trợ Tác động theo hướng dân cụ thể Van đảo chiều có vị trí ‘không’ là loại van tác động bằng cơ – lò xo và ký hiệu lò xo nằm ngay vị trí bên cạnh ô vuông phía bên phải của ký hiệu van. Tác động lên phía đối diện nòng van là tín hiệu tác động bằng cơ, khí nén hay bằng điện. Khi chưa có tín hiệu tác động, vị trí của các cửa nối được biểu diễn trong ô vuông phía bên phải đối với van đảo chiều 2 vị trí. Còn đối với van đảo chiều 3 vị trí thì vị trí ‘không’ nằm ở giữa. Ví dụ : Van đảo chiều 2/2 tác động bằng nam châm điện: R 1 0 P Y Van có 2 cửa P và R, 2 vị trí 0 và 1. Tại vị trí 0, cửa P và R bị chặn. Khi cuộn Y có điện, từ vị trí 0 van chuyển sang vị trí 1, cửa P nối với cửa R. Khi cuộn Y mất điện, do tác động của lò xo phía đối diện, van sẽ quay trở về vị trí ban đầu. 4.5. Van tiết lưu Van tiết lưu có nhiệm vụ thay đổi lưu lượng dòng khí nén, có nghĩa là thay đổi tốc độ của cơ cấu chấp hành. TÊN THIẾT BỊ KÍ HIỆU Van tiết lưu có tiết diện không đổi: Khe hở của van có tiết diện không thay đổi do đó lưu lượng dòng khí chảy qua cũng không thay đổi. Van tiết lưu có tiết diện thay đồi: Lưu lượng dòng khí nén chảy qua van thay đổi nhờ một vít điều chỉnh làm thay đổi tiết diện khe hở. Ký hiệu chung: Có mối nối ren: Không có mối nối ren: · · A B A B Van tiết lưu điều chỉnh bằng tay: Dòng khí nén chỉ có thể đi theo chiều từ A qua B mà không thể đi theo chiều ngược lại. Van tiết lưu 1 chiều điều chỉnh bẵng cữ chặn: Dòng khí nén chỉ có thể đi 1 chiều từ A qua B. Tuỳ vào vị trí của cữ chặn mà tiết diện khe hở của van thay đổi làm cho lưu lượng dòng chảy thay đổi. A · · · B 4.6. Cơ cấu chấp hành. 4.6.1. Nhiệm vụ Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ biến đổi năng lượng khí nén thành năng lượng cơ học. Cơ cấu chấp hành có thể chuyển động thẳng (xilanh) hoặc chuyển động quay (động cơ khí nén). 4.6.2. Xi lanh. Xilanh tác dụng đơn - Áp lực khí nén chỉ tác động vào một phía của xilanh, phía còn lại do ngoại lực hay lò xo tác động. - Một số loại xilanh tác động 1 chiều: a b Hình 24. Chiều tác động ngược lại do ngoại lực (a) và do lo xo (b) Xilanh tác động 2 chiều (xilanh tác động kép). - Khí nén được đưa vào 2 phía của xilanh, do yêu cầu điều khiển mà xilanh đi vào hay đi ra sẽ tuỳ thuộc vào việc đưa khí nén vào phía nào của xilanh. Xilanh quay - Hình biểu diễn tượng trưng của xilanh quay. Hai ngõ vào điều khiển để điều khiển pittong có răng di chuyển qua lại. Khi cần pittong di chuyển sẽ ăn khớp với 1 bánh răng làm bánh răng quay. Trục bánh răng sẽ được gắn với cơ cấu chuyển động. Ưu nhược điểm của khí nén: Ưu điểm: Không gây ô nhiễm môi trường. Có khả năng truyền tải năng lượng đi xa do độ nhớt động học của khí nén nhỏ, tổn thất trên dọc đường thấp. Hệ thống phòng ngừa quá áp suất giới hạn được đảm bảo. Nhược điểm: Khi tải trọng thay đổi, vận tốc truyền cũng thay đổi. Dòng khí nén thoát ra gây tiếng ồn lớn. Bình khí nén có kích thước lớn, cồng kềnh. 5. Động cơ bước: Động cơ bước có thể xem là thiết bị điện cơ dùng biến đổi các xung điện áp thành các chuyển động cơ học liên tục. 5.1. Các đặc tính cơ bản - Trục của động cơ quay theo từng bước liên tục khi có các xung điệu điều khiển được cung cấp theo một chuổi tuần tự thích hợp. Trạng thái quay của trục động cơ quan hệ trực tiếp với chuổi xung cung cấp. - Tốc độ của trục quay phụ thuộc trực tiếp giá trị tần số của các xung nhập điều khiển và bề dài của chuyển động quay phụ thuộc số xung điều khiển 5.2. Ưu điểm của động cơ bước - Góc quay của động cơ tỉ lệ thuận với số xung điều khiển. - Động cơ đạt được momen toàn phần (full torque) tại lúc đứng yên (khi dây quấn động cơ còn được cung cấp năng lượng). - Chuyển động có khả năng lập lại các trạng thái một cách ổn định tin cậy, điều khiển vị trí chính xác. Với những động cơ bước có cấp chính xác cao có sai số từ 3% đến 5% trong mỗi bước và sai số này không gia tăng ở bước điều khiển kế tiếp. - Các đáp ứng khởi động, dừng và đảo chiều tối hảo. - Có độ tin cậy cao vì động cơ không sử dụng chổi than ; như vậy tuổi thọ của Góc quay của động cơ tỉ lệ thuận với số xung điều khiển. -Động cơ đạt được momen toàn phần (full torque) tại lúc đứng yên (khi dây quấn động cơ còn được cung cấp năng lượng). - Chuyển động có khả năng lập lại các trạng thái một cách ổn định tin cậy, điều khiển vị trí chính xác. Với những động cơ bước có cấp chính xác cao có sai số từ 3% đến 5% trong mỗi bước và sai số này không gia tăng ở bước điều khiển kế tiếp. - Các đáp ứng khởi động, dừng và đảo chiều tối hảo. - Có độ tin cậy cao vì động cơ không sử dụng chổi than ; như vậy tuổi thọ của động cơ chỉ phụ thuộc vào tuổi thọ của phần truyền động cơ khí : bạc đạn. . . - Các động cơ bước đáp ứng với các tín hiệu xung điều khiển cung cấp từ bộ điều khiển vòng hở, do đó đễ dàng điều khiển động cơ và giá thành điều khiển thấp. - Động cơ có khả năng quay với tốc độ đồng bộ có giá trị rất thấp khi mang tải trực tiếp trên trục. - Động cơ có thể đạt được một phạm vi rộng giá trị tốc độ quay tỉ lệ với giá trị tần số của xung điều khiển động cơ chỉ phụ thuộc vào tuổi thọ của phần truyền động cơ khí : bạc đạn. . . - Các động cơ bước đáp ứng với các tín hiệu xung điều khiển cung cấp từ bộ điều khiển vòng hở, do đó đễ dàng điều khiển động cơ và giá thành điều khiển thấp. - Động cơ có khả năng quay với tốc độ đồng bộ có giá trị rất thấp khi mang tải trực tiếp trên trục. - Động cơ có thể đạt được một phạm vi rộng giá trị tốc độ quay tỉ lệ với giá trị tần số của xung điều khiển. 5.3. Nhược điểm của động cơ bước - Có thể xãy ra trạng thái cộng hưởng nếu không được điều khiển thích hợp. - Không điều khiển dễ dàng để động cơ hoạt động tại các giá trị tốc độ rất cao. 5.4. Phân loại động cơ bước Theo các tài liệu kỹ-thuật hiện nay, chúng ta có 3 loại động cơ bước. - Động cơ bước với rotor là nam châm vĩnh cửu (PM stepper motor – Permanent Magnet Stepper Motor ) - Động cơ bước từ dẫn thay đổi (VR stepper motor – Variable Reluctance Stepper Motor). - Động cơ buớc đa hợp (Hybrid Stepper motor) 5.5. Cấu tạo chung của đông cơ bước - Gồm một thanh nam châm vĩnh cửu; đường sức từ trường (từ phổ) do thanh nam châm tạo ra tạo thành hệ thống đường sức kín có hướng đi ra từ cực bắc và đi vào ở cực nam. - Tính chất lưởng cực của thanh nam châm vỉnh cửu có thể được cảm ứng trong từ trường tạo bởi dòng điện khi đi qua cuộn dây quấn. Cực tính của từ trường tạo bởi dòng điện (khi đi qua dây quấn) phụ thuộc vào hướng dòng điện đi vào dây quấn. Tính chất của cục từ thay đổi khi đổi hướng dòng điện qua cuộn dây dẫn. - Khi bố trí thanh nam châm vỉnh cửu có thể quay tự do như phần ứng của máy điện; phần ứng này được đặt trong từ trường tạo bởi phần dây quấn phần cảm stator Hình trên cho ta thấy lực tương tác tạo thành momen quay kéo phần ứng về vị trí cân bằng (tại vị trí trục từ trường của phần cảm và trục từ trường phần ứng thẳng hàng) Momen quay được tính theo công thức sau : M = 2R.Fn Có thể xem động cơ bước hoạt động tương tự như động cơ đồng bộ, với từ trường quay tạo bởi hệ thống xung điện áp cấp tuần tự vào các dây quấn trên các cặp cực từ bố trí liên tiếp lân cận trên stator. 5.6. Nguyên tắc hoạt động - Đa số các động cơ bước là động cơ một pha, hai pha hoặc nhiều pha. Khác với động cơ đồng bộ thông thường là roto của nó không có cuộn dây khởi động (lồng sóc mở máy ) mà nó được khởi động bằng phương pháp tần số . Roto của động cơ có thể được kích thích hoặc không được kích thích Sơ đồ động cơ bước m pha Xung điện áp cấp cho cuộn dây stator a. Xung một cực ; b. Xung hai cực Khi cung cấp bởi xung một cực, điện áp sẽ biến đổi từ 0 đến +U, còn khi cung cấp bởi xung hai cực điện áp sẽ biến đổi từ +U đến –U. Chuyển mạch điện tử có thể cung cấp điện áp điều khiển cho các cuộn dây stator theo từng cuộn riêng lẻ hay theo từng nhóm các cuộn dây. Trị số và chiều của sức từ động tổng F của động cơ và do đó vị trí của rotor trong không gian hoàn toàn phụ thuộc vào phương pháp cung cấp điện cho các cuộn dây. Ví dụ : nếu các cuộn dây của động cơ trên hình cung cấp cho từng cuộn dây riêng lẻ theo trình tự 1,2,3 . . . m bởi các xung một cực thì rotor động cơ sẽ có m vị trí ổn định trùng với trục của các cuộn dây (hình (a)) Trong thực tế để tăng cường sức từ động tổng của stator do đó làm tăng từ thông và momen đồng bộ , người ta thường cung cấp đồng thời cho hai hoặc nhiều cuộn dây. Lúc đó rotor của động cơ bước sẽ có vị trí cân bằng trùng với vectơ sức từ động tổng F . Trên hình (b) sức từ động F khi cung cấp đồng thời cho một số chẵn cuộn dây (trường hợp này hai hay nhiều cuộn dây được cung cấp điện một cách đồng thời ) Trên hình (c) sức từ động tổng F khi cung cấp đồng thời cho ba cuộn dây (một số lẻ cuộn dây). Trong cả hai trường hợp (cung cấp cho một số chẵn cuộn dây và cung cấp cho một số lẻ cuộn dây ), rotor động cơ bước sẽ có m vị trí cân bằng. Góc xê dịch giữa hai vị trí liên tiếp của rotor được tính : - Nếu cung cấp theo thứ tự một số chẵn cuộn dây, rồi một số chẳn cuộn dây, Ví dụ : 1&2 – 2 – 2&3 – 3 . . . – m thì số vị trí cân bằng của rotor sẽ tăng gấp đôi là 2m . - Nếu số lượng cuộn dây được điều khiển luôn luôn không đổi (một số chẵn cuộn dây hay một số lẻ cuộn dây) được gọi là đối xứng. - Nếu số lượng cuộn dây luôn luôn thay đổi (ví dụ : điều khiển theo trình tự chẵn – lẽ – chẵn … ) được gọi là không đối xứng . Số bước trong khoảng từ 0 đến 360o là : K = m . n1 . n2 . p Trong đó : p : là số đôi cực của rotor . m : làsố cuộn dây điều khiển trê stator . n1: là hệ số ( n1 = 1 ứng với điều khiển đối xứng , n1 = 2 ứng với điều khiển không đối xứng) n2 : là hệ số ( n2 = 1 ứng với điều khiển bằng xung một cực) n2 = 2 ứng với điều khiển bằng xung hai cực) Với bước quay của rotor trong không gian thì : α = 360o 6.Cảm Biến: 6.1. Các khái niệm về cảm biến: Trong các hệ thống đo lường và điều khiển, mọi quá trình điều khiển đặc trưng bởi các biến trạng thái. Các biến trạng thái này thường là các đại lượng không điện như: nhiệt độ , áp suất, lưu lượng, tốc độ….. Để thực hiện quá trình đo lường và điều khiển cần phải thu thập thông tin, đo đạc, theo dõi sự biến thiên của các trạng thái của quá trình thực hiện chức năng trên là các thiết bị cảm biến. Để hiểu rõ về cảm biến ta cần nắm được một số khái niệm và định nghĩa sau : 6.1.1.Phần tử nhạy: Là khâu đầu tiên của thiết bị đo chịu trực tiếp của đại lượng đo. Phần tử nhạy không có đặc tính riêng. Sai số được hạn chế bởi sai số của thiết bị mà nó tham gia. 6.1.2.Chuyển đổi đo lường: Là một khâu cùa thiết bị đo, tín hiệu vào là hàm số của tín hiệu ra. Cơ sở vật lý của chuyển đổi đo lường là biến đổi và truyền đạt năng lượng ( biến đổi từ dạng năng lượng này sang dạng năng lượng khác). 6.2. Cảm biến đo lường: Là phương tiện ( thiết bị) đo thực hiện biến đổi ở đầu vào thành tín hiệu ra thuận lợi cho việc biến đổi tiếp theo hoặc truyền đạt, gia công bằng thiết bị tính hoặc lưu trữ số liệu (nhưng không quan sát được) Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ trong các lĩnh vực nghiên cứu khoa học và ứng dụng kỹ thuật đo lường, điều khiển, số lượng và chủng loại các cảm biến tăng nhanh và đa dạng .Với mục dích nghiên cứu và ứng dụng có thể phâm loại cảm biến theo các phương pháp sau: 6.2.1. Phân loại cảm biến theo đại lượng vào và ra Cảm biến điện _ điện : trong đó các đại lượng vào và ra là các thông số điện. Cảm biến không điện _ điện: là cảm biến thực hiện chức năng biến đổi các đại lượng không điện là áp suất, nhiệt độ , lưu lượng ,…. Thành các hông số như điện trở, điện cảm, điện dung, điện áp, dòng điện, sức điện động …. Cảm biến khí nén _ điện : được ứng dụng nhiều trong các nhà máy Hóa chất, các hệ thống đo và điều khiển cần chống cháy nổ. 6.2.2. Phân loại theo tính chất vật lý Cảm biến điện trở. Cảm biến điện từ. Cảm biến tĩnh điện. Cảm biến nhiệt điện. Cảm biến điện tử_ion. Cảm biến hóa điện. Cảm biến y sinh. 6.2.3. Phân loại theo tính chất nguồn điện Cảm biến phát điện (Active). Cảm biến thụ động (Passive). 6.2.3. Phân loại theo phương pháp đo Cảm biến biến đổi trực tiếp. Cảm biến kiểu bù 6.3. Cảm biến quang 6.3.1. Khái niệm cơ bản về ánh sáng Tính chất của ánh sáng: Các cảm biến quang được sử dụng để chuyển thông tin từ ánh sáng nhìn thấy hoặc tia hồng ngoại (IR) và tia tử ngoại (UV) thành tín hiệu điện . Ánh sáng có hai tính chất cơ bản là sóng và hạt. Dạng sóng của ánh sáng là sóng điện từ phát ra khi có sự chuyển điện giữa các mức năng lượng của nguyên tử của nguồn sáng. Ánh sáng lan truyền trong chân không với tốc độ v = 299792 km/s. Trong vật chất ánh sáng có vận tốc v=c/n, (n là chiết suất của môi trường). Tính chất hạt của thể hiện qua sự tương tác của nó với vật chất. Trong vật chất, các điện tử liên kết trong nguyên tử để trở thành điện tử tự do. Nói chung, loại điện tích được giải phóng do chiếu sáng phụ thuộc vào bản chất vật liệu chiếu sáng.Khi chiếu sáng vào chất điện môi và bán dẫn tinh thiết, các điện tích được giải phóng là cặp điện tử _ lỗ trống. Với bán dẫn pha tạp khi bị chiếu sáng nó sẽ giải phóng điện tử và lỗ trống tùy thộc vào chất pha tạp. Hiện tượng giải phóng các hạt dẫn dưới tác dụng của ánh sáng do hiệu ứng quang điện sẽ gây nên sự thay đổi tính chất điện của vật liệu. Đó là nguyên lý cơ bản của các cảm biến quang. Các đơn vị đo quang: Các đơn vị đo năng lượng: Năng lượng bức xạ Q: Là năng lượng phát xạ , lan truyền hoặc hấp thu dưới dạng bức xạ được đo bằng Jun (J). Quang thông : là công suất hấp thụ lan truyền hoặc hấp thụ, đo bằng oát ( W) là đại lượng đặc trưng cho nguồn sáng : Cường độ sáng I : là nguồn năng lượng phát ra theo một hướng cho trước dưới một đơn vị góc khối, có đơn vị là oát/steradian: Độ chói năng lượng (L) : là tỷ số giữa cường độ ánh sáng phát ra bởi một phần tử bề mặt dA theo một hướng xác dịnh và diện tích hình chiếu vuông góc với phần tử bề mặt dAn; có đơn vị là oát/steradian.m2 Độ rọi năng lượng (E): là tỷ số giữa luồng năng lượng thu được bởi một phần tử bề mặt và diện tích của bề mặt đó. Độ rọi năng lượng được đo bằng oat/m2. Đơn vi đo thị giác: Mắt người cảm nhận ánh sáng có phổ từ 0,38um đến 0.76um với độ nhạy tương đối phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng. Độ nhạy của mắt cực đại ở bước song = 0.555um và giảm về hai phía , như Hình 9: Hình 9: Đường cong độ nhạy tương đối của mắt người. Nguồn sáng: Nguồn sáng quyết định mọi đặc tính của bức xạ . Việc sử dụng các chuyển đổi quang chỉ có hiệu quả khi nó phù hợp với bức xạ ánh sáng ( phổ, quang thông , tần số). Nguồn sáng bao gồm: Đèn sợi đốt: Đèn sợi đốt là một sợi wonfram đặt trong bóng thủy tinh hoặc thạch anh chứa khí trơ hoặc halogen để giảm bay hơi của sợi đốt. Ưu điểm của đèn sợi đốt là dải phổ rộng nhưng hệ suất phát quang thấp, quán tính nhiệt lớn, tuổi thọ và dộ bền cơ học thấp. Diot phát quang: Diot phát quang LED là nguồn sáng bán dẫn trong đó năng lượng giải phóng do tái hợp tái hợp điện tử_lỗ trống gần phần chuyển tiếp N_P làm phát sinh ra các photo. Đặc điểm của đèn LED là thời gian hồi đáp nhỏ cỡ ns. Có khả năng điều biến đến tần số cao nhờ nguồn nuôi. Quang thông của LED nhỏ ( cỡ mW) và nhạy với nhiệt độ , do đó hạn chế phạm vi sử dụng của đèn. Lazer : Laze là nguồn sáng đơn sắc có định hướng và đặc biệt là tính liên kết mạnh ( cùng phân cực, cùng pha) vì vậy khi chồng chéo lên nhau chúng tạo thành một sóng duy nhất và xác định. Laze có bước sóng đơn sắc , thông lượng lớn độ định hướng cao và truyề đi xa với khoảng cách lớn. 6.3.2.Cảm biến quang điện. Cảm biến quang điện thực chất là các linh kiện quang điện, chúng thay đổi tính chất khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào bề mặt cùa chúng . Tế bào quang dẫn ( quang điện trở): Nguyên lý làm việc của quang điện trở là sự phụ thuộc của điện trở vào thông lượng bức xạ và phổ bức xạ đó. Tế bào quang dẫn là càm biến quang điện có độ nhạy cao . Cơ sở vật lý của tế bào quang điện là hiện tượng quang dẫn do hiệu ứng quang điện trong. Đó là hiện tượng giải phóng các hạt tải điện trong vật liệu dưới tác dụng của ánh sáng làm tăng độ dẫn điện của vật liệu. Vật liệu chế tạo cảm biến quang điện . Cảm biến quang thường được chế tạo bằng các bán dẫn đa tinh thể đồng nhất hoặc đơn tinh thể, bán dẫn riêng hoặc bán dẫn pha tạp, thí dụ: Đa tinh thể: CdS, CdSe, CdTe PbS, PbSe, PbTe Đơn tinh thể : Ge, Si tinh khiết hoặc pha tạp Au, Cu, Sb, In SbIn, AsIn, Pin, CdHgTe Các tính chất cùa cảm biến quang điện. Điện trở tối R0 phụ thuộc vào dạng hình học, kích thước , nhiệt độ và bản chất của vật liệu. Ví dụ: PbS, CdS, CdSe có điện trở tối từ 104 đến 109 ở 250C SbIn, SbAs có điện trở tối từ 10 đến 103 ở 250C Độ nhạy: Độ nhạy phổ của tế bào quang dẫn được định nghĩa theo biểu thức: Ví dụ: Điện áp đặt U=10v , diện tích bề mặt tế bào bẳng 1cm2 Độ nhạy phổ khoảng 0.1 đến 10A/W. 6.3.3.Photo Diot. Nguyên lý hoạt động: Sự tiếp xúc của hai bán dẫn loại n và loại p ( vùng chuyển tiếp P_N) tạo nên vùng nghèo hạt dẫn vì ở tồn tại một điện trường và hình thành hàng rào thế Vb (hình 10) .Khi không có điện thế bên ngoài đặt lên vùng chuyển tiếp (U=0) dòng điện qua chuyển tiếp I=0 . Hình 10 : Cấu tạo của photo diot Khi đặt một điện áp lên diot, vói điện áp ngược đủ lớn Ud >> , chiều cao của hàng rào thế tăng lên và tên diot chỉ còn dòng điện ngược Ir = I0 (I0 – dòng điện tối). Khi chiếu sáng diot bằng bức xạ có bước sóng sẽ xuất hiện các cặp điện tử _ lỗ trống, dưới tác dung của điện truong các cặp điện tử _ lỗ trống chuyển động và dòng điện ngược Ir tăng lên rất nhanh. Các vật liệu dùng chế tao Photo diot là Si, Ge (vùng ánh sáng nhìn thấy) và GaAs, InAs, InSb ( vùng hồng ngoại). Chế độ hoạt động: Chế độ quang dẫn : sơ đồ nối photo diot gồm nguồn E , phân cực ngược diot và điện trở R như Hình 11. Hình 11 : sơ đồ nối photo diot Từ hình vẽ ta có : E = UR - Ud Chế độ quang thế : trong chế độ này không có điện áp ngoài đặt vào diot. Photo diot hoạt động như một nguồn dòng. Hình 12 : Mạch đo ở chế độ quang thế Đặc điểm của chế độ làm việc này là không có dòng tối do không có nguồn điện phân cực ngoài, do đó có thể giảm nhiễu và cho phép đo quang thông nhỏ. 6.3.4. Photo transitor. Photo transitor là các transitor silic loại npn mà vùng bazơ được chiếu sáng, không có điện áp đặt trên bazơ, chỉ có điện áp trên C, đồng thời chuyền tiếp B-C phân cực ngược như Hình 13 . Điện áp đặt chủ yếu là phần chuyển tiếp B-C ( phân cực ngược) trong khi đó sự chênh lệch điện thế giữa E và B thay đổi không đáng kể Khi phần chuyển tiếp B_C được chiếu sáng , sự hoạt động của photo transitor giống như photo diot ở chế độ quang dẫn với dòng điện ngược: Ir = I0 + Ip Với : Ir : dòng điện ngược I0 : dòng điện tối Ip : dòng điện sang HìHình 13: Photo transitor 6.3.5.Cảm biến phát xạ ( Tế bào quang điện). Nguyên lý hoạt động: Cảm biến phát xạ là biến hiệu quang thành tín hiệu điện nhờ hiện tượng phát xạ điện tử ở điện cực catot khi có thông lượng ánh sáng chiếu vào . Số lượng điện tử phát xạ tỷ lệ với số photon chiếu vào cực cactot . Cảm biến phát xạ được phân thành: Tế bào quang điện chân không. Đèn ion khí. Bộ nhân quang điện. Cơ chế hoạt động cùa tế bào quang điện như sau: Khi có thông lượng ánh sáng chiếu vào, catot hấp thụ photon và giải phóng điện tử , các điện tử này di chuyển lên bề mặt và thoát ra ngoài. Các vật liệu dùng làm photon cactot là: AgOCs nhạy với vùng hồng ngoại. Cs2Sb, K2CsSb nhạy với vùng ánh sáng nhìn thấy và vùng tử ngoại. Tế bào quang điện chân không. Tế bào quang điện chân không là một ống hình trụ được hút chân không tới áp suất 10-6 đến 10-8 mmHg. Trong ống đặt một cactot có khả năng phát xạ khi được chiếu sáng và một anot như Hình 14. Hình 14 : Tế bào quang điện Tế bào quang điện có khí: Tế bào quang điện có khí cấu tạo tương tự như chân không , bên trong đèn được điền đầy khí trơ (argon), với áp suất cỡ 10-1 đến 10-2 mmHg. Bộ nhân quang: Khi bề mặt chất rắn bị bắn phá bởi các điện tử có năng lượng đủ lớn, nó có thể phát xạ các điện tử (phát xạ thứ cấp). Hình 15 : Sơ đồ thiết bị nhân quang Nếu số điện tử phát xạ thứ cấp lớn hơn số điện tử tới sẽ có khả năng khuếch đại tín hiệu. Sự khuếch đại này ứng dụng làm thiết bị nhân quang. Các điện tử tới ( điện tử sơ cấp) được phát xạ từ một photo catot đặt trong chân không bị chiếu sáng. Chúng được tiêu thụ trên điện cực thứ nhất của dãy các điện cực. Bề mặt các điện cực phủ vật liệu có khả năng phát xạ thứ cấp. Các điện cực mắc nối tiếp nhau với điện thế tăng dần thông qua các điện trở sao cho các điện tử bị hút lien tiếp bởi các điện cực tiếp theo làm số điện tử thứ cấp tăng lên. Cáp quang: Dạng cáp quang đơn giản bao gồm một lõi có chiết suất , bán kính và vỏ. Vật liệu chế tạo cáp quang là: SiO2 tinh thiết hoặc pha tạp. Thủy tinh , thành phần của SiO2 và phụ gia Na2O3 , B2O3. Polime. Ứng dụng của cảm biến quang: Dùng tế bào quang dẫn để điều khiển rơle: Sơ đồ Hình 16a dùng điều khiển trực tiếp rơle , hình 16b điều khiển thông qua transitor khuếch đại.Nguyên lý làm việc của hệ thống điều khiển là khi chưa có ánh sang chiếu vào tế bào quang dẫn , dòng điện qua quang dẫn và rơle rất nhỏ chưa đủ để rơle tác động .Khi bị chiếu sáng , điện trờ của quang dẫn giảm đi rất nhanh dòng điện qua quang dẫn tăng lên đủ lớn để rơle tác động . Hình 16: Dùng tế bào quang dẫn để điều khiển rơle Ứng dụng photodiot và transitor trong điều khiển: Tùy thuộc vào mục đích sử dụng photo diot và photo transitor ta có thể thực hiện các đại lượng khác nhau hoặc điều khiển trong quá trình sản xuất như: quay tốc độ quay cùa động cơ đếm số lượng vật , đo cường độ ánh sáng, điều khiển đóng mở các rơle….. Hình 17 : Ứng dụng transitor quang đóng mở các rơle Hình 17 là sơ đồ ứng dụng photo transitor trong chế độ chuyển mạch để điều khiển. Trong trường hợp này người ta sử dụng thông tin dưới dạng nhị phân : có hay không có ánh sáng hoặc ánh sáng lớn hơn hoặc nhỏ hơn ngưỡng chiếu sáng. Transitor khóa hoặc thông cho phép điều khiển trực tiếp hoặc qua khuếch đại như một rơle, điều khiển cổng logic hoặc thyristor .Hình 18 ứng dụng cáp quang và càm biến quang đo di chuyển và tốc độ quay. Hình 18 : Ứng dụng cáp quang và càm biến quang đo di chuyển và tốc độ quay Ngoài ra có thề ứng dụng photo transitor đề chế tạo ra dụng cụ đo ánh sáng (luxmet) như Hình 19. Hình 19: Luxmet Các photo transitor làm việc trong chế đô tuyến tính và có thể đo được ánh sáng không đổi hoặc thay đổi. 6.4. Cảm biến điện từ 6.4.1.Khái niệm Cảm biến điện từ là nhóm các cảm biến với nguyên lý hoạt động dựa theo qui luật điện từ. Đại lượng cần đo làm thay đổi giá trị điện cảm, hỗ cảm, từ thông hoặc độ từ thẩm của lõi thép và cuộn dây. Cảm biến điện từ được phân thành: cảm biến điện cảm, cảm biến kiểu biến áp và cảm biến cảm ứng. Cảm biến điện cảm: Cảm biến điện cảm là một cuộn dây bằng đồng có đường kính từ 0,02mm đến 0,1mm được quấn trên lõi thép có khe hở không khí( mạch từ hở) với các dạng khác nhau. Dưới tác động của đại lượng đo (Xv) phần ứng 3 dịch chuyển làm cho khe hở không khí D thay đổi kéo theo từ trở của mạch từ ( Rm) thay đổi và điện cảm L( hoặc tổng trở Z) cũng thay đổi theo. Mạch từ được làm bằng thép dẫn từ như Ferit. Hình 20: Cảm biến điện cảm Cảm biến hỗ cảm (Biến áp): Cảm biến hỗ cảm giống như cảm biến điện cảm về cấu tạo mạch từ và hình dạng, chỉ khác ở chỗ ngoài cuộn dây kích thích (sơ cấp) còn có cuộn dây đo( thứ cấp). Nguyên lý hoạt động của cảm biến dựa trên hiện tượng điện từ. Khi có đại lượng vật lý tác động, làm cho lõi động di chuyển, khe hở không khí D thay đổi và từ trở Rm thay đổi do đó từ thông φ móc vòng qua cuộn dây thứ cấp tạo nên sức điện động hỗ cảm. Hình 21: Cảm biến hỗ cảm Cảm biến hỗ cảm có đặc tính phi tuyến khi D thay đổi và tuyến tính khi tiết diện S thay đổi. Ngoài ra độ nhạy cảm của cảm biến tăng khi tần số nguồn cung cấp tăng. Sai số của cảm biến gây nên do nguồn cung cấp điện áp không ổn định, điện áp thay đổi 1% gây sai số 1%. Tần số nguồn cung cấp thay đổi cũng gây sai số. Với sự thay đổi tần số 1% gây sai số 0,2% . Đặc tính của cảm biến điện cảm và hỗ cảm phụ thuộc vào hệ thống cơ nối phần động. Tần số làm việc khá rộng từ 500Hz đến vài KHz. 6.4.2.Ứng dụng của cảm biến điện cảm vả cảm biến hỗ cảm Do đặc điểm của cảm biến điện cảm và cảm biến hỗ cảm giống nhau nên chúng được ứng dụng đo các đại lượng vật lý như nhau. Đo độ dịch chuyển: Hình 22 là sơ đồ ứng dụng cảm biến hỗ cảm đo dịch chuyển. Cung cấp điện áp cho mạch sơ cấp cảm biến là một máy phát hình sin tần số 1,5Khz. Điện áp ra của cảm biến được khuếch đại xoay chiều sau đó qua chỉnh lưu nhạy pha lọc thông thấp để được điện áp một chiều. Hình 22: sơ đồ khối mạch ứng dụng cảm biến hỗ cảm đo dịch chuyển. Tín hiệu một chiều được khuếch đại để tăng độ lớn với điện áp đưa ra chỉ thị Analog. Nếu thể hiện kết quả dưới dạng số, tín hiệu ra được đưa qua mạch chuẩn hóa đến bộ biến đổi A/D và hiển thị dưới dạng số, mặt khác có thể gửi tín hiệu đo được qua một hệ thống khác với mạch giao tiếp BCD. Bộ so sánh thực hiện điều khiển “dịch chuyển hay không dịch chuyển” với hai giới hạn điều chỉnh được cho hệ thống. Đo độ dày của vật không dẫn từ: Hình 23 là sơ đồ nguyên lý của cảm biến điện cảm đo độ dày của vật không dẫn từ. Trong đó độ dày được xác định như khe hở giữa hai phần mạch từ (δ) và điện cảm L. Hình 23: Ứng dụng cảm biến điện cảm đo độ dày vật không dẫn từ. 7. Khái quát về họ PLC S7-200 của Siemens:( chưa học không dám đưa vào sợ không thuyết trìh đc) IV.CÁC CẢM BIẾN CẦN SỬ DỤNG,NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 1 cảm biến CAM_BIEN_1 I0.6 Cảm biến phát hiện chai bơm nước CAM_BIEN_2 I0.1 Cảm biến phát hiện chai để đặt nắp CAM_BIEN_3 I0.2 cảm biến phát hiện chai để vặn nắp CAM_BIEN_4 I0.3 cảm biến phát hiện chai để tay máy gắp CAM_BIEN_5 I0.4 Cảm biến phát hiện thùng 2. Cảm biến Mô hình sử dụng các loại cảm biến sau: Cảm biến quang: A3R-1MX: KPS- AN20DS: E3C-JC4: * Cảm biến dung (E2K-C) 3,vận hành hệ thống 3.1 Vận hành của toàn hệ thống Bật CB để cấp nguồn vào hệ thống. Khi nhấn Start thì hệ thống sẽ bắt đầu hoạt động. Khi nhấn Stop hệ thống sẽ ngừng hoạt động sau khi đã hoàn thành xong một khâu. *** Lưu ý : Các khối trong hệ thống luôn được vận hành liên tục độc lập với nhau. 3.2 Vận hành của từng bộ phận. Bộ phận chiết nước : - Khi có chai được cấp vào thì băng chuyền 1 sẽ đưa chai đến vị trí cảm biến châm nước băng chuyền sẽ dừng lại ,lúc này bộ phận chiết nước sẽ được hạ xuống bởi Van khí 3 và động cơ chiết nước sẽ chiết nước vào chai (thời gian có thể thay đổi được tùy theo thể tích của chai). Mức nước trong chai sẽ được định khoảng một thời gian Delay .Nếu chai được bơm đầy thì hệ thống chiết nước sẽ được nâng lên và băng chuyền 1 sẽ được set để đưa chai tới băng chuyền 2. Băng chuyền 2 sẽ đưa chai tới hệ thống đặt nắp chai. Bộ phận đặt nắp chai : Khi cảm biến 2 phát hiện có chai thì băng chuyền 2 sẽ dừng lại và hệ thống đặt nắp chai sẽ được hạ xuống. Động cơ bước sẽ quay 1 góc đúng bằng 90 độ để đưa nắp chai vào đúng vị trí cần thiết, đồng thời xilanh 2 sẽ được set để đóng nút chai vào miệng chai. Sau đó hệ thống đặt nắp chai sẽ được nâng lên, băng chuyền 2 sẽ được set trở lại để đưa chai tới băng chuyền 3. Các loại nắp: Nắp vặn (screw) Nắp nhấn (Snap-on) Màng dán Bộ phận vặn nắp chai : Khi băng chuyền 3 đưa chai đến vị trí cảm biến 3 thì băng chuyền 3 sẽ dừng lại. Hệ thống vặn nắp sẽ được hạ xuống. VK6 và VK9 sẽ được Set để ép chặt nắp chai từ hai bên, lò xo sẽ ép nắp chai từ phía trên. Động cơ vặn nắp sẽ quay trong 1 khoảng thời gian nhất định để vặn chặt nút chai. Sau đó hệ thống vặn nắp sẽ từ từ được nâng lên và băng chuyền 3 sẽ hoạt động trở lại để đưa chai tới băng chuyền 4. Bộ phận tay máy đóng hộp : Máy đóng thùng carton Khi băng chuyền 4 đưa chai đến vị tri cảm biến 4 thì tay máy sẽ kẹp lấy chai (tay máy lúc này đã chờ sẵn ở vị trí gắp chai). Chai sẽ không được gắp cho đến khi có thùng đi qua băng chuyền 5 và được cảm biến 5 xác nhận. Lúc đó băng chuyền 5 sẽ dừng lại và tay máy sẽ gắp chai đến đặt vào vị trí đầu tiên trong hộp (có tất cả 4 vị trí). Khi tay máy đã gắp đủ 4 chai thì băng chuyền 5 sẽ được set để tải hộp ra ngoài. Tay máy sẽ tự động quay về vị trí cố định ban đầu để chờ chai tiếp theo. Quá trình lại tiếp tục tuần tự các quá trình trên . 2.3. Động cơ bước : VI,LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN Y N Begin Nạp số chai ban đầu = 0 Gọi chương trình con kiểm tra vị trí ban đầu của tay máy start Gọi chương trình điều khiển băng chuyền 1 khâu rót nước Gọi chương trình điều khiển băng chuyền 2 khâu đặt nắp chai Gọi chương trình điều khiển băng chuyền 3 khâu vặn nắp Gọi chương trình điều khiển băng chuyền 4, 5 và tay máy Stop Dừng 5 băng chuyền 1. Chương trình chính: 2. Băng chuyền 1 : Rót nước vào chai Bơm 5s N Y Dừng bơm nước Delay 1s Cảm biến 1 N Y Begin BC1 Delay 0.5s KĐ bơm nước Delay 0.5s Dừng băng chuyền 1 Mở van khí 3 Đóng van khí 3 Chạy lại băng chuyền 1 Khi có chai được cấp vào thì băng chuyền 1 sẽ đưa chai đến vị trí cảm biến châm nước băng chuyền sẽ dừng lại ,lúc này bộ phận chiết nước sẽ được hạ xuống bởi Van khí 3 và động cơ chiết nước sẽ chiết nước vào chai (thời gian có thể thay đổi được tùy theo thể tích của chai). Mức nước trong chai sẽ được định khoảng một thời gian Delay .Nếu chai được bơm đầy thì hệ thống chiết nước sẽ được nâng lên và băng chuyền 1 sẽ được set để đưa chai tới băng chuyền 2. Băng chuyền 2 sẽ đưa chai tới hệ thống đặt nắp chai. 3. Băng chuyền 2 : Bộ phận đặt nắp chai Begin BC2 Cảm biến 2 N Y Delay 0.5s Delay 0.5s Delay 0.5s Dừng băng chuyền 2 Mở van khí 5 PLC xuất xung 90 độ Delay 0.5s Mở van khí 2 Delay 0.5s Đóng van khí 2 Đóng van khí 5 Delay 0.5s KĐ băng chuyền 2 Khi cảm biến 2 phát hiện có chai thì băng chuyền 2 sẽ dừng lại và hệ thống đặt nắp chai sẽ được hạ xuống. Động cơ bước sẽ quay 1 góc đúng bằng 90 độ để đưa nắp chai vào đúng vị trí cần thiết, đồng thời xilanh 2 sẽ được set để đóng nút chai vào miệng chai. Sau đó hệ thống đặt nắp chai sẽ được nâng lên, băng chuyền 2 sẽ được set trở lại để đưa chai tới băng chuyền 3. 4. Băng chuyền 3 : Bộ phận vặn nắp chai Begin 3 Cảm biến 3 N Delay 0.5s Delay 0.5s Delay 0.5s Dừng băng chuyền 1 Mở van khí 4 Tắt motor vặn nắp Đóng van khí 6 Delay 0.5s Đóng van khí 9 KĐ băng chuyền 3 Mở van khí 9 Mở van khí 6 KĐ motor vặn nắp Delay 1s Khi băng chuyền 3 đưa chai đến vị trí cảm biến 3 thì băng chuyền 3 sẽ dừng lại. Hệ thống vặn nắp sẽ được hạ xuống. VK6 và VK9 sẽ được mở để ép chặt nắp chai từ hai bên, lò xo sẽ ép nắp chai từ phía trên. Động cơ vặn nắp sẽ quay trong 1 khoảng thời gian nhất định để vặn chặt nút chai. Sau đó hệ thống vặn nắp sẽ từ từ được nâng lên và băng chuyền 3 sẽ hoạt động trở lại để đưa chai tới băng chuyền 4. 5. Băng chuyền 4, 5, tay máy: T= DC duoi Dừng Đ/C tay máy dưới, khởi động Đ/C tay máy trên Encoder đếm đủ xung N Y Dừng Đ/C tay máy trên Delay 0.5s rồi đẩy pittong tay may trên và dưới xuống vị trí tương ứng trong hộp Delay 0.5s rồi nhả pittong kẹp chai ra để chai vao hộp Delay 0.5s rồi nhả pittong tay may trên và dưới về vị trí ban đầu Bật đảo chiều động cơ tay máy Delay 0.5s rồi khởi động Đ/C tay máy trên Begin 4 Cảm biến 4 N Y Tăng bit đếm lên 1 Delay 0.5s rồi dừng băng chuyền 4 Delay 0.5s tiếp và đẩy pittong cánh tay dưới xuống Delay 0.5s tiếp và kích cho pittong kẹp chai xuống để kẹp sản phẩm Cảm biến 5 N Y Rút pittong cánh tay dưới lên, gọi chương trình con “Nạp Delay - Encoder” Khởi động động cơ tay máy dưới Encoder đếm đủ N Y Dừng động cơ tay máy trên Bit đếm = 1 or 3 Delay 0.5s và Tắt đảo chiều động cơ tay máy Khởi động động cơ tay máy dưới Dừng động cơ tay máy dưới Delay 0.5s và Tắt đảo chiều động cơ tay máy Công tắc HT N Y Số đếm = 0 Khởi động băng chuyền 5 Begin 5 Cảm biến 5 N Y Delay 0.5s rồi dừng băng tải 5 để nhận sản phẩm từ tay máy Số đếm = 4 N Y Tay máy trở về vị trí ban đầu N Y 6. Băng chuyền 5: Khi băng chuyền 4 đưa chai đến vị tri cảm biến 4 thì tay máy sẽ kẹp lấy chai (tay máy lúc này đã chờ sẵn ở vị trí gắp chai). Chai sẽ không được gắp cho đến khi có thùng đi qua băng chuyền 5 và được cảm biến 5 xác nhận. Lúc đó băng chuyền 5 sẽ dừng lại và tay máy sẽ gắp chai đến đặt vào vị trí đầu tiên trong hộp (có tất cả 4 vị trí). Khi tay máy đã gắp đủ 4 chai thì băng chuyền 5 sẽ được set để tải hộp ra ngoài. Tay máy sẽ tự động quay về vị trí cố định ban đầu để chờ chai tiếp theo