Bài giảng Tự động hóa thiết bị điện - Các nguyên tắc xây dựng hệ thống tự động điều khiển

Tự động hoỏ thiết bị điện GV: Nguyễn Vũ Thanh 1 Chức năng, yêu cầu, mục tiêu tự động điều khiển TBĐ Cấu trúc của hệ tự động hoá Các kí hiệu điện Cách thể hiện sơ đồ nguyên lí, lắp ráp vμ nguyên tắc lắp đặt. Phân tích vμ tổng hợp hệ thống Các nguyên tắc cơ bản khi thiết kế Một số sơ đồ mạch điển hình Ch−ơng 1: Các nguyên tắc xây dựng hệ thống tự động điều khiển. chức năng của mạch tự động Thông tin - giao tiếp (HMI). – Giao tiếp giữa ng−ời và máy. – Các thiết bị giao tiếp, hiện thị: Nút nhấn, công tắc, chuyển mạch, không chế chỉ huy... Bàn phím Màn hình điều khiển, giám sát Hiển thị bằng LED, còi, màn hình tinh thể lỏng LCD Xử lí tín hiệu. – Tiếp nhận các tín hiệu điều khiển, tiến hành tính toán, đ−a ra các lệnh vận hành. Tự động hoỏ thiết bị điện GV: Nguyễn Vũ Thanh 2 Điều khiển năng l−ợng. – Thực hiện các biến đổi tĩnh. Chỉnh l−u Băm áp một chiều Điều áp xoay chiều Biến tần – Thực hiện biến đổi hệ cơ điện Điều khiển tốc độ động cơ. Điều khiển thông số theo yêu cầu công nghệ. – Tự động khởi động, hãm, đảo chiều. – Tự động đặt và gia tốc cho động cơ. – Kiểm soát tín hiệu đ−a vào hệ thống (hệ tuỳ động). – Tự động điều khiển theo ch−ơng trình đặt tr−ớc – Tự động điều khiển dây chuyền công nghệ. ổn định thông số. – Các thông số của hệ thống nh− điện áp, dòng điện, nhiệt độ, công suất... có thể bị thay đổi trong quá trình điều khiển. Khi các thông số này thay đổi có thể sẽ ảnh h−ởng đến công nghệ, do vậy cần thiết kế hệ điều khiển để ổn định chúng. Tự động hoỏ thiết bị điện GV: Nguyễn Vũ Thanh 3 Yêu cầu của mạch tự động Yêu cầu về kĩ thuật – Đáp ứng chế độ làm việc của thiết bị điện. – Đảm bảo các sai số tĩnh và động của hệ điều khiển. – Đảm bảo độ tác động nhanh và chính xác. – Có chỉ tiêu năng l−ợng cao (hiệu suất, cosϕ). – Phù hợp với điều kiện môi tr−ờng. Điều khiển đơn giản, hoạt động tin cậy – Tối thiểu hoá số l−ợng các thiết bị điều khiển. – Các thiết bị động lực phải có tính lắp lẫn. – Các thiết bị điều khiển có sự đồng nhất hoá. – Tối thiểu các thao tác điều khiển đối với ng−ời vận hành. Linh hoạt vμ thuận tiện khi điều khiển – Linh hoạt trong chuyển đổi các chế độ làm việc. – Bố trí hợp lí các thiết bị điều khiển. Tự động hoỏ thiết bị điện GV: Nguyễn Vũ Thanh 4 Dễ dμng phát hiện vμ kiểm tra sự cố – Đây là một yêu cầu cần thiết đối với một hệ thống điều khiển. – Trong một hệ thống điều khiển phức tạp, th−ờng chia ra thành nhiều nhóm chức năng, mỗi nhóm chức năng đều đ−ợc thiết kế các tín hiệu giám sát và báo sự cố (báo lỗi). Linh hoạt vμ thuận tiện khi điều khiển – Linh hoạt trong chuyển đổi các chế độ làm việc. – Bố trí hợp lí các thiết bị điều khiển. Tác động chính xác ở điều kiện bình th−ờng vμ sự cố. – Cần đảm bảo tốt sự vận hành bình th−ờng của hệ điều khiển. – Cần có các mạch bảo vệ hệ thống khi xảy ra sự cố, tránh đổ vỡ toàn bộ hệ thống. – Cần khắc phục các mạch giả trong khi vận hành xảy ra sự cố. Thuận tiện cho lắp đặt, sửa chữa, vận hμnh – Đối với các hệ thống điều khiển phức tạp, cần chia nhỏ thành các môdule. Các môdule này phải đ−ợc kết nối với nhau dễ dàng. – Các môdule cần có các kí hiệu đầu dây, hoặc cầu đấu, giắc cắm đặc biệt. – Khi thiết kế hệ thống cần tính đến khả năng mở rộng, do đó không gian thiết kế lắp đặt phải thuận lợi. Tự động hoỏ thiết bị điện GV: Nguyễn Vũ Thanh 5 – Các thiết bị điều khiển hoặc môdule điều khiển cần có tính năng lắp lẫn, dễ dàng tháo rời trong tr−ờng hợp cần bảo d−ỡng tại các trung tâm sửa chữa. Kích th−ớc, giá thμnh phải hợp lí. – Kích th−ớc thiết kế cần phù hợp với không gian lắp đặt. – Giảm thiểu các chi tiết bộ phận không cần thiết. – Tận dụng những thiết bị, chi tiết phù hợp với yêu cầu điều khiển để giảm giá thành nh−ng vẫn đáp ứng đ−ợc chỉ tiêu chất l−ợng. An toμn trong thiết kế vμ vận hμnh. – Yếu tố an toàn luôn đ−ợc đề cập đến trong quá trình thiết kế hệ thống. – Luôn có các thiết bị phòng chống cháy nổ cho các thiết bị động lực, các van bán dẫn công suất. – Các thiết bị điều khiển cần có các mạch chống nhiễu vô tuyến, nhiễu điện từ trong môi tr−ờng công nghiệp. – Các quy phạm về an toàn trong sử dụng khai thác thiết bị điện, thiết bị điều khiển cần đ−ợc xét tới khi thiết kế lắp đặt hệ thống. Tự động hoỏ thiết bị điện GV: Nguyễn Vũ Thanh 6 mục tiêu của mạch tự động Giảm giá thμnh sản phẩm. Nâng cao chất l−ợng sản phẩm. Tăng năng suất, đổi mới sản phẩm. Tác động lên nhiều khâu của dây chuyền sản xuất. Tác động lên nhiều ph−ơng án sản xuất. Nâng cao khả năng phát triển sản xuất. Cấu trúc của hệ tự động hoá Cấu trúc tổng quát: PHần ĐK Ôtômát lập trình Thiết bị điệnTh ôn g tin v μo C ơ cấ u đi ều kh iể n PHần tđ Máy sản xuất Đ ộn g cơ , t hi ết bị bi ến đổ i.. . C ảm bi ếnLệnh Tự động hoỏ thiết bị điện GV: Nguyễn Vũ Thanh 7 kí hiệu điện Cơ cấu điều khiển Khí cụ đóng cắt Máy điện một chiều Liên hệ cơ khí Máy điện xoay chiều Âm thanh Khí cụ đơn cực Cuộn hút Cầu chì Máy biến áp thể hiện sơ đồ nguyên lí Thể hiện bằng nét vẽ đậm (động lực) nhạt (điều khiển) Kí hiệu trên bản vẽ Bố trí linh kiện, thiết bị trên bản vẽ Đánh số đầu dây Tự động hoỏ thiết bị điện GV: Nguyễn Vũ Thanh 8 Thể hiện bằng nét vẽ Thể hiện sơ đồ mạch điện bằng nét vẽ a) sơ đồ động lực, b) sơ đồ mạch điều khiển Rd Rd K a) M3 3 b) M D K Rd Rd K Thể hiện bằng kí hiệu – Ví dụ: Rơle: R1, Cầu dao: CD1 áptômát: AT1, Cầu chì: CC1 Côngtắctơ thuận: T Côngtắctơ ng−ợc: N – Số thứ tự mối nối hoặc nút: 1, 2, 3, 4... Bố trí linh kiện thiết bị trên bản vẽ – Phân cột trên bản vẽ, các thiết bị th−ờng đ−ợc bố trí theo cột. – Các thiết bị th−ờng đ−ợc vẽ theo nhóm chức năng, ví dụ nhóm các rơle, nhóm các côngtắctơ, nhóm các áptômát – Đối với các tập bản vẽ, th−ờng đ−ợc đánh số trang, mối liên hệ về điện giữa các trang phải đ−ợc kí hiệu rõ ràng, ví dụ: 12/6 trang 12, cột 6 Tự động hoỏ thiết bị điện GV: Nguyễn Vũ Thanh 9 Đánh số đầu dây – Tạo thuận lợi khi đọc bản vẽ, và khi tạo bản vẽ lắp ráp – Ví dụ: A1, B2, C3 hoặc 405, 354... – Các số giống nhau, phải là các điểm đẳng thế 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 12/6 K KK 11/5 10/6 7/4 thể hiện sơ đồ lắp ráp Phân chia khu vực lắp ráp, nhóm các thiết cùng một khu vực (cùng một tủ điện). Lập bảng nối dây giữa các khu vực (nhóm thiết bị). Tạo lập sơ đồ nối dây giữa các khu vực. Nối dây từng khu vực (nhóm thiết bị). Tự động hoỏ thiết bị điện GV: Nguyễn Vũ Thanh 10 Ví dụ: M3 3 Ap K Rn X1 X2 K1 K2 r1 r2 Rn1 Rt2 Rn1 7 6 432 Rt2 Rt1 K2 Rt2 K1 Rt1 RnK K MD CC1X3 X4 1 5 8 Đ Sơ đồ lắp ráp khu vực động lực 3 3 42 5 4 1 X3 X3 X4 X2 X1 6 4 4 7 r1 r2 Rn K Ap 2 3 4 5 K Đến stato ĐC K1 K2K2 K1 764 Đến rôto ĐC 1 X4CBA L3 L2 L1 X2 X1 a b c Tự động hoỏ thiết bị điện GV: Nguyễn Vũ Thanh 11 khu vực rơle 431 2 D M Đ 1 2 2 3 3 4 3 3 3 3 6 6 7 8 8 X4 5 Rt1 Rt2 Rn1 43 5 6 7 X4 khu vực điều khiển Các nguyên tắc lắp đặt Bố trí thiết bị – Theo nguyên tắc trọng l−ợng – Theo nguyên tắc phát nhiệt – Theo nguyên tắc chức năng – Theo họ linh kiện – Theo chức năng phục vụ của nhóm linh kiện Tự động hoỏ thiết bị điện GV: Nguyễn Vũ Thanh 12 Dây động lực vμ điều khiển – Dây dẫn phải đảm bảo đ−ợc mức độ an toàn khi vận hành. Chịu đ−ợc dòng điện Iđm của phụ tải. Chịu đ−ợc độ bền cơ. Mầu sắc dây phù hợp với yêu cầu. – Dây động lực có thể là thanh cái, hoặc cáp điện. Các đầu nối cần có đầu cốt (hoặc kẹp cáp kiểu làn sóng). – Dây điều khiển th−ờng là dây đồng mềm gồm nhiều sợi nhỏ, có vỏ bọc cách điện. – Các đầu cốt nối dây cần đ−ợc đánh số theo bản vẽ nguyên lí, các số này th−ờng đ−ợc in trên các ghen nhựa. – Trong một số tr−ờng hợp đặc biệt cần chống cháy, dây dẫn th−ờng đ−ợc bọc nhựa đặc biệt, làm chậm quá trình cháy, có đặc tính ngăn chặn sự phát triển của lửa, hạn chế khói và các chất khí gây ăn mòn và độc hại. Bố trí dây trong tủ điện – Th−ờng đ−ợc đi theo hai chiều nằm ngang hoặc thẳng đứng. – Các nhóm dây cùng chức năng th−ờng đ−ợc bó bằng dây rút nhựa mềm, mầu đen hoặc trắng. – Các dây dẫn trong tủ điện cần đ−ợc đặt trong máng dây có sẻ rãnh hoặc ống đi dây. – Các dây dẫn đi ra thành tủ hoặc cửa tủ, cần có độ võng thích hợp và đ−ợc cuốn gọn gàng. Tự động hoỏ thiết bị điện GV: Nguyễn Vũ Thanh 13 Nối dây giữa bảng mạch vμ nối ra ngoμi – Nối dây giữa các bảng mạch trong tủ điện th−ờng sử dụng cầu đấu kết hợp với các giắc cắm. – Nối dây giữa các bo mạch điều khiển th−ờng sử dụng giắc cắm tín hiệu, có thể d−ới dạng sợi rời, có thể d−ới dạng cáp tín hiệu. – Để nối dây ra ngoài, th−ờng dùng cầu đấu hoặc nối trực tiếp lên thanh cái. Các cầu đấu này th−ờng đ−ợc bố trí gần chỗ cho dây ra hoặc cho dây vào. – Khi có nhiều tủ nối với nhau, thì các dây ra và vào phải đ−ợc bố trí nối tiếp nhau, tránh đi dây lòng vòng. Bố trí bo mạch điều khiển – Các bo mạch in phải đ−ợc lắp trên khung gá cách điện với tủ. – Các bo mạch in có thể đ−ợc đổ nhựa trong để cố định linh kiện và cố định vào khung gá. – Do số l−ợng dây điều khiển nhiều, nên ta cần có biện pháp để phân biệt, tránh nhầm lẫn khi thay thế. – Vị trí lắp đặt các bo mạch điều khiển phải ở vị trí thuận lợi, để dễ dàng hiệu chỉnh và thay thế. Tự động hoỏ thiết bị điện GV: Nguyễn Vũ Thanh 14 Phân tích vμ tổng hợp hệ thống điều khiển Nắm rõ đ−ợc yêu cầu của đối t−ợng cần điều khiển tự động. Nắm rõ đ−ợc từng khâu trong hệ thống điều khiển. Trên cơ sở đó lựa chọn ph−ơng pháp điều khiển, tiến hμnh khảo sát ở chế độ động vμ chế độ tĩnh. các nguyên tắc cơ bản khi thiết kế hệ tự động Trong điều khiển tự động truyền động điện Trong điều khiển các quá trình tuần tự Trong điều khiển các quá trình liên tục Tự động hoỏ thiết bị điện GV: Nguyễn Vũ Thanh 15 Trong điều khiển tự động truyền động điện – Trong điều khiển tự động truyền động điện th−ờng xảy ra các quá trình khởi động, hãm và đảo chiều quay. Để làm đ−ợc điều này, có thể dựa vào bốn nguyên tắc sau: Nguyên tắc thời gian Nguyên tắc tốc độ Nguyên tắc dòng điện Nguyên tắc hành trình n I tc 1t t 2 1II2cI ω0 cω ω1 ω2 ω3 3t Nguyên tắc thời gian – Khi khởi động đóng toàn bộ điện trở mở máy, rồi dựa vào các mốc thời gian t1, t2 và t3 để cắt từng cấp điện trở. Nguyên tắc tốc độ – Khi khởi động đóng toàn bộ điện trở mở máy, rồi dựa vào các mốc tốc độ ω1, ω2 và ω3 để cắt từng cấp điện trở. Nguyên tắc dòng điện – Khi khởi động đóng toàn bộ điện trở mở máy, rồi dựa vào việc giảm dòng điện khởi động đến I2 để cắt từng cấp điện trở. Nguyên tắc hμnh trình – Là nguyên tắc điều khiển tự động dựa trên hành trình chuyển động của hệ truyền động điện. Tự động hoỏ thiết bị điện GV: Nguyễn Vũ Thanh 16 điều khiển các quá trình tuần tự Dựa vμo bμi toán công nghệ, phân tích yêu cầu điều khiển. Sử dụng các công cụ phân tích nh− mạng Grafcet (SFC) cho các bμi toán tuần tự. Chuyển đổi sang các mạch điều khiển sử dụng linh kiện rời, hoặc các thiết bị lập ch−ơng trình, nh−: vi điều khiển, PLC, LOGO! điều khiển các quá trình liên tục Xác định, nắm chắc đặc điểm vμ mô hình hoá đối t−ợng điều khiển. Xác định yêu cầu về chất l−ợng điều chỉnh, mức độ sai số, độ quá điều chỉnh... Lựa chọn ph−ơng pháp điều khiển vμ bộ điều khiển phù hợp. Tiến hμnh thử nghiệm vμ kiểm tra ở chế độ tĩnh vμ chế độ động. Tự động hoỏ thiết bị điện GV: Nguyễn Vũ Thanh 17 một số sơ đồ mạch điển hình Mạch bảo vệ không. Mạch bảo vệ quá dòng điện cực đại. Mạch bảo vệ quá dòng điện cực tiểu. Mạch bảo vệ quá tải. Mạch bảo vệ hμnh trình. Mạch bảo vệ quá trình khởi động. Mạch liên động điện vμ liên động cơ. Mạch phanh hãm điện từ K K MD Mạch bảo vệ không. Mạch bảo vệ quá dòng điện cực đại. b) M D K Rd Rd K Rd Rd K a) M3 3 Tự động hoỏ thiết bị điện GV: Nguyễn Vũ Thanh 18 Mạch bảo vệ quá dòng điện cực tiểu. 98 K K MD M CD CC1 CC2 K r3 r2 r1 K K1K2K3K3 K2 K1 KT 1 2 3 4 5 6 7 Rd Rd Mạch bảo vệ quá tải K1 K2 r1 r2 M3 3 CC1 Ap K Rn D M K K Rn Rt1 K1 Rt2 K2 Rt1 Rt2 CC2 X1 X2 1 2 3 4 6 5 Tự động hoỏ thiết bị điện GV: Nguyễn Vũ Thanh 19 Mạch bảo vệ hμnh trình 7 532 X2 X1 CC2 RnT T MTD Rn T Ap CC1 3 M3 N HCT MN N HCN N 1 4 6 HCTHCN Xe chạy Mạch bảo vệ quá trình khởi động M3 3 CC1 Ap K Rn D M K K Rn Rt1 K1 Rt2 K2 Rt1 Rt2 CC2 X1 X2 1 2 3 4 6 5 K1 K2 r1 r2 Rn1Rt2 Rn1 Tự động hoỏ thiết bị điện GV: Nguyễn Vũ Thanh 20 Mạch liên động điện vμ liên động cơ 9 41 NT N MN N N M3 3 CC1 Ap T Rn D MT T T Rn CC2 X1 X2 2 3 7 12 HCT HCN 5 6 8 10 11 HCTHCN A B xe hàng Mạch phanh hãm điện từ 7 532 X2 X1 CC2 Rn Ph Ph MPhD Rn Ph Ap CC1 3 M3 MN K Ph K 1 4 6 K