thiết kế và thi công hệ thống ứng dụng plc điều khiển và ổn định lò nhiệt

 Tìm hiểu các phương pháp điều khiển nhiệt độ cổ điển và thiết kế bộ điềukhiển PID theo phương pháp thực nghiệm của Ziegler – Nichols và phươngpháp đại số. Thiết kế mạch công suất điều

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HÓA

-o0o -ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

ỨNG DỤNG PLC ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH

LÒ NHIỆT

TP HỒ CHÍ MINH – 09/2011

Đại học GTVT TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

- Ứng dụng PLC điều khiển và ổn định lò nhiệt

2 YÊU CẨU CỦA ĐỒ ÁN:

- Tìm hiểu PLC S7-300

- Tìm hiểu cách lập trình giao diện

- Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của lò nhiệt

- Tìm hiểu phần cứng của lò nhiệt

- Tìm hiểu nguyên lý điều khiển và ổn định lò nhiệt

- Thi công mạch điều khiển, mạch động lực lò nhiệt

- Lập trình điều khiển lò nhiệt

Đại học GTVT TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Khoa Điện - ĐTVT Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Bộ môn Tự động hóa

TP Hồ Chí Minh, ngày …tháng …năm 2011 BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1 NỘI DUNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP:  Tìm hiểu đối tượng lò nhiệt và các phương pháp điều khiển lò nhiệt (một đối tượng thường gặp trong công nghiệp có quán tính lớn và tầm hoạt động rộng)  Thiết kế mạch điều khiển, mạch công suất để điều khiển công suất lò nhiệt (sử dụng phương pháp điều áp xoay chiều dùng van bán dẫn thyristor hay còn gọi là phương pháp điều khiển pha)  Ứng dụng các hàm thư viện đặc biệt, các module analog chuyên dụng của PLC S7-300 để điều khiển và ổn định lò nhiệt  Thiết kế giao diện để giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu hoạt động của lò nhiệt thông qua phần mềm WinCC 2 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN:

3 ĐÁNH GIÁ ĐỒ ÁN THUỘC LOẠI : ĐIỂM :

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2011

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ tên)

Ths Đặng Hữu Thọ

Đại học GTVT TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Khoa Điện - ĐTVT Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Bộ môn Tự động hóa

TP Hồ Chí Minh, ngày …tháng …năm 2011 BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1 NỘI DUNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP:  Tìm hiểu đối tượng lò nhiệt và các phương pháp điều khiển lò nhiệt (một đối tượng thường gặp trong công nghiệp có quán tính lớn và tầm hoạt động rộng)  Thiết kế mạch điều khiển, mạch công suất để điều khiển công suất lò nhiệt (sử dụng phương pháp điều áp xoay chiều dùng van bán dẫn thyristor hay còn gọi là phương pháp điều khiển pha)  Ứng dụng các hàm thư viện đặc biệt, các module analog chuyên dụng của PLC S7-300 để điều khiển và ổn định lò nhiệt  Thiết kế giao diện để giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu hoạt động của lò nhiệt thông qua phần mềm WinCC 2 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN:

3 CÂU HỎI CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN:

4 ĐÁNH GIÁ ĐỒ ÁN THUỘC LOẠI : ĐIỂM :

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2011

GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN (Ký và ghi rõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN

  

Để đạt được thành quả này, chúng em xin chân thành cảm ơn toàn thể thầy côgiáo khoa Điện – Điện Tử Viễn Thông, đặc biệt là các thầy cô giáo bộ môn Tự ĐộngHóa của trường Đại học Giao Thông Vận Tải Thành Phố Hồ Chí Minh đã tận tình chỉdạy và trang bị cho chúng em những kiến thức cơ bản về chuyên ngành Đó là nềntảng để chúng em thực hiện đồ án này và là cũng là một nền tảng vững chắc phục vụcho công việc của chúng em sau khi ra trường

Xin chân thành cảm ơn thầy Đặng Hữu Thọ là người hướng dẫn chính đã tậntình giúp đỡ, định hướng, góp ý và cung cấp những ý tưởng quý báu cũng như cungcấp tài liệu tham khảo cho chúng em trong suốt quá trình làm đồ án

Xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Huy, cô Đoàn Diễm Vương, cùngmột số thầy cô khác đã hướng dẫn, góp ý và tạo điều kiện thuận lợi để chúng em hoànthành đồ án này

Chúng em cũng xin cảm ơn bạn bè và người thân đã tạo cơ hội và giúp đỡchúng em hoàn thành tốt đồ án này

Vì kinh nghiệm thực tế còn hạn chế nên trong quá trình thực hiện đồ án chúng

em không tránh khỏi những thiếu sót và sai lầm, chúng em mong được sự chỉ bảo, góp

ý tận tình từ phía các thầy cô để đồ án của chúng em được hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

 Tìm hiểu các phương pháp điều khiển nhiệt độ cổ điển và thiết kế bộ điềukhiển PID theo phương pháp thực nghiệm của Ziegler – Nichols và phươngpháp đại số.

 Thiết kế mạch công suất điều khiển đối tượng lò nhiệt theo phương phápđiều khiển pha (thay đổi góc mở van bán dẫn – trong đồ án chọn van bándẫn là hai thyristor đấu song song ngược trên một pha) Đồng thời thiết kếmạch điều khiển van bán dẫn theo phương pháp điều khiển thẳng đứngtuyến tính

 Sử dụng các hàm thư viện chuẩn trong PLC S7-300 để thu thập và điềukhiển nhiệt độ như: hàm scale AI, hàm PID, hàm unscale AO,… Và sửdụng các module chuyên dụng để đọc tín hiệu nhiệt độ từ cảm biến RTD,…

 Giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu hoạt động của lò nhiệt sử dụng phầnmềm WinCC (Windows Control Center) của công ty Siemens

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ii

BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iii

BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iv

LỜI CẢM ƠN v

TÓM TẮT vi

MỤC LỤC vii

DANH SÁCH HÌNH VẼ x

DANH SÁCH BẢNG BIỂU x

DANH SÁCH CÔNG THỨC xiv

CHƯƠNG 1 1

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1

1.1 Giới thiệu về đối tượng và phương pháp điều khiển 1

1.2 Nhiệm vụ đồ án: 2

CHƯƠNG 2 4

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT 4

2.1 Lò nhiệt ( lò điện trở) 4

2.1.1 Giới thiệu chung về lò nhiệt 4

2.1.1.1 Định nghĩa 4

2.1.1.2 Ưu điểm của lò điện 5

2.1.1.3 Nhược điểm của lò điện 5

2.1.2 Những yêu cầu cơ bản đối với cấu tạo của lò điện trở 5

2.1.3 Cấu tạo của lò điện trở 7

2.1.3.1 Vật nung, dây nung 7

2.1.3.2 Vỏ lò điện trở 9

2.1.3.3 Lớp lót 9

2.1.4 Đối tượng lò nhiệt được sử dụng trong luận văn 10

2.2 Cảm biến nhiệt độ 11

2.2.1Thermocoupble (cặp nhiệt điện) 11

2.2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý đo 11

2.2.1.2 Một số loại cặp nhiệt thông dụng 12

2.2.1.3 Ưu và nhược điểm của Thermocouple 13

2.2.1.4 Bù nhiệt độ môi trường 14

2.2.2 RTD (Thermal Resistor) 14

2.2.3 Thermitor(thermally sensitive resistor) 17

2.2.4 IC cảm biến 18

2.3 Các phương pháp điều khiển nhiệt độ 19

2.3.1 Điều khiển ON-OFF 19

2.3.2 Điều khiển bằng khâu tỉ lệ (P) 21

2.3.3 Điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ (PD) 22

2.3.4 Điều khiển bằng khâu tích phân tỉ lệ (PI) 23

2.3.5 Điều khiển bằng khâu vi tích phân tỉ lệ (PID) 24

2.4 Thư viện hàm S7-300 sử dụng trong luận văn 27

2.4.1 Hàm chuyển đổi Sacle FC105 27

2.4.2 Module analog SM331 của S7-300 29

2.4.3 Hàm chuyển đổi Unscale FC106 31

2.4.4 Module mềm PID 34

2.4.5 Hàm PID FB41 “CON_C” 39

CHƯƠNG 3 51

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THI CÔNG MẠCH ĐỘNG LỰC 51

3.1 Nguyên lý làm việc của lò điện trở 51

3.2 Yêu cầu của mạch động lực 51

3.3 Tính toán chọn van bán dẫn 53

3.4 Tính toán bảo vệ van bán dẫn 56

3.4.1 Bảo vệ quá dòng 56

3.4.2 Bảo vệ quá áp 57

3.5 Thi công thực tế 60

CHƯƠNG 4 61

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THI CÔNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN THYRISTOR 61

4.1 Nguyên tắc điều khiển thyristor 61

4.1.1 Nguyên tắc mở van thyristor 61

4.1.2 Cấu trúc mạch điều khiển thyristor 62

4.1.3 Nguyên tắc điều khiển thyristor 62

4.2 Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển 64

4.3 Vi mạch TCA 785 68

4.3.1 Giới thiệu TCA 785: 68

4.3.2 Chức năng và ký hiệu các chân của TCA 785 68

4.4 Tính toán mạch điều khiển 75

4.5 Thi công thực tế 79

CHƯƠNG 5 83

THIẾT KẾ KHÂU HIỆU CHỈNH PID 83

5.3 Thiết kế bộ điều khiển PID bằng phương pháp Ziegler-Nichols 88

5.4 Thiết kế bộ điều khiển PID bằng phương pháp đại số 90

5.5 Đặc trưng của các bộ điều khiển P,I,D 96

CHƯƠNG 6 97

GIẢI THUẬT VÀ CHƯƠNG TRÌNH 97

6.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống 97

6.1.1 Giao tiếp giữa PC và PLC 97

6.1.2 Cảm biến và PLC 98

6.1.3 Lò nhiệt và PLC 98

6.2 Chương trình chính 99

6.3 Chương trình con 101

6.3.1 Chế độ 1 102

6.3.2 Chế độ 2 104

6.4 Giải thích giao diện điều khiển 107

CHƯƠNG 7 112

KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 112

7.1 Kết quả thực nghiệm 112

7.1.1 Kết quả thực nghiệm với phương pháp đại số 112

7.1.2 Kết quả thực nghiệm với phương pháp Ziegler – Nichol 114

7.1.3 Những khó khăn gặp phải 117

7.2 Hướng phát triển đề tài 117

TÀI LIỆU THAM KHẢO 119

PHỤ LỤC 120

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1: Dạng tổng quát của một hệ thống hồi tiếp 2

Hình 2.1: Cặp nhiệt điện thực tế 11

Hình 2.2: Cấu tạo của cặp nhiệt điện 12

Hình 2.3: Kết nối cặp nhiệt điện với dụng cụ đo 13

Hình 2.4: Cấu tạo RTD 15

Hình 2.5: Một số loại Thermitor 17

Hình 2.6: Cấu tạo cảm biến IC bán dẫn 18

Hình 2.7: Sơ đồ điều khiển lò nhiệt 20

Hình 2.8: Đặc tính điều khiển của điều khiển ON – OFF 20

Hình 2.9:Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu tỉ lệ (P) 21

Hình 2.10: Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ (PD) với P = 1 22

Hình 2.11 : Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ (PI) với P = 1 23

Hình 2.12: Sơ đồ điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID 25

Hình 2.13: So sánh đáp ứng của hệ thống so với các bộ điều khiển 27

Hình 2.14: Đồ thị mô tả hàm scale AI 28

Hình 2.15: Cú pháp hàm FC105 dạng LAD 28

Hình 2.16: Sơ đồ nối dây của module SM331 AI/AO 2x12 bit 29

Hình 2.17: Sơ đồ kết nối cảm biến RTD với module analog input 31

Hình 2.18: Cú pháp hàm FC106 dạng LAD 32

Hình 2.19: Sơ đồ kết nối ngõ ra analog output với tải 33

Hình 2.20: Sơ đồ điều khiển PID 34

Hình 2.21: Cửa sổ cài đặt các thông số cho bộ PID mềm 37

Hình 2.22: Sơ đồ cấu trúc module PID 39

Hình 2.23: Sử dụng module PID 43

Hình 3.1: Nguyên lý mạch động lực 52

Hình 3.2: Dạng điện áp ngõ ra khi qua thyristor 52

Hình 3.3: Nguyên lý mạch động lực có cuộn dây L bảo vệ 57

Hình 3.4: Đồ thị quá trình biến thiên điện áp và dòng điện 58

Hình 3.5: Nguyên lý mạch động lực có thêm R, C bảo vệ 58

Hình 3.6: Nguyên lý mạch động lực hoàn chỉnh 60

Hình 3.7: Mạch nguyên lý trên orcad của mạch động lực 60

Hình 4.4: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos” 63

Hình 4.5: Đồ thị các xung điều khiển thyristor 65

Hình 4.6: Đồ thị quá trình điều khiển thyristor 66

Hình 4.7: Nguyên lý mạch điều khiển thyristor 67

Hình 4.8: Hình dạng vi mạch TCA 785 68

Hình 4.9: Sơ đồ khối TCA 785 71

Hình 4.10: Đồ thị tạo xung ngõ ra TCA 785 72

Hình 4.11: Sơ đồ mạch điều khiển thyristor bằng TCA 785 (theo datasheet) 74

Hình 5.1: Đáp ứng nấc của lò nhiệt 84

Hình 5.2: Đáp ứng nấc thực tế của lò nhiệt 85

Hình 5.3: Sơ đồ điều khiển vòng kín 86

Hình 5.4: Sơ đồ khối điều khiển vòng kín 86

Hình 5.5: Sơ đồ tóm tắt hệ thống 88

Hình 5.6: Sơ đồ điều khiển hệ thống dùng cho phương pháp đại số 91

Hình 6.1: Sơ đồ tổng quát hệ thống 97

Hình 6.2: Lưu đồ chương trình chính 99

Hình 6.3: Lưu đồ thuật toán chế độ 1 102

Hình 6.4: Lưu đồ thuật toán chế độ 2 104

Hình 6.5: Đặc tuyến nhiệt độ - thời gian 105

Hình 6.6: Giao diện điều khiển chính 107

Hình 6.7: Đồ thị thu thập nhiệt độ 110

Hình 6.8: Bảng thu thập thông số nhiệt độ 110

Hình 6.9: Đồ thị công suất 111

Hình 7.1: Đáp ứng ngõ ra ở chế độ 1 với phương pháp đại số 113

Hình 7.2: Giá trị nhiệt độ được thu thập ở chế độ 1 phương pháp đại số 113

Hình 7.3: Đáp ứng ngõ ra ở chế độ 2 phương pháp đại số 114

Hình 7.4: Đáp ứng ra thực tế ở chế độ 1 phương pháp Ziegler – Nichol 115

Hình 7.5: Đáp ứng ra thực tế ở chế độ 2 phương pháp Ziegler – Nichol 116

DANH SÁCH B NG BI U ẢNG BIỂU ỂU

Bảng 2.1: Phân loại cặp nhiệt điện 12

Bảng 2.2: So sánh các phương pháp điều khiển 26

Bảng 2.3: Giá trị chuyển đổi module analog ngõ vào đối với cảm biến Pt 100, 200, 500, 1000 dạng tiêu chuẩn (giá trị %) 30

Bảng 2.4: Quan hệ giữa giá trị số PLC quy đổi và dãi nhiệt độ ngõ vào 30

Bảng 2.5:Quan hệ giữa giá trị số PLC và dãi điện áp ngõ ra ±10V 33

Bảng 2.6: Khai báo tham số cho module PID 38

Bảng 2.7: Mô tả các tín hiệu đầu vào khối PID 43

Bảng 2.8: Mô tả các tín hiệu đầu ra 49

Bảng 4.1: Chức năng các chân của vi mạch TCA 785 69

Bảng 5.1: Các thông số của bộ điều khiển PID được xác định theo cách 1 89

Bảng 5.2: Các thông số của bộ điều khiển PID được xác định theo cách 2 89

Bảng 5.3: Các thông số bộ điều khiển PID của lò nhiệt dùng trong luận văn 90

Bảng 5.4: Đặc trưng của các thông số bộ điều khiển PID 96

DANH SÁCH CÔNG THỨC

2.1 Quan hệ giữa điện áp với độ biến thiên nhiệt độ trong cặp nhiệt điện 12

2.2 Quan hệ giữa điện áp với độ biến thiên nhiệt độ được tuyến tính hóa 12

2.3 Quan hệ giữa điện trở với nhiệt độ trong RTD 15

2.4 Quan hệ giữa điện trở với nhiệt độ với vật liệu làm bằng kim loại 15

2.5 Quan hệ giữa điện trở với nhiệt độ với vật liệu làm bằng oxit bán dẫn 15

2.6 Độ nhạy nhiệt với cảm biến RTD 16

2.7 Hàm truyền khâu điều khiển tỉ lệ 21

2.8 Hàm truyền khâu điều khiển vi phân tỉ lệ 22

2.9 Hàm truyền khâu điều khiển tích phân tỉ lệ 23

2.10 Hàm truyền trong bộ điều khiển PID 25

2.11 Mối quan hệ giữa tín hiệu ra u(t) với tín hiệu sai lệch e(t) trong bộ PID 25

2.12 Giá trị ngõ ra của hàm FC105 27

2.13 Giá trị ngõ ra của hàm FC106 31

2.14 Phương trình điều khiển của khối PID mềm 34

3.1 Định luất Jun-Len-xơ 51

3.2 Công suất tác dụng của lò nhiệt 51

3.3 Điện áp làm việc của Thyristor 54

3.4 Điện áp ngưỡng của Thyristor 54

3.5 Dòng điện trung bình qua Thyristor 55

3.6 Hệ số quá áp của mạch cầu Thyristor 59

3.7 Xác định giá trị tụ bảo vệ (C) 59

3.8 Xác định giá trị điện trở bảo vệ quá áp (R) 59

4.1 Tính góc kích của Thyristor 73

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Giới thiệu về đối tượng và phương pháp điều khiển

Nhiệt độ là một đại lượng vật lý hiện diện khắp nơi và trong nhiều lĩnh vực,trong công nghiệp cũng như trong sinh hoạt Nhiệt độ trở nên là mối quan tâm hàngđầu cho các nhà thiết kế máy và điều khiển nhiệt độ trở thành một trong những mụctiêu của ngành Điều Khiển Tự Động

Trong nhiều lĩnh vực của nền kinh tế, vấn đề đo và kiểm soát nhiệt độ là mộtquá trình không thể thiếu được, nhất là trong công nghiệp Đo nhiệt độ trong côngnghiệp luôn gắn liền với quy trình công nghệ của sản xuất, việc đo và kiểm soát nhiệt

độ tốt quyết định rất nhiều đến chất lượng của sản phẩm trong các ngành công nghiệpthực phẩm, luyện kim, xi măng, gốm sứ, công nghiệp chế tạo động cơ đốt trong

Tùy theo tính chất, yêu cầu của quá trình mà nó đòi hỏi các phương pháp điềukhiển thích hợp Tính ổn định và chính xác của nhiệt độ cũng đặt ra các vấn đề cầnphải giải quyết

Một điều cần thiết là ta phải khảo sát kỹ đối tượng cung cấp nhiệt mà ta cầnphải điều khiển để dẫn đến mô hình toán học cụ thể Từ đó chúng ta sẽ giải quyết bàitoán điều khiển trên cơ sở lý thuyết đã nghiên cứu

Hệ thống điều khiển nhiệt độ có thể phân làm hai loại : hệ thống điều khiển hồitiếp (feedback control system) và hệ thống điều khiển tuần tự (sequence controlsystem)

 Điều khiển hồi tiếp thường được xác định và giám sát kết quả điều khiển, sosánh nó với yêu cầu thực thi (ví dụ điểm đặt) và tự động điều chỉnh đúng

 Điều khiển tuần tự thực hiện từng bước điều khiển tùy theo hoạt động điềukhiển trước khi xác định tuần tự

điều khiển hồi tiếp có nhiều ưu điểm nên thường được sử dụng trong các hệ thống tựđộng.

Các phương pháp điều khiển khác nhau nhưng nguyên tắc điều khiển là giốngnhau Một hệ thống điều khiển nhiệt độ dựa trên nguyên tắc hệ thống hồi tiếp có dạngtổng quát như hình dưới đây:

Bộ điều khiển (ON-OFF, PID,…)

Bộ phận gia nhiệt (mạch công suất)

Cảm biến nhiệt độ

1.2 Nhiệm vụ đồ án:

 Nhiệm vụ của đồ án là tìm hiểu, thực hiện các mục tiêu sau:

o Sử dụng PLC SIEMENS S7-300 điều khiển lò nhiệt bằng phương pháp PID

o Thiết kế, thi công mạch công suất điều khiển đóng mở Thyristor cấp điệncho đối tượng lò nhiệt

o Giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu hoạt động của lò nhiệt sử dụng phầnmềm WinCC (Windows Control Center)

 Phạm vi điều khiển:

Do trong khuôn khổ giới hạn của luận văn nên em chỉ giới hạn trong phạm vinhư sau :

 Đối tượng:

o PLC S7-300 (CPU 314C-2DP, tích hợp sẵn module AI chuyên dụng

có khả năng đọc trực tiếp tín hiệu từ cảm biến RTD: Pt100) và lònhiệt dân dụng

o Điều khiển công suất lò nhiệt bằng phương pháp điều khiển pha, sửdụng hai thyristor nối song song ngược trên một pha

 Cảm biến:

o Sử dụng cảm biến Thermal Resistor (Pt 100)

 Phương tiện điều khiển : OP (Operation Panel), tuy nhiên được thay thếbằng PC (Personal Computer) với hệ điều hành Windows XP

 Giao tiếp máy tính : thông qua phần mềm WinCC của SIEMENS

 Bộ điều khiển PID : tích hợp trong PLC S7-300 của SIEMENS

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT

Lò điện được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật:

 Sản xuất thép chất lượng cao

 Sản xuất các hợp kim phe-rô

 Nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện

 Nung các vật phẩm trước khi cán, rèn dập, kéo sợi

 Sản xuất đúc và kim loại bột

Trong các lĩnh vực công nghiệp khác:

 Trong công nghiệp nhẹ và thực phẩm, lò điện được dùng để phủ, mạ vậtphẩm và chuẩn bị thực phẩm

 Trong các lĩnh vực khác, lò điện được dùng để sản xuất các vật phẩm thuỷtinh, gốm sứ, các loại vật liệu chịu lửa v.v

Lò điện không những có mặt trong các ngành công nghiệp mà ngày càng đượcdùng phổ biến trong đời sống sinh hoạt hàng ngày của con người một cách phong phú

và đa dạng như: bếp điện, nồi nấu cơm điện, bình đun nước điện, thiết bị nung rắn, sấyđiện v.v

2.1.1.2 Ưu điểm của lò điện

Lò điện so với các lò sử dụng các nhiên liệu khác có những ưu điểm sau:

 Có khả năng tạo được nhiệt độ cao

 Đảm bảo tốc độ nung lớn và năng suất cao

 Đảm bảo nung đều và chính xác do nhiệt độ được điều khiển bằng điện

 Đảm bảo độ kín cần thiết

 Có khả năng cơ khí hóa và tự động hóa trong quá trình chất dỡ nguyên liệu vàvận chuyển vật phẩm

 Đảm bảo điều kiện lao động hợp vệ sinh, vận hành thuận tiện, thiết bị gọn nhẹ

2.1.1.3 Nhược điểm của lò điện

Mặc dù lò điện trở có nhiều ưu điểm so với các lò nhiệt khác nhưng cũng khôngthể tránh được một số nhược điểm sau:

 Tiêu thụ nhiều điện năng

 Nếu lò có công suất lớn thì phải có tính toán chọn các thiết bị bảo vệ, vận hànhdài hạn hợp lý

 Yêu cầu người vận hành phải có chuyên môn

2.1.2 Những yêu cầu cơ bản đối với cấu tạo của lò điện trở

Hợp lý về công nghệ có nghĩa là cấu tạo lò không những phù hợp với quá trìnhcông nghệ yêu cầu tại thời điểm chế tạo mà còn tính đến khả năng mở rộng về saunày Đây là một điều cần thiết đối với bất kì một hệ thống điện nào Và đảm bảo làkhông làm phức tạp quá trình gia công và làm tăng giá thành của sản phẩm

Hiệu quả về kỹ thuật là khả năng thực hiện hiệu suất cực đại của kết cấu khi cácthông số của nó là cố định ( kích thước, công suất, trọng lượng, giá thành, …)

Đối với một thiết bị hay một vật phẩm sản xuất ra, năng suất trên một đơn vịcông suất định mức, sức tiêu hao điện năng để nung,…là các chỉ tiêu cơ bản củahiệu quả kỹ thuật Còn đối với từng phần riêng biệt của kết cấu hoặc chi tiết, hiệuquả kỹ thuật được đánh giá bằng công suất dẫn động, momen xoắn, lực,…ứng vớitrọng lượng, kích thước hoặc giá thành kết cấu.

Chắc chắn khi làm việc là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất của chấtlượng kết cấu các lò điện Thường các lò điện trở là tải hoạt động dài hạn, làm việcliên tục một ca, hai ca hoặc cũng có thể là liên tục ba ca trong một ngày Nếu tronglúc làm việc, một bộ phận nào đó không hoàn hảo sẽ gây ảnh hưởng đến quá trìnhsản xuất chung Điều này đặt biệt quan trọng đối với các lò điện làm việc liên tụctrong dây chuyền sản xuất tự động Ngay cả khi các lò điện làm việc theo chu kỳ,

lò ngừng cũng làm thiệt hại rõ rệt cho nhà sản xuất vì khi bị sự cố lò dừng đột ngộthoặc nhiệt độ tăng nhanh và cao quá mức quy định có thể dẫn đến làm hư hỏng sảnphẩm, lãng phí nguyên vật liệu, làm tăng giá thành sản phẩm, quán trình sản xuấtgián đoạn, phải tiến hành sửa chữa vừa mất thời gian vừa tốn kém

Một chỉ tiêu phụ về sự chắc chắn khi làm việc của một bộ phận đó của lò điện

là khả năng thay thế nhanh hoặc khả năng dự trữ lớn khi lò làm việc bình thường

Để đạt được điều này, trong các thiết bị cần chú ý đến các bộ phận quan trọng nhấtnhư: dây nung, băng tải,…quyết định đến sự làm việc liên tục của lò

Phải hội tụ một số đặc điểm sau:

 Số nhân viên phục vụ tối thiểu

 Không yêu cầu người vận hành có chuyên môn quá cao, có sức lực và sựdẻo dai

 Số lượng các thiết bị đắt tiền sử dụng nguyên liệu quý hiếm và bị haomòn nhanh cần phải hạn chế sử dụng đến mức thấp nhất

 Bảo quản, bảo trì dễ dàng, thuận tiện trong việc kiểm tra và sửa chữathiết bị, hệ thống.

 Tiêu hao vật liệu ít nhất, đặc biệt là các vật liệu quý hiếm

 Công nghệ sản xuất đơn giản, thời gian chế tạo nhanh nhưng vẫn đảmbảo chất lượng

 Sử dụng tối đa các kết cấu giống nhau và cùng loại để thuận tiện trongviệc trao đổi và lắp ráp

Mỗi kết cấu của thiết bị, vật phẩm, các khâu và các chi tiết phải có hình dáng vàkích thước phù hợp dễ coi Tuy vậy cũng cần chú ý rằng, độ bền của kết cấu khitrọng lượng nhỏ và hình dáng bề ngoài đẹp có quan hệ khăng khít với nhau Việcgia công lần chót như sơn có vai trò đặc biệt quan trọng đối với hình dáng bề ngoàicủa lò điện, song cũng cần tránh những trang trí không cần thiết

2.1.3 Cấu tạo của lò điện trở

Thường thì cấu tạo gồm ba thành phần chính: vỏ lò, lớp lót và dây nung

2.1.3.1 Vật nung, dây nung

Trong lò điện trở thành phần quan trọng nhất đó chính là điện trở, đặc trưngcho thành phần điện trở này chính là dây nung (vật nung)

 Vật nung: Trường hợp này gọi là nung trực tiếp Trường hợp này ít gặp vì

nó chỉ dùng để nung những vật có hình dạng đơn giản như: tiết diện chữnhật, vuông, tròn

 Dây nung: Trường hợp này gọi là nung gián tiếp Khi dây nung được nungnóng nó sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt hoặcphức hợp Trường hợp này thì ta gặp nhiều trong thực tế Và đề tài nhómđang làm cũng là loại lò điện trở này Vì thế nhóm sẽ làm rõ thêm vấn đề dây

 Yêu cầu của vật liệu dùng làm dây nung: dây nung là bộ phận phát nhiệt của

lò, làm việc trong điều kiện khắc nghiệt (nhiệt độ cao), do đó phải đảm bảo cácyêu cầu sau:

 Chịu nóng tốt, ít bị oxy hóa ở nhiệt độ cao

 Phải có độ bền cơ học cao, không bị biến dạng ở nhiệt độ cao

 Điện trở suất phải lớn

 Hệ số nhiệt điện phải nhỏ

 Các tính chất điện phải cố định hoặc ít thay đổi

 Các kích thước phải không thay đổi khi sử dụng

 Dễ gia công, dễ hàn hoặc dễ ép khuôn

Tùy thuộc vào vật liệu làm dây nung mà ta phân biệt dây nung thành hai loại:

Để đảm bảo yêu cầu của dây nung, trong hầu hết các lò điện trở công nghiệp,dây nung kim loại thường được chế tạo bằng các hợp kim Crôm- Nhôm và Crôm-Niken là các hợp kim có điện trở lớn Còn các kim loại nguyên chất được dùng đểchế tạo dây nung rất hiếm vì các kim loại nguyên chất thường có những tính chấtkhông có lợi cho việc chế tạo dây nung như:

 Điện trở suất nhỏ

 Hệ số nhiệt điện trở lớn

 Bị oxy hóa mạch trong môi trường bình thường

Dây nung kim loại thường được chế tạo ở dạng tròn và dạng băng

Than,…

2.1.3.2 Vỏ lò điện trở

Vỏ lò điện trở là một khung cứng vững chắc, chủ yếu là để chịu tải trong quátrình làm việc của lò Mặc khác vỏ lò cũng dùng để giữ lớp cách nhiệt rời và đảm bảo

sự kín hoàn toàn hoặc tương đối của lò

Đối với các lò làm việc với khí bảo vệ, vỏ lò cần phải hoàn toàn kín, còn đốivới các lò điện trở bình thường, sự kín của vỏ lò chỉ cần giảm tổn thất nhiệt và tránh sựlùa không khí lạnh vào lò, đặc biệt theo chiều cao lò

Trong những trường hợp riêng, lò điện trở có thể làm vỏ lò không bọc kín.Khung vỏ lò cần cứng vững đủ để chịu được tải trọng của lớp lót, phụ tải lò (vật nung)

và các cơ cấu cơ khí gắn trên vỏ lò

Vỏ lò chữ nhật thường dùng ở lò buồng, lò liên tục, lò đáy rung,

Vỏ lò tròn dùng ở các lò giếng và một vài lò chụp,

Vỏ lò tròn chịu lực tác dụng bên trong tốt hơn vỏ lò chữ nhật khi cùng mộtlượng kim loại để chế tạo vỏ lò Khi cần thiết tăng độ cứng vững cho vỏ lò tròn, người

ta dùng các vòng đệm tăng cường bằng các loại thép hình

Vỏ lò chữ nhật được dựng lên nhờ các thép hình U, L và thép tấm cắt theo hìnhdáng thích hợp Vỏ lò có thể được bọc kín, có thể không tuỳ theo yêu cầu kín của lò.Phương pháp gia công vỏ lò loại này chủ yếu là hàn và tán

2.1.3.3 Lớp lót

Lớp lót lò điện trở thường gồm hai phần: phần vật liệu chịu lửa và phần cáchnhiệt

hình đặc biệt tuỳ theo hình dáng và kích thước đã cho của buồng lò Cũng có khingười ta đầm bằng các loại bột chịu lửa và các chất kết dính gọi là các khối đầm.Khối đầm có thể tiến hành ngay trong lò và cũng có thể tiến hành ở ngoài nhờ cáckhuôn

 Chịu được nhiệt độ làm việc cực đại của lò.

 Có độ bền nhiệt đủ lớn khi làm việc

 Có đủ độ bền cơ học khi xếp vật nung và đặt thiết bị vận chuyển trong điềukiện làm việc

 Đảm bảo khả năng gắn dây nung bền và chắc chắn

 Có đủ độ bền hoá học khi làm việc, chịu được tác dụng của khí quyển lò vàảnh hưởng của vật nung

 Đảm bảo khả năng tích nhiệt cực tiểu Điều này đặc biệt quan trọng đối với

lò làm việc theo chu kỳ

chủ yếu của phần này là để giảm tổn thất nhiệt đến mức thấp nhất Riêng đối vớiđáy, phần cách nhiệt đòi hỏi phải có độ bền cơ học nhất định còn các phần khác nóichung không yêu cầu

Yêu cầu cơ bản của phần cách nhiệt là:

 Hệ số dẫn nhiệt cực tiểu

 Khả năng tích nhiệt cực tiểu

 Ổn định về tính chất lý, nhiệt trong điều kiện làm việc xác định

Phần cách nhiệt có thể xây bằng gạch cách nhiệt, có thể điền đầy bằng bột cách nhiệt

2.1.4 Đối tượng lò nhiệt được sử dụng trong luận văn

Thực tế, trong công nghiệp các lò nhiệt thường có công suất rất lớn, quán tínhlớn, tầm nhiệt hoạt động rộng và có nhiều cách đốt nóng khác nhau như dùng lò xo,khí đốt, sóng cao tần…Khi điều khiển nhiệt độ, đặc tính cần chú ý là độ quán tính,năng suất toả nhiệt ra môi trường Tính chất của lò nhiệt phụ thuộc vào nhiều yếu tốnhư : thể tích, vật liệu cách nhiệt và nguồn nhiệt

Vì yêu cầu của luận văn là tìm hiểu và bước đầu làm quen với đối tượng điềukhiển là nhiệt độ vì thế nhóm sẽ chỉ sử dụng một lò điện trở không đòi hỏi các tham sốcao quá như : công suất thấp, kích thước nhỏ gọn, sai số khi ổn định nhiệt độ là tươngđối lớn.Lò nhiệt được sử dụng trong luận văn là một loại lò nướng dân dụng, điện ápxoay chiều, có độ quán tính tương đối lớn, có công suất tiêu thụ lớn nhất là 1000W

2.2 Cảm biến nhiệt độ

Khi điều khiển nhiệt độ, việc cần làm đầu tiên là xác định được nhiệt độ chínhxác tại thời điểm đó của đối tượng điều khiển, vì thế chúng ta phải có thiết bị để đọcnhiệt độ hiện tại của lò về, từ đó mới có thể điều khiển nhiệt độ một cách chính xác.Thiết bị đó là cảm biến nhiệt độ

Cảm biến nhiệt độ là dụng cụ chuyển đổi đại lượng nhiệt thành các đại lượngvật lý khác chẳng hạn như: điện áp, dòng điện, áp suất, độ giãn nở dài, độ giãn nởkhối, điện trở, … Cảm biến nhiệt độ là phần tử không thể thiếu trong bất kỳ hệ thống

đo lường điều khiển nhiệt độ nào Cảm biến nhiệt độ có khả năng nhận biết được tínhiệu nhiệt độ một cách chính xác, trung thực và chuyển đổi thành tín hiệu có thể đolường được như điện áp, dòng điện, điện trở, thể tích áp suất…Có hai loại cảm biếnnhiệt đó là cảm biến nhiệt đo nhiệt tiếp xúc và cảm biến nhiệt đo nhiệt không tiếp xúc(hỏa kế, đo bằng hồng ngoại,laze,…) Trong thực tế thì rất ít gặp cảm biến nhiệt độ đonhiệt không tiếp xúc nên nhóm sẽ đi sâu tìm hiểu cảm biến nhiệt độ đo tiếp xúc vớinhiệt là chủ yếu

Trong thực tế người ta thường sử dụng những loại cảm biến nhiệt độ sau:Thermocouple, RTD, Thermistor, và các IC bán dẫn

2.2.1Thermocoupble (cặp nhiệt điện)

Hình 2.1: Cặp nhiệt điện thực tế

2.2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý đo

Gồm 2 dây kim loại khác nhau được hàn lại ở 1 đầu được gọi là đầu nối nóng,hai đầu còn lại gọi là đầu nối lạnh (đầu nối chuẩn)

Hình 2.2: Cấu tạo của cặp nhiệt điệnTheo hiệu ứng Seebeck, khi có chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng hay đầu lạnhthì phát sinh suất điện động giữa hai đầu lạnh, hai đầu lạnh đặt cùng nhiệt độ To.

Với: k là hệ số nhiệt, đơn vị μV/0C

2.2.1.2 Một số loại cặp nhiệt thông dụng

Bảng 2.1: Phân loại cặp nhiệt điện

Loại J Sắt-Constantan 52.3

Loại K Chromel-Alumel 40.0

Loại S Platinum-Rhodium 6.4

Loại T Đồng-Constantan 42.8

Nếu dây cặp nhiệt không được dài và ta phải sử dụng dây đồng để nối đến dụng

cụ đo thì số chỉ của dụng cụ đo là hiệu số giữa nhiệt độ đo T và nhiệt độ chỗ nối To,nhiệt độ To thường là không ổn định

Hình 2.3: Kết nối cặp nhiệt điện với dụng cụ đo

Để khắc phục ta nên dùng dây nối dài cùng loại với vật liệu cặp nhiệt để bù trừnhiệt độ To, lúc này ta có:

V = k.(T0 - T1)Với nhiệt độ T1 : nhiệt độ môi trường đặt dụng cụ đo và T1 ổn định và đo được.Điện áp từ cặp nhiệt điện là khá nhỏ vì thế ta phải khuếch đại lên nhiều lần để

đo được điện áp đó ngoài ra cần có thiết bị đo nhiệt độ đầu lạnh để bù trừ

2.2.1.3 Ưu và nhược điểm của Thermocouple

 Là thành phần tích cực, tự cung cấp công suất

 Đơn giản, dễ sử dụng, giá thành hạ

 Kém ổn định.

 Đòi hỏi điện áp tham chiếu

2.2.1.4 Bù nhiệt độ môi trường

Khi dùng thermocouple thì giá trị hiệu điện thế thu được bị ảnh hưởng bởi 2 loạinhiệt độ: nhiệt độ cần đo và nhiệt độ tham chiếu Cách gán 0oC cho nhiệt độ thamchiếu thường chỉ làm trong phòng thí nghiệm để rút ra các giá trị của thermocouple.Trong thực tế thì nhiệt độ tham chiếu thường là nhiệt độ của môi trường nơi mạch hoạtđộng nên không thể biết được chính xác nhiệt độ này là bao nhiêu vì thế vấn đề bù trừnhiệt độ được đặt ra để làm sao ta thu được hiệu điện thế một cách chính xác (chỉ phụthuộc vào nhiệt độ cần đo)

Bù nhiệt môi trường là ta phải có thành phần cho phép xác định nhiệt độ môitrường rồi từ đó tạo ra một giá trị để bù lại giá trị tạo ra bởi thermocouple chứ khôngthể bù nhiệt bằng cách ước lượng nhiệt độ môi trường rồi khi đọc giá trị hiệu điện thếthì trừ đi giá trị mà ta đã ước lượng bởi vì:

 Nhiệt độ môi trường thay đổi 1 cách thường xuyên, không xác định trước

 Ở những nơi khác nhau thì nhiệt độ môi trường khác nhau

2.2.2 RTD (Thermal Resistor)

Cấu tạo của RTD gồm có dây kim loại làm từ: Đồng, Nikel, Platinum,…đượcquấn tùy theo hình dáng của đầu đo Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa hai đầu dâykim loại này sẽ thay đổi, và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ tuyến tính trong mộtkhoảng nhiệt độ nhất định Phổ biến nhất của RTD là loại cảm biến Pt, được làm từPlatinum Platinum có điện trở suất cao, chống oxy hóa, độ nhạy cao, dải nhiệt đođược rộng Thường có các loại: Pt100, Pt200, Pt500, Pt1000 Điện trở càng cao thì độnhạy nhiệt càng cao RTD thường có loại 2 dây, 3 dây và 4 dây

Hình 2.4: Cấu tạo RTDNguyên lý làm việc của nhiệt kế (RTD) là dựa vào sự thay đổi điện trở theonhiệt độ của các vật liệu dẫn điện Lợi dụng tính chất này người ta xác định thông sốnhiệt độ thông qua giá trị điện trở đo được.

Thường dùng cho các ứng dụng như: Lò nhiệt, môi trường khắt nghiệt, đo nhiệt

R0 là điện trở đo được ở nhiệt độ T0,

F là hàm đặt trưng bởi vật liệu

 Với vật liệu bằng kim loại ta có hàm sau:

Trong đó: T đo bằng 0K (nhiệt độ tuyệt đối).

Khi nhiệt độ biến thiên  T nhỏ mà cảm biến có thể nhận biết được ta nói đó là độnhạy nhiệt αR

 

1

 Cần phải cung cấp nguồn dòng

 Lượng thay đổi ∆R

 Tự gia tăng nhiệt

2.2.3 Thermitor(thermally sensitive resistor)

Hình 2.5: Một số loại Thermitor Thermistor được cấu tạo từ hổn hợp các bột oxít kim loại: mangan, nickel,cobalt,… Các bột này được hòa trộn theo tỉ lệ và khối lượng nhất định sau đó đượcnén chặt và nung ở nhiệt độ cao Và mức độ dẫn điện của hổn hợp này sẽ thay đổi khinhiệt độ thay đổi

Có hai loại thermistor: loại hệ số nhiệt dương PTC - điện trở tăng khi nhiệt độtăng và loại hệ số nhiệt âm NTC - điện trở giảm khi nhiệt độ tăng Thường dùng nhất

 Cần phải cung cấp nguồn dòng.

 Tự gia tăng nhiệt

2.2.4 IC cảm biến

Hình 2.6: Cấu tạo cảm biến IC bán dẫnCảm biến nhiệt Bán Dẫn là những loại cảm biến được chế tạo từ những chấtbán dẫn Có các loại như Diode, Transistor, IC Nguyên lý hoạt động của chúng là dựatrên mức độ phân cực của các lớp P-N tuyến tính với nhiệt độ môi trường Ngày nayvới sự phát triển của ngành công nghệ bán dẫn đã cho ra đời rất nhiều loại cảm biếnnhiệt với sự tích hợp của nhiều ưu điểm: Độ chính xác cao, chống nhiễu tốt, hoạt động

ổn định, mạch điện xử lý đơn giản, rẽ tiền,…

Ta dễ dàng bắt gặp các cảm biến loại này dưới dạng diode ( hình dáng tương tựPt100), các loại IC như: LM35, LM335, LM45 Nguyên lý của chúng là nhiệt độ thay

đổi sẽ cho ra điện áp thay đổi Điện áp này được phân áp từ một điện áp chuẩn cótrong mạch.

Thường dùng: Đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệ cácmạch điện tử

 Nhiệt độ đo dưới 2000C

 Dẫn kém bền, không chịu nhiệt độ cao

 Cần cung cấp nguồn cho cảm biến

 Loại cảm biến này kém chịu đựng trong môi trường khắc nghiệt: Ẩm cao, hóa chất có tính ăn mòn, rung sốc va chạm mạnh

2.3 Các phương pháp điều khiển nhiệt độ

2.3.1 Điều khiển ON-OFF

Sơ đồ điều khiển lò nhiệt bằng phương pháp ON-OFF được thể hiện qua hình dưới:

Hình 2.7: Sơ đồ điều khiển lò nhiệt

Phương pháp điều khiển ON-OFF còn được gọi là phương pháp đóng ngắt haydùng khâu relay có trễ: cơ cấu chấp hành sẽ đóng nguồn để cung cấp năng lượng ởmức tối đa cho thiết bị tiêu thụ điện năng (lò nhiệt) nếu nhiệt độ đặt w(k) lớn hơn nhiệt

độ đo y(k), ngược lại mạch điều khiển sẽ ngắt mạch không tiếp tục cung cấp điện năngcho lò nữa khi nhiệt độ đặt w(k) nhỏ hơn nhiệt độ đo y(k)

Một vùng trễ được đưa vào để hạn chế tần số đóng ngắt như sơ đồ khối ở trên:nguồn chỉ đóng khi sai số e(k) > ∆ và ngắt khi e(k) < - ∆ Như vậy, nhiệt độ đo y(k) sẽdao động quanh giá trị đặt w(k) và 2∆ còn được gọi là vùng trễ của rơ le

Khâu rơle có trễ còn gọi là mạch so sánh Smith trong mạch điện tử và như vậy

∆ là giá trị thềm hay ngưỡng

Đặc tính của phương pháp điều khiển ON-OFF cho bởi hình dưới:

Hình 2.8: Đặc tính điều khiển của điều khiển ON – OFF

Điều khiển ON-OFF có ưu điểm là:

 Thiết bị tin cậy, đơn giản, chắc chắn, hệ thống luôn hoạt động được với mọi tải

 Tính toán thiết kế ít phức tạp và cân chỉnh dễ dàng

 Điều khiển ON-OFF tốt nhất cho hệ thống điều khiển khi nhiệt độ tăng lênchậm và sai phân G giữa cân bằng nhiệt khi ngõ ra là ON và khi ngõ ra OFF

là nhỏ

Nhưng có nhược điểm là sai số xác lập sẽ lớn do hệ chỉ cân bằng động quanhnhiệt độ đặt và thay đổi theo tải Khuyết điểm này có thể được hạn chế khi giảm vùngtrễ bằng cách dùng phần tử đóng ngắt điện tử ở mạch công suất

2.3.2 Điều khiển bằng khâu tỉ lệ (P)

Đây là hình thức điều khiển tốt hơn điều khiển ON – OFF bằng cách cung cấpnăng lượng cho lò nhiệt dựa vào sự khác biệt về nhiệt độ giữa nhiệt độ thực tế của đốitượng và nhiệt độ đặt, với KP được xem là độ khuếch đại tỷ lệ của bộ điều khiển

W = Kp.(TS – TO) (2.7)

Hình 2.9:Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu tỉ lệ (P)

Ta thấy hệ số khếch đại KP càng lớn thì sai số xác lập càng nhỏ tuy nhiên đápứng của hệ thống càng dao động, độ vọt lố càng cao Nếu KP tăng quá giới hạn thì hệthống sẽ trở nên mất ổn định Do đó không thể có sai số của hệ thống bằng 0 và cũngkhông thể tăng hệ số khếch đại lên vô cùng.

2.3.3 Điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ (PD)

Vấn đề về tính ổn định và quá tầm trong điều khiển tỷ lệ với độ khuếch đại lớn,

có thể được giảm đi khi thêm vào đó là khâu vi phân cho tín hiệu sai số

Với KD = KP TD; TD : là thời hằng vi phân của bộ điều khiển PD

Kỹ thuật đó được gọi là kỹ thuật điều khiển PD Khâu vi phân có thể hiệu chỉnhkhả năng đáp ứng sự thay đổi tại nhiệt độ đặt, đó là giảm độ vọt lố , đáp ứng ra c(t) bớtnhấp nhô hơn, được biểu diễn ở hình sau:

Hình 2.10: Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ (PD) với P = 1Dựa vào đáp ứng quá độ của hệ thống khi thay đổi giá trị TD và giữ hệ số KP

bằng hằng số Ta thấy TD càng lớn thì đáp ứng càng nhanh, thời gian lên càng ngắn.Tuy nhiên, nếu thời gian lên nhanh quá thì sẽ dẫn đến vọt lố mặc dù đáp ứng không códao động

Bộ hiệu chỉnh PD không thể thực hiện bằng các linh kiện mạch thụ động, có thểdùng khếch đại thuật toán, điện trở và tụ điện Nhược điểm của bộ PD này là rất nhạy

về nhiễu vì bản thân bộ PD là mạch lọc thông cao, với độ lợi lớn hơn 1 sẽ làm tăng sựảnh hưởng của tín hiệu nhiễu

2.3.4 Điều khiển bằng khâu tích phân tỉ lệ (PI)

Vấn đề về sai số xác lập có thể khắc phục bằng hiệu chỉnh PI Hiệu chỉnh PI cótác dụng làm chậm đáp ứng quá độ, tăng độ vọt lố, giảm sai số xác lập Do hệ số khếchđại của khâu PI bằng vô cùng tại tần số bằng 0 nên khâu hiệu chỉnh PI làm cho sai sốđối với tín hiệu vào là hàm nấc của hệ thống không có khâu tích phân lý tưởng bằng 0(hệ vô sai bậc 1) Ngoài ra khâu PI là một bộ lọc thông thấp nên nó còn có tác dụngtriệt tiêu nhiễu tần số cao tác động vào hệ thống

Ki = Kp/TI, TI là thời hằng tích phân của bộ điều khiển PI

Hình 2.11 : Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ (PI) với P = 1

Khâu hiệu chỉnh PI làm cho sai số xác lập của hệ thống đối với tín hiệu vào làhàm nấc bằng 0 Tuy nhiên khâu hiệu chỉnh PI lại làm cho hệ thống kém ổn định dolàm tăng thời gian xác lập.

Dựa trên đáp ứng quá độ của hệ thống khi giảm thời hằng tích phân TI thì độ vọt

lố của hệ thống càng cao, hệ thống càng chậm xác lập Vậy hằng số thời hằng tíchphân TI ta nên cho giá trị lớn nhằm hạn chế độ vọt lố Tuy vậy khi TI bằng hằng số thìảnh hưởng của P đến chất lượng của hệ thống chính là ảnh hưởng của khâu khếch đại,

P càng tăng thì độ vọt lố càng cao, tuy nhiên thời gian quá độ lại không thay đổi

2.3.5 Điều khiển bằng khâu vi tích phân tỉ lệ (PID)

Bộ điều khiển PID được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế để điều khiển nhiềuloại đối tượng khác nhau như nhiệt độ lò nhiệt, tốc độ động cơ, mực chất lỏng trongbồn chứa,… Lý do bộ điều khiển này được sử dụng rộng rãi là vì nó có khả năng triệttiêu sai số xác lập, tăng đáp ứng quá độ, giảm độ vọt lố nếu các tham số bộ điều khiểnđược chọn lựa thích hợp

Khâu hiệu chỉnh khuếch đại tỉ lệ (P) được đưa vào hệ thống nhằm làm giảm sai

số xác lập, với đầu vào thay đổi theo hàm nấc sẽ gây ra vọt lố và trong vài trường hợp

là không chấp nhận được đối với mạch động lực Sự có mặt của khâu vi phân tỉ lệ(PD) làm giảm độ vọt lố và đáp ứng ra bớt nhấp nhô hơn và hệ thống sẽ đáp ứngnhanh hơn Khâu tích phân tỉ lệ(PI) có mặt trong hệ thống sẽ dẩn đến sai lệch tĩnh triệttiêu( hệ vô sai) Muốn tăng độ chính xác ta phải tăng hệ số khuếch đại, song với mọi

hệ thống thực đều bị hạn chế và sự có mặt của khâu PI là bắt buộc Khâu hiệu chỉnh vitích phân tỉ lệ (PID) kết hợp những ưu điểm của khâu PI và PD, có khả năng tăng độ

dự trử pha ở tần số cắt, khử chậm pha Sự có mặt PID ở vòng hồi tiếp có thể dẩn đến

sự dao động trong hệ do đáp ứng quá độ bị vọt lố bởi hàm Dirac (t).Các bộ hiệu chỉnhPID được ứng dụng nhiều trong công nghiệp dưới dạng thiết bị điều khiển hay thuậttoán phần mềm

Do sự thông dụng của nó nên nhiều hãng sản xuất thiết bị điều khiển đã cho rađời các bộ điều khiển thương mại rất thông dụng

Thực tế các phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID dùng quỹ đạo nghiệm số,giản đồ Bode hay phương pháp giải tích rất ít được sử dụng do việc khó khăn trongxây dựng hàm truyền đối tượng Phương pháp phổ biến nhất để chọn tham số PIDthương mại hiện nay là phương pháp Ziegler-Nichols.

Lò Nhiệt

Bộ điều khiển

PID

Hình 2.12: Sơ đồ điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID có hàm truyền liên tục như sau:

Phương trình vi tích phân mô tả sự tương quan giữa tín hiệu ra u(t) với tín hiệu

sai lệch e(t) của bộ điều khiển PID là:

u( ) P ( ) D. ( ) I. ( ). (2.11)Trong đó: e(t) là sai lệch trong hệ thống e(t) = r(t) – c(t)

r(t) và c(t) là tín hiệu vào và đáp ứng ra của hệ thống

Vấn đề thiết kế là cần xác định giá trị Kp, Ki, Kd sao cho thoả mãn các yêu cầu

về chất lượng

Ta có bảng so sánh giữa các phương pháp điều khiển như sau:

Bảng 2.2: So sánh các phương pháp điều khiển

Các phương pháp

điều khiển

Điều khiển ON-OFF - Điều khiển đơn giản

- Không xảy ra offset

- Xảy ra quá tải và hunting

Hiệu chỉnh P - Quá tải và hunting nhỏ - Thời gian yêu cầu dài

đến khi biến điều khiểnđược thiết lập

- Vọt lố xảy ra

Điều khiển PI - Loại bỏ sai xác lập - Thời gian yêu cầu dài

hơn P cho đến khi biếnđiều khiển được thiết lập

Điều khiển PD - Đáp ứng nhanh - Điều khiển này không

thể thực hiện một mình

- Sai số xác lập luônkhác 0

Hiệu chỉnh PID - Có thể điều khiển tốt

nhất

- Đặt thông số PID làcần thiết

Hình 2.13: So sánh đáp ứng của hệ thống so với các bộ điều khiển.

2.4 Thư viện hàm S7-300 sử dụng trong luận văn

2.4.1 Hàm chuyển đổi Sacle FC105

Để việc chuyển đổi thuận tiện, ta có thể sử dụng các hàm thư viện Hàm thưviện FC105 (Thư viện Standard, mục TI-S7 converting blocks) có công dụng chuyểnđổi dữ liệu đầu vào PIW của module Analog dạng INT sang dạng đại lượng cần đo

Trong đó: OUT: Giá trị đại lượng đo, dạng số thực (REAL)

IN: Số đo từ PIW (ngõ vào analog), dạng số nguyên (INT)

K2: Giá trị số nguyên giới hạn trên ở đầu vào PIW (27648)

K1: Giá trị số nguyên giới hạn dưới ở đầu vào PIW:

- Với đầu vào Bipolar: -27648

- Với đầu vào Unipolar: 0

HI_LIM: Giới hạn trên đại lượng đo