Bài giảng Cảm biến và cơ cấu chấp hành

ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 2 – Cảm biến và cơ cấu chấp hành PHẦN I ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH (PLC) CHƯƠNG 2 CẢM BIẾN VÀ CƠ CẤU CHẤP HÀNH Chủ đề: ƒ Lắp ráp cảm biến ƒ Các loại cảm biến logic và liên tục ƒ Một số cơ cấu chấp hành Mục đích: ƒ Nắm rõ hoạt động của các cảm biến, cơ cấu chấp hành và cách sử dụng chúng. ƒ Nối kết thiết bị ngoại vi với PLC. 21 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 2 – Cảm biến và cơ cấu chấp hành 2.1. CẢM BIẾN 2.1.1. Giới thiệu Các cảm biến giúp cho PLC phát hiện các trạng thái và đo lường các giá trị của một quá trình. Cảm biến Logic chỉ xác định trạng thái đúng hay sai của một hiện tượng vật lý, còn cảm biến liên tục biến đổi hiện tượng vật lý thành các tín hiệu đo lường được là dưới dạng điện áp hay dòng điện. Các loại cảm biến logic cơ bản thường gặp: ƒ Cảm ứng điện từ; ƒ Cảm ứng điện dung; ƒ Cảm ứng quang; Cảm biến siêu âm; ƒ Tiếp xúc cơ. Các loại cảm biến tương tự cơ bản thường gặp: ƒ Góc quay hay vị trí; ƒ Gia tốc; ƒ Nhiệt độ; ƒ Áp suất hay lưu lượng; ƒ Ứng suất, biến dạng, lực; ƒ Aùnh sáng; Hầu hết các cảm biến liên tục dựa trên cơ sở thuộc tính nhạy cảm về điện của các vật liệu và thiết bị. Kết quả là tín hiệu thường đòi hỏi xử lý tín hiệu bằng cách khuếch đại dòng hay áp để đạt được ngưỡng dòng và áp thích hợp. Đôi khi, các cảm biến liên tục cũng được gọi là các bộ chuyển đổi (Transducer). Bởi vì chúng chuyển đổi hiện tượng vào thành hiện tượng ra dưới dạng khác , chẳng hạn như :” áp suất – điện áp”. 2.1.2. Cảm biến Logic Khi cảm biến phát hiện sự thay đổi trạng thái vật lý của đối tượng thì sẽ truyền tín hiệu đến PLC dưới dạng điện áp hay dòng điện. đầu ra từ cảm biến (đầu vào của PLC) thường là transistor mắc theo kiểu NPN (gọi là sinking) hình 2.1 hoặc PNP (gọi là sourcing), Hình 2.2. Hình 2.1 – Kiểu NPN (Sinking) 22 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 2 – Cảm biến và cơ cấu chấp hành Hình 2.2 – Kiểu PNP (Sourcing) Giao tiếp đầu vào của PLC đối với Sinking sensor được thể hiện như hình 2.3 và đối với Sourcing sensor như hình 2.4. Hình 2.3 – Ngõ vào PLC cho Sinking sensor Hình 2.4 – Đầu vào PLC cho Sourcing sensor 23 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 2 – Cảm biến và cơ cấu chấp hành Nối dây là mối quan tâm chính trong các ứng dụng điều khiển PLC, vì vậy để giảm thiểu số dây nối, cảm biến hai dây trở nên thịnh hành. Cảm biến hai dây dược mô tả ở hình 2.5. 2.1.2.1. Công tắc từ Công tắc từ là rất giống với rờ le, chỉ khác ở chỗ là nam châm vĩnh cửu thay bằng cuộn dây. Khi nam châm ra xa thì công tắc hở, nhưng khi nam châm được mang đến gần hơn thì công tắc đóng lại, mô tả trên hình 2.6. Ngõ vào PLC cho Sinking sensorNgõ vào PLC cho Sourcing sensor Hình 2.5 – Lắp cảm biến 2 dây Công tắc này thường được sử dụng cho cửa và màn hình an toàn. Nam châm Hình 2.6 – Công tắc từ Ví dụ công tắc từ dùng trong giới hạn hành trình của xy lanh khí nén. Hình 2.7. b) Đã cảm ứnga) Chưa cảm ứng 1. Nam châm vĩnh cửu 11 Hình 2.7 Cảm ứng từ pittông khí nén 24 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 2 – Cảm biến và cơ cấu chấp hành 2.1.2.2. Cảm biến quang Cảm biến quang gồm bộ phát và bộ thu ánh sáng. Bộ phát sẽ tạo ra tia sáng nằm trong phổ thấy được hoặc không thấy bằng đèn LED hoặc đi ốt laser. Bộ thu được làm bằng các đi ốt quang hay transistor quang. Bộ thu và bô nhận có thể bố trí thành một khối hoặc tách rời tùy theo yêu cầu sử dụng. Cảm biến quang cơ bản được mô tả ở hình 2.8. Hình 2.8 – Nguyên tắc cơ bản của cảm biến quang 2.1.2.3. Cảm nhận xuyên tia Cảm nhận xuyên tia là bộ thu và bộ phát nằm đối diện nhau. Nguyên tắc xuyên tia Ví dụ: phát hiện gãy mũi dao cắt 2.1.2.4. Loại phản xạ ánh sáng Bộ phát và thu ánh sáng được đặt trong một chỗ và có một gương phản xạ bố trí phía đối diện. Ví dụ: đếm sản phẩm Nguyên tắc phản xạ 25 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 2 – Cảm biến và cơ cấu chấp hành 2.1.2.5. Loại khuếch tán ánh sáng Loại này hạn chế khả năng phát hiện vật thể do ánh sáng bị phân tán khi gặp đối tượng. Nguyên tắc phân tán Phát hiện trạng thái sản phẩm 2.1.2.6. Cảm biến từ Cảm biến từ là biến đổi từ trường sang điện áp. Nguyên tắc được mô tả hình 2.9. Tham khảo ở Bài giảng Điều khiển khí nén & thủy lực. Hình 2.9 – Sơ đồ nguyên lý 2.1.2.7. Cảm biến điện dung 26 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 2 – Cảm biến và cơ cấu chấp hành Cảm biến điện dung phát hiện hầu hết các loại vật liệu ở khoảng cách vài cm.Cảm biến điện dung biến đổi điện dung sang điện áp. Nguyên tắc được mô tả hình 2.10. Hình 2.10 - Sơ đồ nguyên lý Tham khảo ở Bài giảng Điều khiển khí nén & thủy lực. 2.1.2.8. Cảm biến siêu âm Nguyên tắc là dựa trên quá trình phát và phản hồi của sóng âm thanh giữa đối tượng và bộ phận nhận. Tần số sóng âm thanh thường trên ngưỡng nghe được là 16KHz. Ví dụ: hình bên là sắp xếp kích thước theo độ cao khác nhau. 2.1.3. Cảm biến tương tự Cảm biến tương tự biến đổi trạng thái vật lý của đối tượng thành tín hiệu điện áp hay dòng điện. Phần này chỉ đề cập đến một số cảm biến thường dùng phổ biến trong công nghiệp. 2.1.3.1. Chuyển vị góc – chiết áp Các chiết áp đo lường vị trí quay của trục sử dụng giống như một biến trở và được mô tả hình 2.11. Hình 2.11-Chiết áp 27 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 2 – Cảm biến và cơ cấu chấp hành Chiết áp mô tả ở hình 2.12 là một bộ chia điện áp, khi càng gạt xoay thì điện áp ra của nó tỉ lệ với góc xoay tương ứng. Chiết áp là phổ biến vì giá thành rẽ, không cần các điều khiển xử lý tín hiệu đặc biệt. Nhưng chúng bị giới hạn về độ chính xác, thường khoảng 1% và hao mòn cơ học. Hình 2.12 - Bộ chia điện áp 2.1.3.2. Thiết bị mã hóa (Encoder) ™ Bộ giải mã tuyệt đối ( Absolute Encoder ) : Là loại thiết bị mã hóa mà các tín hiệu mã đầu ra song song để chỉ thị góc quay tuyệt đối của trục. Loại này không cần bộ đếm để điếm xung mà vẫn có thể biết góc quay của trục thiết bị mã hóa. Cũng giống như nhiều loại Encoder khác, bộ giải mã tuyệt đối gồm một đĩa tròn, trên đó có những khoảng trong suốt và đục. Aùnh sáng có thể xuyên qua những phần trong suốt đến bộ cảm biến quang ( Photo transistor ), khi đĩa quay thì bộ cảm biế bật lên 1 và phần ánh sáng bị chặn bởi những phần đục làm cảm biến quang xuống 0. Như vậy cảm biến quang sẽ tạo thành những xung tuần tự: Khi thiết bị mã hóa này được sử dụng với cùng một thiết bị khác, thì vị trí 0 của trục xem như góc tọa độ. Khi trục của thiết bị mã hóa quay về tọa độ góc này thì góc quay có thể được hiển thị trên bộ chỉ thị của máy. Tín hiệu đầu ra của thiết bị mã hóa không bị ảnh hưởng bởi nhiễu của thiết bị đóng, ngắt và không yêu cầu điều chỉnh góc quay chính xác. Hơn nữa, thậm chí nếu tín hiệu mã hóa đầu ra không thể đọc vì trục quay quá nhanh, thì góc quay chính xác được ghi khi tốc độ quay giảm xuống, hoặc ngay khi nguồn cho thiết bị mã hóa bị ngắt. Thêm nữa, mã hóa sẽ không hoạt động do sự rung động của các thiết bịsử dụng nó. Loại thiết bị mã hóa tuyệt đối, có độ phân giải cao hơn và cho ra các giá trị thay đổi trong phạm vi rộng hơn so với thiết bị mã hóa tăng dần ( Incremental Encoder ). ™ Thiết bị mã hóa tăng dần ( Incremental Encoder ) : Là loại thiết bị mã hóa có dãy xung ra phù hợp với góc của trục quay. Thiết bị mã hóa này không có xung ra khi trục không làm việc. Do đó cần có một bộ đếám để xung ra. 28 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 2 – Cảm biến và cơ cấu chấp hành Thiết bị mã hóa cho biết vị trí của trục quay bằng số xung được đếm. Dạng thiết bị mã hóa này chỉ có 1 hay 2 kênh ngõ ra : +Loại 1 chiều ( chỉ có đầu kênh A ) là loại chỉ sinh ra xung khi trục quay. +Loại 2 chiều ( có đầu ra kênh A và B ) cũng có thể cho biết chiều của trục quay, nghĩa là thuận chiều kim đồng hồ. Ngoài ra còn có đầu dây trung tính ( xung Z ) cho mỗi vòng quay, có nghĩa là nếu quay được 1 vòng thì xung Z lên 1. -Khi đĩa quay theo chiều kim đồng hồ thì xung track 1 (B) trễ pha hơn xung track 2 (A). -Ngược lại, khi đĩa quay ngược chiều kim đồng hồ thì xung track 1 (B) nhanh pha hơn xung track 2 (A). *Quay thuận chiều kim đồng hồ : Quay ngược chiều kim đồng hồQuay thuận chiều kim đồng hồ Đầu A vượt quá B ( độ lệch pha ) = 90 +- 45 (T/4 +- T/8) *Quay ngược chiều kim đồng hồ : Đầu ra A chậm so với B. Đối với thiết bị mã hóa 2 chiều thì người ta sử dụng 2 đầu ra song song để xác định trục quay theo chiều kim đồng hồ(CCW) dựa trên độ lệch pha của đầu ra A và B. Mặc dù độ lệch pha lý tưởng90 +- 0 song sai số cho phép đến +-45. Ngoài ra còn có xung chuẩn ở đầu ra cho mỗi vòng quay của trục thiết bị, chức năng chỉ thị 0 này cùng với thiết bị mã hóa dạng số được dùng để đặt tại điểm 0 của một bộ đếm nối bên ngoài hoặc trạng thái nghỉ của bộ nhận biết vị trí. Cảm biến Encoder dạng Absolute: Encoder dạng Absolute có ngõ ra là tín hiệu được mã hoá nhị phân. Bên trong Encoder bao gồm một dĩa tròn bên trên có khắc các vạch trong suốt và các vạch tối xen kẽ theo đường tròn đồng tâm. Tuỳ theo độ phân giải của Encoder mà số đường tròn đồng tâm đó nhiều hay ít. Cấu tạo dĩa quang trong Absolute Encoder 29 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 2 – Cảm biến và cơ cấu chấp hành Xét trên một đường vạch tròn, một diode phát quang sẽ phát chùm tia đi xuyên qua các vạch trong suốt và bị chặn lại ở những vạch tối. Bên kia mặt đĩa, song song với diode phát là một diode thu có nhiệm vụ như một cảm biến, ghi nhận các tín hiệu do diode phát đưa tới. Có bao nhiêu đường vạch tròn thì có bấy nhiêu diode thu tín hiệu. Các tín hiệu đọc được từ diode thu sẽ được đưa ra ngoài dưới dạng tín hiệu điện. Các tín hiệu điện này sẽ có dạng mã nhị phân phản ảnh vị trí của trục quay Encoder. Thông thường để dễ dàng trong chế tạo người ta mã hoá các vạch trong suốt và vạch tối theo mã Gray vì vậy để ứng dụng được trong các hệ thống sử dụng mã Binary thì ta phải có chương trình chuyển đổi từ mã Gray sang mã Binary. Một ưu điểm nưa của mã Gray là ở mỗi vị trí kế nhau thì chỉ có một bit được thay đổi, do đó sai số ở ngõ ra chỉ có thể tối đa là một đơn vị. Còn ở mã Binary thì có thể gây sai số lớn vì khi thay đổi vị trí thì có thể chỉ có một bit có trọng số cao được thay đổi còn các bit trên hàng khác chưa kịp thay đổi. Encoder loại Incremental: Encoder loại Incremental có ít kênh ngõ ra hơn loại Absolute, vì thế cấu tạo của nó đơn giản hơn. Trên bề mặt dĩa tròn bên trong Encoder có hai đường tròn đồng tâm. Mỗi đường có các vạch trong suốt và các vạch tối xen kẽ nhau. Cũng như loại Absolute Encoder, diode phát quang sẽ phát tín hiệu đi xuyên qua vạch trong suốt đến diode thu. Hai diode thu này sẽ chuyển đổi thành tín hiệu điện và đưa ra ngoài. Vị trí các vạch trong suốt của hai đường lệch nhau một góc và dựa vào góc lệch pha giữa hai tín hiệu ra là sớm pha hay trễ pha mà ta xác định chiều quay là thuận hay nghịch. 090 A B Cảm biến quang Cấu tạo dĩa quang trong Incremental Encoder Dạng xung ngõ ra : A B Quay theo chiều thuận A Quay theo chiều nghịch B 30 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 2 – Cảm biến và cơ cấu chấp hành 2.1.3.4. Chuyển vị dài Chiết áp xoay đã được thảo luận ở trên, nhưng chiết áp cũng có thể dùng trong dạng dài hay trượt. Những loại này có khả năng đo lường chuyển vị dài theo khoảng cách. Hình 2.13 mô tả điện áp ra khi sử dụng chiết áp như bộ chia điện áp. Chiết áp trượt có những ưu và khuyết điểm như chiết áp xoay. Hình 2.13 – Chiết áp chuyển vị dài 2.1.3.5. Bộ đo vận tốc góc (Tachometer) Bộ đo tốc độ góc quay đo lường vận tốc góc của trục quay. Kỹ thuật phổ biến là gắn nam châm trên trục quay. Khi nam châm di chuyển qua lõi cảm biến cố định, dòng điện được sinh ra. Mỗi vòng xoay của trục tạo ra một xung điện áp, hình 2.14. Hình 2.14 – Đo vận tốc góc 2.1.3.6. Cảm biến lực và momen 2.1.3.6.1. Miếng đo biến dạng (Strain gage) Strain gages đo lường biến dạng ở các vật liệu sử dụng thay đổi điện trở của dây dẫn. Dây điện trở được dán trên bề mặt của vật thể bị biến dạng. Hình 2.15 mô tả các thuộc tính cơ bản của một dây dẫn không bị biến dạng. Như ta đã biết, điện trở của dây dẫn là một hàm của điện trở suất, chiều dài và tiết diện ngang của dây dẫn. Sau khi dây dẫn đã bị biến dạng, nó sẽ tạo ra kích thước và điện trở mới như mô tả hình 2.16. Nếu lực được tác dụng thì dây dẫn bị giãn dài hơn ( tương ứng là mô đun đàn 31 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 2 – Cảm biến và cơ cấu chấp hành hồi), nhưng tiết diện ngang của nó nhỏ lại ( tương ứng hệ số Poison). Ta có biến thiên điện trở được tính như dưới đây. Hình 2.15 - Các thuộc tính của dây dẫn điện Hình 2.16 - Tính chất cơ – điện của dây dẫn bị biến dạng module 32 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 2 – Cảm biến và cơ cấu chấp hành 2.1.3.7. Cảm biến áp suất và chất lỏng Cảm biến áp suất để đo áp suất của dòng lưu chất, cảm biến lưu lượng đo tốc độ của dòng chảy qua một tiết diện nào đó. Tín hiệu ra của cảm biến thường là điện áp với giá trị rất bé. Do đó người ta phải khuếch đại tín hiệu rồi mới đưa vào bộ điều khiển. Hình 2.17 – Chuyển đổi áp suất Hình 2.18 – Van venturi 2.1.3.8. Cảm biến ánh sáng Cảm biến ánh sáng thật chất là quang trở (LDR –Light Dependant Resistor hay Photoresistor) có điện trở thay đổi theo cường độ ánh sáng chiếu vào, điện trở cao khi sáng chói sang điện trở thấp khi tối. Hình 2.19 mô tả mạch phát hiện cường độ ánh sáng. 2.1.3.9. Cảm biến nhiệt Đo lường nhiệt độ là rất phổ biến trong hệ thống điều khiển. Tầm nhiệt độ thường được mô tả với các phân loại sau: 2.1.3.9.1. Bộ dò nhiệt trở (RTD – Resistance Temperature Device) Hình 2.19 - Mạch phát hiện cường độ sáng Khi dây kim loại bị đốt nóng thì điện trở tăng. Nên nhiệt độ có thể được đo lường bằng cách sử dụng điện trở của dây dẫn. 33 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 2 – Cảm biến và cơ cấu chấp hành 2.1.3.9.2. Cặp nhiệt ngẫu Dựa trên nguyên tắc, mỗi kim loại đều có một mức điện thế tự nhiên, và khi hai kim loại khác nhau chạm với nhau thì có một sự khác nhau rất nhỏ về điện thế đó là điện áp. 2.2. CƠ CẤU CHẤP HÀNH Cơ cấu chấp hành để truyền động các cơ cấu cơ khí. Hầu hết cơ cấu này chuyển đổi điện năng thành cơ năng. 2.2.1. Solenoid và Rờ le Solenoid là các thành phần chấp hành phổ biến nhất. Nguyên tắc hoạt động cơ bản là lõi sắt từ di chuyển bên trong cuộn dây được mô tả hình 2.21. Hình 2.21- Hoạt động của Solenoid 2.2.2. Động cơ điện Động cơ điện là thiết bị biến đổi điện năng thành cơ năng. Bao gồm các loại thường sử dụng sau: 2.2.2.1. Động cơ DC Động cơ DC được dùng rất phổ biến trong kỹ thuật điều khiển. Nguyên tắc hoạt động của động cơ mô tả ở hình 2.22. 34 Hình 2.22-Hoạt động của động cơ DC ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 2 – Cảm biến và cơ cấu chấp hành Thay đổi tốc độ quay của động cơ thường sử dụng phương pháp điều rộng xung (PWM) bởi vì nó tạo ra điện áp thay đổi hiệu quả. Tần số sóng vuông điều chế thường trên 20KHz, trên tầm nghe của con người. Phương pháp được mô tả trên hình 2.23. Hình 2.23-Biểu đồ điều rộng xung Ví dụ: dùng điều chế độ rộng xung để điều khiển động cơ DC, hình 2.24. Hình 2.24 – Điều khiển tốc động cơ 2.2.2.2. Động cơ đồng bộ AC Động cơ đồng bộ AC có thể là 1 pha và 3 pha. Ta có thể thay đổi tốc độ của chúng bằng các bộ điều tốc như là bộ biến tần. 2.2.3. Động cơ bước Động cơ bước được thiết kế cho vị trí. Một bước tương ứng với một góc nào đó trong một vòng quay, thường người ta căn cứ vào kích cở góc của bước để xác định số bước. Chẳng hạn: 0.72,1.8, 2, 2.5, 5,15 và 30 độ. Có hai loại động cơ bước cơ bản, đơn cực (Unipolar) và đôi cực (Bipolar), được mô tả như hình 2.25. 35 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 2 – Cảm biến và cơ cấu chấp hành Hình 2.25- Mô tả cấu tạo động cơ bước Tuần tự điều khiển động cơ bước Hình 2.26 - Động cơ đơn cực 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 Hình 2.27 - Động cơ hai cực 36 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 2 – Cảm biến và cơ cấu chấp hành BÀI TẬP CHƯƠNG 2 Bài 1. Vẽ nối kết cần thiết của các thiết bị vào và ra với PLC được mô tả dưới. Đầu ra bao gồm một đèn 24Vdc, một đèn 120Vac. Đầu vào bao gồm 2 nút nhấn NO và một cảm biến quan có cả hai ngõ ra là NPN, PNP. Bài 2. Vẽ đường dây nối kết nguồn cung cấp và cảm biến loại PNP với ngõ vào PLC được cho hình dưới. Bài 3. Vẽ đường dây nối kết các thành phần đầu vào dưới đây với PLC. ƒ 3 nút nhấn thường hở ƒ 1 relay nhiệt ƒ 3 cảm biến sinking ƒ 1 cảm biến sourcing 37 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 2 – Cảm biến và cơ cấu chấp hành Bài 4. Một PLC có 8 ngõ vào Transistor điện áp 10-28Vdc và 4 ngõ ra là relay. Nó được nối kết với các thiết bị liệt kê dưới. Vẽ nối dây của chúng. ƒ • Two inductive proximity sensors with sourcing and sinking outputs. ƒ • A NO run button and NC stop button. ƒ • A 120Vac light. ƒ • A 24Vdc solenoid. Bài 5. Vẽ một hệ thống thủy lực đơn giản sẽ đẩy và giật lùi xylanh được nối kết với ngõ ra PLC. Bài 6. Một động cơ điện có gắn một cảm biế n góc quay trên trục. Động cơ truyền động cho hộp giảm tốc có tỉ số truyền 50:1. Nếu vị trí dịch chuyển của trục giảm tốc được xác định đến 0.1o thì cảm biến góc quay cần bao nhiêu xung trong một vòng quay. Bài 7. Một chiết áp được sư