LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Đề tài: THIẾT KẾ MƠ HÌNH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ GIAO TIẾP MODULE ANALOG

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT KHOA ĐIỆN BỘ MÔN ĐIỆN TỬ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Đề tài: THIẾT KẾ MƠ HÌNH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ GIAO TIẾP MODULE ANALOG PLC S7 - 200 SVTH : HUỲNH THIÊN BẢO LỚP : 95KĐĐ GVHD : NGUYỄN XN ĐƠNG TP HỒ CHÍ MINH THÁNG – 2000 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP -TỰ DO- HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN BỘ MÔN ĐIỆN –ĐIỆN TỬ NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên : HUỲNH THIÊN BẢO Lớp : 95KĐĐ Ngành : ĐIỆN –ĐIỆN TỬ 1.Tên đề tài: THIẾT KẾ MƠ HÌNH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ GIAO TIẾP MODULE ANALOG PLC S7 - 200 Các Số Liệu Ban Đầu: Nội Dung Phần Thuyết Minh: - 4.Giáo viên hướng dẫn: NGUYỄN XUÂN ĐƠNG 5.Ngày giao nhiệm vụ: 13-12-1999 6.Ngày hồn thành nhiệm vụ: 28-2-2000 Giáo viên hướng dẫn Thông qua môn Ngày…Tháng ….Năm 2000 Chủ nhiệm môn BẢN NHẬN XÉTLUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN Họ tên sinh viên : HUỲNH THIÊN BẢO Lớp : 95KĐĐ Ngành : ĐIỆN –ĐIỆN TỬ Tên đề tài: THIẾT KẾ MƠ HÌNH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ GIAO TIẾP MODULE ANALOG PLC S7 - 200 Nội dung luận văn tốt nghiệp: -Nhận xét giáo viên hướng dẫn : - Giáo viên hướng dẫn (ký ghi rõ họ tên) NGUYỄN XUÂN ĐÔNG BẢN NHẬN XÉT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ tên sinh viên : HUỲNH THIÊN BẢO Lớp Ngành Tên đề tài: : 95KĐĐ : ĐIỆN –ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ MƠ HÌNH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ GIAO TIẾP MODULE ANALOG PLC S7 - 200 Nội dung luận văn tốt nghiệp: -Nhận xét giáo viên phản biện: - - Giáo viên phản biện (ký ghi rõ họ tên) MỤC LỤC Trang Phần A : GIỚI THIỆU Phần B : NỘI DUNG Phần I : LÝ THUYẾT LIÊN QUAN Chương I :CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ I – Khái niệm chung - II – Các phương pháp đo nhiệt độ -2 III – Giới thiệu số mạch đo nhiệt độ 17 IV – Giới thiệu số mạch khống chế nhiệt độ 20 Chương II : GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VỀ PLC - - 25 I – Sơ lược lịch sử phát triển 25 II – Cấu trúc nghiên cứu hoạt động PLC -25 III – So sánh PLC với hệ thống điều khiển khác – Lợi ích việc sử dụng PLC IV – Một vài lĩnh vực tiêu biểu ứng dụng PLC 30 V – Giới thiệu Module Analog EM235 PLC S7 – 200, CPU 214 - 30 Chương III : GIỚI THIỆU VỀ SCR VÀ CÁC IC ĐƢỢC SỬ DỤNG TRONG MẠCH 36 Phần II : NỘI DUNG A – THIẾT KẾ PHẦN CỨNG - 39 I – Yêu cầu 39 II – Sơ đồ khối – Nguyên lý hoạt động dựa theo sơ đồ khối 39 III – Thiết kế chi tiết - 39 – Mạch cảm biến nhiệt độ mạch khuếch đại - 39 – Mạch điều khiển - - 43 – Mạch giải mã – Hiển thị - 48 – Thiết bị - - 51 – Nguồn cung cấp - 51 – Sơ đồ nguyên lý - 54 B – PHẦN MỀM - 55 – Quan hệ nhiệt độ liệu 12 bit đầu chuyển đổi ADC 55 – Chương trình điều khiển 57 Phần III : THI CÔNG MẠCH I – Sơ đồ bố trí linh kiện mạch in 66 II – Cân chỉnh mạch đầu đo 69 Phần C : KẾT LUẬN – TÀI LIỆU THAM KHẢO - - 70 PHẦN I: LÝ THUYẾT LIÊN QUAN CHƢƠNG I :CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ I-Khái niệm chung: Trong nghiên cứu khoa học, sản xuất đời sống sinh hoạt ngày, luôn cần xác định nhiệt độ môi trường hay vật Vì việc đo nhiệt độ trở thành việc làm vô cần thiết Đo nhiệt độ phương thức đo lường khơng điện Nhiệt độ cần đo thấp (một vài độ Kelvin), cao (vài ngàn, vài chục ngàn độ Kelvin) Độ xác nhiệt độ có cần tới vài phần ngàn độ, có vài chục độ chấp nhận Việc đo nhiệt độ tiến hành nhờ dụng cụ hỗ trợ chuyên biệt cặp nhiệt điện, nhiệt điện trở, diode transistor, IC cảm biến nhiệt độ, cảm biến thạch anh … Tùy theo khoảng nhiệt độ cần đo sai số cho phép mà người ta lựa chọn loại cảm biến phương pháp đo cho phù hợp: - Khoảng nhiệt độ đo phương pháp tiếp xúc dùng cặp nhiệt điện từ 2000C đến 10000C,độ xác đạt tới +/-1% -> 0.1% - Khoảng nhiệt độ đo phương pháp tiếp xúc dùng cặp nhiệt điện (cặp nhiệt ngẫu) từ –2700C đến 25000C với độ xác đạt tới +/-1% -> 0.1% - Khoảng nhiệt độ đo phương pháp tiếp xúc dùng cảm biến tiếp giáp P-N (diode, transistor, IC) từ –2000C đến 2000C,sai số đến +/-0.1% - Các phương pháp đo không tiếp xúc xạ,quang phổ… có khoảng đo từ 10000C đến vài chục ngàn độ C với sai số +/-1% -> 10% Thang đo nhiệt độ gồm: thang đo Celcius(0C), thang đo Kelvin (0K), thang đo Fahrenheit (0F), thang đo Rankin (0R) T(0C) = T(0K) – 273.15 T(0F) = T(0R) - 459.67 T(0C) = [ T(0F) –32 ]*5/9 T(0F) = T(0C)*9/5 +32 *Sự liên hệ thang đo nhiệt độ quan trọng: Kelvin(0K) 273.15 273.16 373.15 Celcius(0C) -273.15 0.01 100 Rankin(0R) 491.67 491.69 671.67 Fahrenheit(0F) -459.67 32 32.018 212 II-Các phƣơng pháp đo nhiệt độ: Ta chia trình đo nhiệt độ làm ba khâu chính: a-Khâu chuyển đổi: Khâu chuyển đổi nhiệt độ thường dựa vào biến đổi mang tính đặc trưng vật liệu chịu tác động nhiệt độ Có tính chất đặc trưng sau đây: - Sự biến đổi điện trở - Sức điện động sinh chênh lệch nhiệt độ mối nối kim loại khác - Sự biến đổi thể tích, áp suất - Sự thay đổi cường độ xạ vật thể bị đốt nóng Đối với chuyển đổi nhiệt điện, người ta thường dựa vào hai tính chất để chế tạo cặp nhiệt điện (Thermocouple), nhiệt điện trở kim loại hay bán dẫn, cảm biến nhiệt độ dạng linh kiện bán dẫn như: diode, transistor, IC chuyên dùng b-Khâu xử lý: Các thông số điện sau chuyển đổi từ nhiệt độ xử lý trước qua đến phần thị Các phận khâu xử lý gồm có: phần hiệu chỉnh, khuếch đại, biến đổi ADC (Analog-Digital-Converter)… Ngồi cịn có mạch điện bổ sung như: mạch bù sai số, mạch phối hợp tổng trở… c-Khâu thị: Khâu thị trước thường sử dụng cấu điện, kết đo thể góc quay di chuyển thẳng kim thị Ngày nay, với phát triển công nghệ điện tử, đãsản xuất nhiều loại IC giải mã, IC số chuyên dùng biến đổi ADC, cho phép ta sử dụng khâu thị số dễ dàng dùng LED đoạn hình tinh thể lỏng LCD Ở đó, kết đo thể số hệ thập phân 1-Đo nhiệt độ nhiệt điện trở: Nhiệt điện trở thường dùng để đo nhiệt độ nước, khí than đường ống, lị phản ứng hóa học, nồi hơi, khơng khí phịng … Nguyên lý làm việc thiết bị dựa vào thay đổi điện trở theo nhiệt độ vật dẫn điện, tức điện trở hàm theo nhiệt độ: R = f(T) Cuộn dây điện trở thường nằm ống bảo vệ, tùy theo công dụng mà vỏ ngồi làm thủy tinh, kim loại gốm Đối với hầu hết vật liệu dẫn điện giá trị điện trở R tùy thuộc vào nhiệt độ T theo hàm tổng quát sau: R(T) = Ro.F(T – To) Với : Ro :điện trở nhiệt độ To F : hàm phụ thuộc vào đặc tính vật liệu F = T = To -Đối với điện trở kim loại : R(T) = Ro( + AT + BT2 + CT3) T : tính 0C To = 00C -Đối với nhiệt điện trở oxyt bán dẫn : R(T) = Ro.exp[ B(1/T –1/To)] T : nhiệt độ tuyệt đối (0K) To = 273.150K 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 1.5 1.55 1.6 1.65 1.7 1.75 1.8 1.85 1.9 1.95 2.0 2.05 2.1 2.15 2.2 2.25 2.3 2.35 2.4 2.45 2.5 2.55 2.6 2.65 2.7 2.75 2.8 2.85 2.9 2.95 3.0 3.05 0.96 1.0 1.04 1.08 1.12 1.16 1.2 1.24 1.28 1.32 1.36 1.4 1.44 1.48 1.52 1.56 1.6 1.64 1.68 1.72 1.76 1.8 1.84 1.88 1.92 1.96 2.0 2.04 2.08 2.12 2.16 2.2 2.24 2.28 2.32 2.36 2.4 2.44 786 819 851 884 917 950 983 1015 1048 1081 1114 1146 1179 1212 1245 1277 1310 1343 1376 1409 1441 1474 1507 1540 1572 1605 1638 1671 1703 1736 1769 1802 1835 1867 1900 1933 1966 1998 312 333 353 374 395 3B6 3D7 3F7 418 439 45A 47A 49B 4BC 4DD 4FD 51E 53F 560 581 5A1 5C2 5E3 604 624 645 666 687 6A7 6C8 6E9 70A 72B 74B 76C 78D 7AE 7CE 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 3.2 3.25 3.3 3.35 3.4 3.45 3.5 3.55 3.6 3.65 3.7 3.75 3.8 3.85 3.9 3.95 4.0 4.05 4.1 4.15 4.2 4.25 4.3 4.35 4.4 4.45 4.5 4.55 4.6 4.65 4.7 4.75 4.8 4.85 4.9 4.95 5.0 2.56 2.6 2.64 2.68 2.72 2.76 2.8 2.84 2.88 2.92 2.96 3.0 3.04 3.08 3.12 3.16 3.2 3.24 3.28 3.32 3.36 3.4 3.44 3.48 3.52 3.56 3.6 3.64 3.68 3.72 3.76 3.8 3.84 3.88 3.92 3.96 4.0 2097 2129 2162 2195 2228 2260 2293 2326 2359 2392 2424 2457 2490 2523 2555 2588 2621 2654 2686 2719 2752 2785 2818 2850 2883 2916 2949 2981 3014 3047 3080 3112 3145 3178 3211 3244 3276 831 851 872 893 8B4 8D4 8F5 916 937 958 978 999 9BA 9DB 9FB A1C A3D AE5 A7E A9F AC0 AE1 B02 B22 B43 B64 B85 BA5 BC6 BE7 C08 C28 C49 C6A C8B CAC CCC 2- Chƣơng trình điều khiển: Chương trình điều khiển PLC viết theo hai phương pháp bản: phương pháp hình thang (Ladder Logic: LAD) phương pháp liệt kê lệnh (Statement List: STL) Trong tập đồ án này, em trình bày chương trình điều khiển theo phương pháp hình thang LAD: Lưu đồ điều khiển sau: BEGIN Tạo xung để đưa bit liệu hàng đơn vị Nhận tín hiệu từ mạch đầu đo Tách bit liệu hàng chục Dịch liệu sang phải lần Tạo xung để đưa bit liệu hàng chục Nhân liệu với 1000 Tạo xung để xuất giá trị nhiệt độ thật lên LED đoạn Chia giá trị liệu cho 32768 để lấy giá trị nhiệt độ thật So sánh giá trị nhiệt độ thật >500 Đ M4.1 (R) S Xuất giá trị điện áp thấp ngõ Vo Chuyển giá trị nhiệt thật sang mã BCD Tách bit liệu hàng đơn vị Xuất giá trị điện áp cao ngõ Vo M5.1 M5.1 ( (RR) ) 11 END NETWORK1 SM0.1 M4.1 (R) M4.1 (R) M5.1 (R) M5.3 (R) M5.2 (R) M5.7 (S) NETWORK2 M4.1 AIW0 SHR-W EN IN OUT N MW0 M4.0 (S) NETWORK3 M4.0 MW0 16#3E8 MUL EN IN1 OUT IN2 M4.1 (S) M4.2 (S) VD4 NETWORK4 M4.4 16#8000 MOVW EN IN OUT MW2 M4.3 (S) NETWORK5 M4.3 WANDDW EN IN1 MD0 16#FFFF IN2 OUT VD0 M4.4 (S) M4.5 (S) NETWORK6 M4.0 (R) M4.2 NETWORK7 M4.3 (R) M4.5 NETWORK8 M4.2 M4.5 VD4 VD0 DIVR EN IN1 OUT IN2 M4.6 (S) NETWORK9 M4.3 M4.6 VD MOVDW EN IN OUT M4.2 (R) M4.5 (R) VD0 VD8 NETWORK14 SM1.6 M4.7 16#F VW2 WANDW EN IN1 OUT IN2 M5.0 (S) M4.6 (R) VW12 NETWORK18 M5.1 SM0.5 M5.3 Q0.4 (R) N M5.6 (R) M5.0 (R) NETWORK19 M5.7 M5.3 M5.0 M5.2 WANDW EN OUT 16#F0 IN1 IN2 VW2 M5.1 (S) NETWORK20 M5.7 M5.1 SHR-W EN OUT VW14 IN N M5.2 (S) M5.3 (R) NETWORK21 M5.2 M5.7 M5.1 (R) VW12 VW14 NETWORK22 M5.7 M5.2 M5.3 VB13 MOVB EN IN OUT QB0 M5.6 (S) NETWORK23 M5.2 M5.7 M5.6 Q0.4 (S) SM0.5 P M5.3 (S) NETWORK24 M5.2 Q0.4 (R) SM0.5 M5.3 N M5.6 (R) M5.7 (R) NETWORK25 M5.7 SM0.5 Q0.4 ( ) C0 M5.3 (R) C0 NETWORK26 M5.7 M5.2 Q0.4 CTU N +2 CU R PV NETWORK27 C0 M6.0 ( ) M5.3 (R ) NETWORK28 M6.0 C0 (R) M4.1 (R) M4.4 (R) M5.2 (R) M5.7 (S) NETWORK29 ( END ) PHẦN III : THI CÔNG MẠCH I-Sơ đồ bố trí linh kiện mạch in : 1-Sơ đồ bố trí linh kiện: 2-Mạch in mặt trên: 3- Mạch in mặt dƣới: II- Cân chỉnh mạch đầu đo: -Dùng đồng hồ đo điện áp có dãy đo từ 1mV -> 10mV (có trở kháng vào đủ lớn) -Đồng hồ đo điện trở -Nhiệt kế có thang đo từ 00C -> 1000C Cả ba loại cần phải có độ xác cao *Các bƣớc thực : +Bƣớc : -Dùng đồng hồ đo Ohm, chọn R30 R31 cho có trị số thật gần giống (bằng tốt) -Chỉnh cặp điện trở (VR2, R32) (VR1, R33) cho có trị số 5R30 5R31 +Bƣớc 2: -Chỉnh VR3 cho điện áp C điện áp A vị trí biến trở VR4 (thang đo mV) -Chỉnh VR9 cho áp B 2,73V +Bƣớc 3: -Đặt cảm biến nhiệt kế mơi trường khơng khí (T0 phịng) -Xác định nhiệt độ phòng mực thủy ngân ổn định Chỉng VR4 cho điện áp C VC = 2,73 + 0,01.T0phịng (V) Nếu có thể, cho nhiệt độ phịng 250C chỉnh VC = 2,98V -Khi đó, điện áp D : VD = 0,05.T0phòng (V) Nếu chưa phải tiến hành lại bước 1,2,3 +Bƣớc 4: -Đặt nhiệt kế cảm biến vào nước đá tan, chờ cho mực thủy ngân ổn định, xác định nhiệt độ nước đá (T0đá) Khi điện áp C D là: VC = 0,01.T0đá + 2,73 (V) VD = 0,05.T0đá (V) -Nếu chưa thật phải tiến hành lại bước 1, 2, +Bƣớc 5: -Đặt nhiệt kế cảm biến vào nước sôi, chờ cho mực thủy ngân ổn định, xác định nhiệt độ nước sôi (T0sơi) Khi điện áp C D : VC = 0,01.T0sôi + 2,73 (V) VD = 0,05.T0sôi (V) -Nếu chưa thật phải tiến hành lại bước 1,2,3 Bước bước tiến hành xen kẽ vài lần để chỉnh cho xác KẾT LUẬN – TÀI LIỆU THAM KHẢO I-Tóm tắt đề tài Sau tuần nghiên cứu thi công,tập luận văn hoàn thành thời hạn đạt mục tiêu đề ra, thiết kế mơ hình đo điều khiển nhiệt độ giao tế với module analog EM235 PLC S7-200 Về mặt lý thuyết, đề tài nêu lên vấn đề phương pháp đo nhiệt độ, thiết bị đo, số mạch đo khống chế nhiệt độ sử dụng thực tế Bên cạnh đó, đề tài nêu lên ích lợi việc điều khiển PLC thời đại ngày lĩnh vực ứng dụng PLC, đồng thời giới thiệu cho biết module analog EM235 PLC S7-200 Về mặt thực hành, đề tài trình bày bước tính tốn việc thiết kế mạch đầu đo nhiệt độ, mạch điều khiển SCR, đồng thời viết chương trình điều khiển PLC giao tiếp với giới thực qua ngõ analog Nhưng ngõ vào analog không ổn định, đồng thời bị hạn chế thời gian nên chương trình chưa hồn chỉnh mạch thi cơng khơng chạy II-Tự đánh giá Việc thực đồ án giúp cho em có hội ứng dụng kiểm tra kến thức học vào thực tế kiến thức đo lường nhiệt độ, cách thức tính tốn thiết kế mạch, viết chương trình điều khiển PLC Nhưng quan trọng cả,việc thực luận văn giúp em tiến hành công tác tự nghiên cứu khoa học cấp độ phù hợp với khả trình độ Tuy nhiên tài liệu tham khảo cịn q ít, tài liệu module analog EM235 PLC S7-200, nên tập luận văn khơng thể tránh khỏi sai sót Mong thầy bạn thơng cảm đóng góp thêm ý kiến để hồn thiện III-Hƣớng phát triển đề tài: Từ tập luận văn, phát triển thêm theo nhiều hướng khác nhau: -Có thể mở rộng đo điều khiển nhiệt độ nhiều thiết bị khác -Có thể khắc phục cố xảy trường hợp PLC bị hư, lúc nhiệt độ thiết bị tăng lên liên tục, không điều khiển TÀI LIỆU THAM KHẢO  ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT –Nguyễn Xuân Khai – ĐHSPKT TPHCM  ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT –Nguyễn Bính - NXBGD  ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT- ỨNG DỤNG TYRISTOR –Nguyễn Bính – NXBGD -1993  KỸ THUẬT ĐO – Nguyễn Ngọc Tân – ĐHKT TPHCM 1995  S7-200 DATA SHEETS  SƠ ĐỒ CHÂN LINH KIỆN BÁN DẪN –Dương Minh Trí – NXB KH KT NXB Nơng Nghiệp Hà Nội – 1997  TRA CỨU IC NHẬT BẢN –Tập 1, 2, – National Semiconductor, NXB KHKT 1993  TỰ ĐỘNG HĨA VỚI SIMATIC S7-200 –Nguyễn Dỗn Phước, Phan Xuân Minh