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