Nghiên cứu chế tạo cụm điều khiển phụ tải và kết nối máy tính cho liên hợp diesel - máy phát phục vụ khảo nghiệm động cơ

Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn<br /> <br /> Soá 3/2011<br /> <br /> THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC<br /> <br /> NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CỤM ĐIỀU KHIỂN PHỤ TẢI VÀ<br /> KẾT NỐI MÁY TÍNH CHO LIÊN HỢP DIESEL - MÁY PHÁT<br /> PHỤC VỤ KHẢO NGHIỆM ĐỘNG CƠ<br /> RESEARCHS TO MANUFACTURING OF LOAD CONTROL BOX AND PC CONNECTION FOR COMPLEX UNIT OF DIESEL-GENERATOR, WITH THE AIM<br /> OF TESTING THE ENGINE<br /> Lê Bá Khang<br /> Khoa Cơ khí - Trường Đại học Nha Trang<br /> TÓM TẮT<br /> Nhằm nâng cao độ chính xác, tin cậy cho số liệu đo trên liên hợp diesel-máy phát đáp ứng yêu cầu đào<br /> tạo và nghiên cứu khoa học, chúng tôi thiết kế, chế tạo cụm điều khiển phụ tải kiểu cơ - điện, đồng thời chế tạo<br /> board mạch với các linh kiện điện tử đặc dụng để thu nhận tín hiệu từ các cảm biến và xử lý, truyền dữ liệu<br /> thông qua cổng Com kết nối với máy tính. Chương trình giao tiếp viết trên nền Visual Basic cho phép đọc các<br /> tín hiệu và hiển thị lên màn hình máy tính các thông số tính năng cần thiết của liên hợp khi thiết bị hoạt động.<br /> Thiết bị làm việc ổn định, số liệu chính xác, tin cậy. Liên hợp có khả năng đáp ứng yêu cầu cho việc<br /> nghiên cứu và dạy - học về máy động lực tại Bộ môn Kỹ thuật ô tô, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Nha Trang.<br /> Từ khóa: Điều khiển, linh kiện điện tử, kết nối<br /> ABSTRACT<br /> This project has an aim to enhanc the accuracy and reliability for measurement data on the Complex<br /> Unit of Diesel-Generator in order to meet the demand for training & study; we research and produce the<br /> Control Box with mechanical-electrical type to control the load, we also produce the electrical board with<br /> special electrical components for receiving the signals from sensors and processing, transmission of data<br /> through the port COM which is connected to the PC.<br /> Based on the Visual Basic program will read the signal and display the parameters on the PC’s screen<br /> when complex unit of Diesel-Generator is operated.<br /> The data are settlet, accurate, reliable. The complex unit of diesel-generator and control box has<br /> the capacity of responding the requirements of the research and training aboar engine at the Automotive<br /> Enginneering Departement Faculty of Mechanics, Nha Trang University.<br /> Keywords: Control Box, PC connected componnents<br /> <br /> I. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> <br /> nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu, dầu mỡ bôi<br /> <br /> Liên hợp động cơ diesel - máy phát (hình<br /> <br /> trơn... Tuy nhiên, phương pháp gia tải và thu<br /> <br /> 1) tại Bộ môn Kỹ thuật ô tô, khoa Cơ khí dùng để<br /> <br /> nhận số liệu còn đơn giản, nhiều hạn chế. Nhằm<br /> <br /> khảo sát thông số tính năng, xây dựng đường<br /> <br /> nâng cao độ chính xác, tin cậy cho số liệu đo<br /> <br /> đặc tính thực nghiệm… phục vụ giảng dạy và<br /> <br /> đáp ứng yêu cầu chất lượng đào tạo và nghiên<br /> TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG ❖ 53<br /> <br /> Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn<br /> cứu khoa học, chúng tôi chế tạo cụm điều khiển<br /> phụ tải và kết nối, hiển thị dữ liệu cho liên hợp<br /> với sự trợ giúp của máy tính và linh kiện điện<br /> tử. Phần nghiên cứu được trình bày sau đây là<br /> nhằm tới mục đích trên.<br /> II. ĐỐI TƯỢNG, THIẾT BỊ, PHƯƠNG PHÁP VÀ<br /> NỘI DUNG NGHIÊN CỨU<br /> - Đối tượng nghiên cứu: Cụm điều khiển<br /> phụ tải, board mạch điện tử, phần mềm cho<br /> board mạch, cho máy tính.<br /> - Thiết bị phục vụ nghiên cứu: máy tính PC,<br /> liên hợp động cơ diesel - máy phát…<br /> - Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu tổng<br /> hợp lý thuyết, chế tạo, thử nghiệm và điều chỉnh.<br /> <br /> Soá 3/2011<br /> - Nội dung nghiên cứu:<br /> + Kết cấu, nguyên lý làm việc của liên hợp<br /> động cơ diesel lai máy phát.<br /> + Phân tích, chọn phương án và thiết kế,<br /> chế tạo cụm điều khiển phụ tải.<br /> + Thiết kế, chế tạo và viết phần mềm cho<br /> board mạch thu nhận, xử lý, truyền dữ liệu.<br /> + Thiết kế giao diện, viết phần mềm cho<br /> máy tính, chạy thử và điều chỉnh.<br /> III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN<br /> 1. Liên hợp động cơ diesel dẫn động máy<br /> phát<br /> Sơ đồ cấu tạo nguyên lý của liên hợp động<br /> cơ diesel lai máy phát trình bày trên hình 1.<br /> <br /> Hình 1. Liên hợp động cơ diesel lai máy phát<br /> 1- Động cơ diesel;<br /> 2- Đồng hồ đo nhiệt độ khí xả;<br /> 3- Đồng hồ đo áp lực dầu bôi trơn;<br /> 4- Cảm biến nhiệt độ nước vào (đặt trên đường vào) làm mát động cơ;<br /> 5- Cảm biến nhiệt độ nước làm mát ra (đặt trên đường ra);<br /> 6- Cảm biến nhiệt độ không khí;<br /> 7- Máy tính;<br /> 8- Bảng táp lô điện;<br /> 9- Cụm thu nhận và xử lý dữ liệu;<br /> 10- Đồng hồ chỉ báo;<br /> <br /> 11- Núm điều chỉnh tải;<br /> 12- Áp tô máp;<br /> 13- Két làm mát;<br /> 14- Quạt làm mát;<br /> 15- Bơm nước;<br /> 16- Thùng nước;<br /> 17- Điện trở;<br /> 18- Đinamô;<br /> 19- Dây đai;<br /> 20- Cảm biến tốc độ động cơ;<br /> 21- Đế máy.<br /> <br /> làm thay đổi dòng điện trong mạch điều khiển và<br /> <br /> Nguyên lý hoạt động:<br /> Khi động cơ (1) hoạt động, thông qua bộ<br /> truyền đai (19) dẫn động, máy phát xoay chiều<br /> <br /> dòng điện đi qua các điện trở (17), dẫn đến thay<br /> đổi phụ tải động cơ.<br /> <br /> một pha 10kW, điện áp 220 (18) phát điện.<br /> <br /> Tín hiệu từ các cảm biến truyền đến bộ<br /> <br /> Dòng điện sinh ra được tiêu thụ trên 6 điện trở<br /> <br /> phận thu nhận (9), tại đây tín hiệu được xử lý<br /> <br /> thuần (17) đặt cố định trong thùng nước (16).<br /> <br /> rồi truyền đến cổng Com kết nối với máy tính<br /> <br /> Khi thay đổi vị trí của núm điều chỉnh (11), sẽ<br /> <br /> và trên cơ sở phần mềm được viết, cài đặt sẵn<br /> <br /> v<br /> <br /> 54 ❖ TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG<br /> <br /> Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn<br /> trong máy PC sẽ hiển thị lên màn hình máy tính<br /> giá trị của các thông số cần đo.<br /> Để đảm bảo sự truyền nhiệt ra ổn định của<br /> các điện trở trong thùng nước (16), ngoài việc<br /> lựa chọn loại điện trở, giữ không đổi lượng nước<br /> trong thùng, chúng tôi còn sử dụng bơm (15)<br /> vận chuyển nước và quạt gió (14) giải nhiệt cho<br /> nước khi nó được bơm chuyển lên két (13) rồi<br /> đổ về thùng chứa (16).<br /> 2. Thiết kế, chế tạo cụm điều khiển phụ tải<br /> Chúng tôi dựa vào các luận cứ khoa học<br /> phân tích và kết hợp tính hợp lý, chọn ra phương<br /> án thiết kế, chế tạo cụm điều khiển phụ tải cho<br /> liên hợp là loại cơ - điện, có thể điều chỉnh liên<br /> tục phụ tải. Chọn giải pháp giữ không đổi điện<br /> áp, thay đổi dòng điện đến biến trở đến tụ và<br /> Triac để điều chỉnh phụ tải cho động cơ. Mạch<br /> <br /> Soá 3/2011<br /> điều khiển phụ tải bao gồm 6 TRIAC (loại dùng<br /> cho dòng xoay chiều), 1 DIAC (giữ ổn định tín<br /> hiệu điều khiển TRIAC), 6 điện trở 50kW, 6 điện<br /> trở 1kW, 1 biến trở 1MΩ, 2 tụ điện 0,1mF và 0,01<br /> mF, 6 điện trở Rd, được mắc như sơ đồ tại hình 2.<br /> <br /> Khi hoạt động, dòng điện đi qua điện trở 50k<br /> <br /> đến biến trở, đến tụ C (xoay chiều) và đi qua<br /> TRIAC làm thông mạch các điện trở (Rd).<br /> <br /> Sử dụng cơ cấu xoay - núm vặn (11) để thay<br /> <br /> đổi điện trở của biến trở và dòng nạp vào tụ C,<br /> làm thay đổi thời điểm để kích Triac thông mạch<br /> dẫn đến thay đổi phụ tải (biến trở cùng với tụ C<br /> quyết định độ mở sớm hoặc muộn góc pha điện<br /> áp). Khi xoay núm vặn theo chiều KĐH thì điện<br /> trở của biến trở sẽ giảm, góc mở Triac sẽ sớm<br /> do đó phụ tải sẽ tăng và ngược lại.<br /> <br /> Hình 2: Sơ đồ cấu tạo nguyên lý mạch điều khiển phụ tải (D-DIAC; T-TRIAC)<br /> <br /> Ở một chế độ cố định (không xoay núm<br /> vặn) điện trở của biến trở không đổi, dòng đi<br /> qua nạp vào tụ không đổi, lúc này TRIAC được<br /> thông dẫn đến dòng đi qua các điện trở trong<br /> một chu kỳ không thay đổi, do đó phụ tải không<br /> <br /> 1- Board mạch điều<br /> khiển<br /> 2- Dây nối đến cơ<br /> cấu cơ - điện<br /> điều khiển phụ<br /> tải, am pe kế và<br /> vôn kế<br /> 3- Ống chứa dây<br /> nối đến 6 điện<br /> trở Rd<br /> 4- Biến thế<br /> 5- Quạt làm mát<br /> <br /> đổi.<br /> Chúng tôi lắp đặt đồng hồ vôn kế và am<br /> pe kế để theo dõi sự thay đổi các thông số U,<br /> I của đinamô (kiểm tra cho kết quả tổn thất<br /> điện trên dây nối nhỏ không đáng kể). Cụm<br /> điều khiển được chế tạo có khả năng thay đổi<br /> và ổn định liên tục phụ tải với dòng điện từ 5<br /> đến 38 A.<br /> <br /> Hình 3. Cụm điều khiển phụ tải<br /> <br /> TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG ❖ 55<br /> <br /> Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn<br /> <br /> Soá 3/2011<br /> <br /> 3. Thiết kế, chế tạo và viết phần mềm cho<br /> <br /> qua các giai đoạn sau: Từ cảm biến tín hiệu<br /> <br /> board mạch thu nhận, xử lý, truyền dữ liệu<br /> <br /> dạng Analog được chuyển thành tín hiệu số AD.<br /> <br /> Board mạch thu nhận, xử lý và truyền dữ<br /> <br /> Tín hiệu số này được xử lý nhờ lập trình tại IC<br /> <br /> liệu đến máy tính được thiết kế, chế tạo trình<br /> <br /> 89C51, sau đó truyền qua cổng Com đến máy<br /> <br /> bày trên hình 4. Ở đây, cấu trúc board mạch với<br /> <br /> tính và một lần nữa chương trình tại máy tính sẽ<br /> <br /> các linh kiện được chọn dựa trên tính ứng dụng<br /> <br /> đọc và hiển thị lên màn hình. Cụ thể:<br /> <br /> cao và hợp lý, gồm 3 cụm: Vi điều khiển chính<br /> <br /> Nguồn điện cấp ban đầu cho mạch là điện<br /> <br /> IC 89C51; khối AD có: IC 7406 (đảo tín hiệu), IC<br /> <br /> xoay chiều U = 220V, do biến áp đặt ở ngay đầu<br /> <br /> 0809 (biến đổi sang tín hiệu số), IC 74LS 254<br /> <br /> vào mà điện áp được hạ xuống 12VAC, và nhờ<br /> <br /> (đọc giá trị tín hiệu số), IC 7474 (tạo xung dao<br /> <br /> 4 diode nắn dòng và ổn áp 7805 mà dòng điện<br /> <br /> động cho AD hoạt động); khối OPTO khử nhiễu<br /> và truyền tín hiệu quang, ngoài ra còn có linh<br /> kiện LT 072 tạo điện áp chuẩn và giữ ổn định<br /> điện áp cho IC 0809 hoạt động.<br /> <br /> xoay chiều được chuyển đổi sang dòng điện<br /> 1 chiều 5V cấp cho mạch (chân số 20 của IC<br /> 89C51 được nối với masse, chân 40 nối với<br /> nguồn + 5V).<br /> Tín hiệu từ cảm biến được chuyển đến IC<br /> <br /> Phần kết nối với máy tính thông qua cổng<br /> <br /> 7406 đến IC 0809 để chuyển thành tín hiệu số<br /> <br /> tiếp nối chuẩn RS 232 (cổng Com) với sự trợ<br /> <br /> AD (đọc cổng nào là do IC 89C51 quyết định qua<br /> <br /> giúp của IC Max 232.<br /> <br /> 3 chân địa chỉ của IC 0809) sau đó nó được gửi<br /> qua IC 74LS254 để đọc (giá trị) và ổn định lại rồi<br /> cho ra qua các ngõ của IC này đến OPTO khử<br /> nhiễu trước khi đến IC 89C51.<br /> Phần mềm viết, cài đặt cho board mạch<br /> dưới dạng Assembler. Và tại IC 89C51 nhờ có<br /> trình dịch này nó sẽ xử lý tín hiệu rồi truyền tới<br /> cổng Com của máy tính.<br /> Với sự hỗ trợ của IC Max 232 sẽ chuyển<br /> đổi mức tín hiệu 5V của IC 89C51 thành ± 12V<br /> cuả máy tính. Và nhờ lập trình viết trên nền<br /> Visual Basic được cài vào máy tính PC mà nó sẽ<br /> đọc các tín hiệu (giá trị và địa chỉ) từ IC 89C51<br /> chuyển qua để gán giá trị đó đúng ô hiển thị lên<br /> <br /> Hình 4. Bo mạch thu nhận tín hiệu, xử lý<br /> và truyền dẫn kết nối với máy tính<br /> 1- Cụm chuyển đổi điện áp 220V xuống 5V;<br /> 2- Khối AD;<br /> 3- IC 89C51;<br /> 4- Đầu ra kết nối với cổng Com máy tính;<br /> <br /> 5- Khối OPTO;<br /> 6- Biến áp nguồn;<br /> 7- Điện trở lấy dòng.<br /> <br /> màn hình.<br /> Trên board mạch sử dụng 2 linh kiện IC<br /> 7805 có nhiệm vụ cấp điện 5V cho 2 khu vực:<br /> biến đổi AD và khu vực xử lý dữ liệu của IC<br /> 89C51.<br /> 4. Thiết kế giao diện, viết phần mềm cho máy<br /> <br /> Nguyên lý chung:<br /> <br /> tính, chạy thử và điều chỉnh<br /> <br /> Tín hiệu thu nhận được từ các cảm biến khi<br /> <br /> Giao diện được thiết kế khá đơn giản.<br /> <br /> chuyển đến máy tính hiện trên màn hình phải<br /> <br /> Chương trình khảo sát thông số tính năng cuả<br /> <br /> 56 ❖ TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG<br /> <br /> Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn<br /> liên hợp (n, Ne, Gnl, ge, Tm, Tx ...) được viết dựa<br /> vào phần mềm Visual Basic và cài đặt vào<br /> <br /> Soá 3/2011<br /> liên hợp động cơ diesel dẫn động máy phát khi<br /> hoạt động trình bày trên hình 5.<br /> <br /> máy tính.<br /> Sau khi chạy thử và điều chỉnh, giao diện<br /> của phần mềm và các thông số tính năng của<br /> <br /> Và giá trị các thông số có độ chính xác cao<br /> hơn so với khi sử dụng thiết bị, đồng hồ đo cầm<br /> tay.<br /> <br /> Hình 5 Thông số tính năng của liên hợp diesel - máy phát hiển thị trên giao diện tại màn hình máy tính<br /> <br /> IV. KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ<br /> - Cụm điều khiển phụ tải thiết kế, chế tạo<br /> <br /> nâng cao độ chính xác, tin cậy cho số liệu đo khi<br /> khảo nghiệm động cơ.<br /> <br /> làm việc ổn định, tin cậy, khắc phục được nhược<br /> <br /> - Liên hợp có khả năng đáp ứng yêu cầu<br /> <br /> điểm của phương pháp cơ khí, gia tải theo nấc<br /> <br /> của việc nghiên cứu và dạy - học về máy động<br /> <br /> trước đây.<br /> <br /> lực tại Khoa Cơ khí. Và nếu được, có thể tiếp<br /> <br /> - Sử dụng board mạch linh kiện điện tử để<br /> <br /> tục trang bị nâng cấp liên hợp với các thiết bị<br /> <br /> thu nhận, xử lý, dẫn truyền, kết nối và hiển thị<br /> <br /> đo hiện đại có độ chính xác cao như thiết bị đo<br /> <br /> thông số tính năng của liên hợp lên màn hình<br /> <br /> nhiên liệu (Gnl), thiết bị đo áp suất cháy (pz,), thiết<br /> <br /> máy tính, đã loại bỏ cơ bản yếu tố chủ quan,<br /> <br /> bị đo lọt khí v.v...<br /> <br /> V. TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> 1. Vương Khánh Hưng, 2007. Chuyên đề Vi điều khiển họ MSC-51- ứng dụng và lập trình với IC đơn phiến<br /> AT 89C51. Nhà xuất bản Hồng Đức.<br /> 2. Đậu Quang Tuấn, 2006. Tự học lập trình Visual Basic 6.0. Nhà xuất bản Giao thông vận tải.<br /> 3. Ngô Diên Tập, 2005. Lập trình ghép nối máy tính trong Windows, NXB Khoa học kỹ thuật.<br /> <br /> TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG ❖ 57<br /> <br />