Điều khiển nhiệt độ và giám sát trên máy tính dùng giải thuật PID. Đồ án điều khiển nhiệt độ lò nhiệt được nhóm thực hiện tìm hiểu và thiết kế dùng vi điều khiển Arduino Mega 2560, thông qua giao diện của LabVIEW để hiển thị và điều khiển nhiệt độ. Với chương trình điều khiển dựa vào phần mềm LabVIEW và điều chỉnh cho hệ thống hoạt động ổn định nhất.Mô hình gồm có: 2 cảm biến PT100, 1 bộ chuyển đổi tín hiệu PT100, 1 Thermorcouple, 1 bộ chuyển đổi tín hiệu Thermorcouple, 1 SSR điều khiển thanh gia nhiệt, 1 đồng hồ hiển thị nhiệt độ, 1 quạt tản nhiệt 24V, nguồn 12V và 24V
Đồ Án Tốt Nghiệp Cao Đẳng Thi Công Kit Thực Tập Cảm Biến Nhiệt Độ Người thực Nguyễn Vĩnh Khang MSSV: 0309191158 Mai Thái Ngọc MSSV: 0309191177 Nguyễn Vĩnh Hảo MSSV: 0309191136 Bộ Mơn Tự Động Hóa Khoa Điện-Điện Tử Trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng Tháng 12 năm 2022 Thi Công Kit Thực Tập Cảm Biến Nhiệt Độ Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Anh Vũ Người thực Mai Thái Ngọc Nguyễn Vĩnh Hảo Nguyễn Vĩnh Khang TỜ NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN Thi Công Kit Thực Tập Cảm Biến Nhiệt Độ Người thực Nguyễn Vĩnh Khang Mai Thái Ngọc Nguyễn Vĩnh Hảo Hội Đồng Chấm Bảo Vệ: ThS Cù Minh Phước ThS Nguyễn Thủy Đăng Thanh Hồ Thanh Vũ ThS Ngơ Minh Hồng Nguyễn Trung Thắng (Thành Viên) (Thành Viên) Tháng 12 năm 2022 Nhận xét Giảng viên hướng dẫn Ký tên ThS Nguyễn Anh Vũ Nhận xét Giảng viên phản biện Ký tên ThS Ngô Minh Hồng Lời Cảm Ơn Trước tiên với tình cảm sâu sắc chân thành nhất, cho phép chúng em bày tỏ lòng biết ơn đến tất thầy mơn Tự Động Hóa tạo điều kiện hỗ trợ, giúp đỡ em suốt trình học tập nghiên cứu đề tài Trong suốt thời gian từ bắt đầu học tập trường đến nay, em nhận nhiều quan tâm, giúp đỡ quý Thầy Cô bạn bè Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, chúng em xin gửi đến quý Thầy Cô Khoa Điện – Điện Tử truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em suốt thời gian học tập trường Nhờ có lời hướng dẫn, dạy bảo thầy cô nên đề tài nghiên cứu chúng em hồn thiện tốt đẹp Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Anh Vũ hướng dẫn tận tình để giúp chúng em hồn thành đồ án Vì kinh nghiệm thực tế cịn hạn chế nên trình thực đồ án chúng em khơng tránh khỏi thiếu sót sai lầm, chúng em mong bảo, góp ý tận tình từ phía thầy để đồ án chúng em hoàn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn ! i Mục Lục LỜI CẢM ƠN I MỤC LỤC II DANH SÁCH CÁC HÌNH IV DANH SÁCH CÁC BẢNG VII CÁC TỪ VIẾT TẮT VIII CÁC KÝ HIỆU IX TÓM TẮT X CHƯƠNG GIỚI THIỆU 1.1 Tổng quan đề tài 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Cấu trúc đồ án 1.4 Kế hoạch thực CHƯƠNG LÝ THUYẾT CƠ BẢN 2.1 Lý thuyết 2.1.1 Giải thuật PID 2.1.2 Một số phương pháp xác định thông số PID 2.1.3 Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM 12 2.2 Các thiết bị phần mềm sử dụng 14 2.2.1 Lò nhiệt điện trở 14 2.2.2 Nguyên lý làm việc lò nhiệt 15 2.2.3 Tổng quan Arduino Mega 2560 15 ii 2.2.4 Giới thiệu SSR 18 2.2.5 Tín hiệu RTD cảm biến nhiệt độ PT100 19 2.2.6 Cảm biến nhiệt độ cặp nhiệt ngẫu (Thermocouple) 30 2.2.7 Khối chuyển đổi tín hiệu 42 2.2.8 Bộ hiển thị nhiệt độ 44 2.2.9 Khối nguồn 48 2.3 Phần mềm thiết kế giao diện LabVIEW 49 2.4 Giới thiệu công cụ LINX 51 2.4.1 Các khối chức LINX 53 CHƯƠNG THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI VÀ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ 56 3.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống 56 3.2 Sơ đồ khối chi tiết 57 3.3.1 Tính tốn 58 CHƯƠNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 60 4.1 Lưu đồ giải thuật chương trình LABVIEW 60 4.1.1 Lưu đồ giải thuật chương trình 60 4.1.2 Lưu đồ giải thuật chương trình 62 CHƯƠNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 64 5.1 Kết đạt 64 5.1.1 Kết thiết kế thi công phần cứng 64 5.1.2 Kết Thiết kế thi công phần mềm 65 5.1.3 Quy trình vận hành 67 5.2 Nhận xét kết 67 5.2.1 Nhận xét 68 5.3 Hướng phát triển 68 Tài Liệu Tham Khảo 69 iii Danh sách hình Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống dùng điều khiển PID Hình 2.2: Đáp ứng khâu tỉ lệ Hình 2.3: Đáp ứng khâu tích phân Hình 2.4: Đáp ứng khâu vi phân Hình 2.5: Đáp ứng hàm nấc hệ hở Hình 2.6: Đáp ứng lò nhiệt 10 Hình 2.7: Đặc tính điểm uốn 10 Hình 2.8: Xác định K, 𝑇1, 𝑇2 11 Hình 2.9: Hàm truyền mơ 12 Hình 2.10: So sánh kết hai hàm truyền 12 Hình 2.11: Xung PWM 13 Hình 2.12: Đáp ứng lò nhiệt ngõ vào dạng hàm nấc đơn vị 15 Hình 2.13: Mạch Arduino Mega 256 16 Hình 2.14: Sơ đồ phân bố chân Arduino Mega 2560 16 Hình 2.15: Cấu tạo SSR 18 Hình 2.16: SSR 19 Hình 2.17: Đặc tính điện trở - nhiệt độ số kim loại 20 Hình 2.18: Bảng thơng số điện trở PT100 ứng với nhiệt độ đo 21 Hình 2.19: PT100 loại dây 21 Hình 2.20: Cảm biến PT100 loại dây 22 Hình 2.21: Cảm biến PT100 loại dây 22 Hình 2.22: Cấu tạo cảm biến dây 23 Hình 2.23: Cấu tạo cảm biến dây 23 Hình 2.24: Cấu tạo cảm biến dây 24 Hình 2.25: Loại đầu củ hành 25 Hình 2.26: Cấu tạo cảu cảm biến đầu củ hành 26 iv Hình 2.27: Cảm biến nhiệt độ PT100 28 Hình 2.28: Biểu đồ nhiệt độ PT100 29 Hình 2.29: Thermocouple dây loại K 30 Hình 2.30: Đường đặc tính Thermocouple 42 Hình 2.31: Bộ chuyển đổi tín hiệu Pt100 43 Hình 2.32: Bộ chuyển đổi tín hiệu Thermocouple 43 Hình 2.33: Bộ chuyển đổi dùng cho đầu củ hành 44 Hình 2.33: Đồng hộ nhiệt độ Omron E5CN 45 Hình 2.34: Sơ đồ kết nối 45 Hình 2.35: Đồng hồ TZN4L 46 Hình 2.36: Sơ đồ chân TZN4L 47 Hình 2.37: Khối nguồn DC 24VDC 12VDC 49 Hình 2.38: Cửa sổ bắt đầu LabVIEWỨng dụng LabVIEW 50 Hình 3.4: Biểu tượng LINX 51 Hình 3.5: Nạp Firmware 51 Hình 3.6: Chọn cổng COM 52 Hình 3.7: Upload firmware 52 Hình 3.8: Khối Open 53 Hình 3.9: Khối close 54 Hình 3.10: Khối Analog Read 54 Hình 3.11: Khối Digital Write 55 Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống 56 Hình 3.2: Sơ đồ đấu dây chi tiết 57 Hình 4.1: Chương trình 60 Hình 4.2: Chương trình 61 Hình 4.3: Chương trình 62 Hình 4.4: Chương trình 63 v 3.3.1.3 Phương pháp kiểm chứng đo lường Sau thành lập mối quan hệ ta tiến hành bước kiểm chứng phương pháp đo lường kiểm tra điện áp đầu chuyển đổi sau mắc điện trở R = 240 Ω dãy đo khác nhau: Tìm hệ số X phương trìnhT [℃]: T C X= (2.29) 350 Thay X vào phương trình U[mV] T C *16R U mV = + 4R (2.30) 350 ─ So sánh U tính tốn từ phương trình U đo thực tế: Bảng 3.1: Nhiệt độ tương ứng với giá trị điện áp thực tế T [℃] 32 40 50 60 70 80 90 100 120 130 140 150 U tính mV U đo mV 11 1311 1320 1398 1408 1508 1519 1618 1628 1728 1739 1837 1848 1947 1959 2057 2068 2276 2286 2386 2398 2496 2508 2605 2617 Sai số trung bình Sai số U đo − U tính 09 10 11 10 11 11 12 11 10 12 12 12 10.9 3.3.1.4 Kết luận Do sai số đo nhỏ nên ta chấp nhận hệ phương trình (2.28) để thực đọc giá trị nhiệt độ từ chuyển đổi ─ Phương trình dùng để đọc nhiệt độ có dạng sau: + Tìm hệ số X từ phương trình U[mV] U mV − 4R X= (2.31) 16R + Thay X vào phương trình T [℃] U mV − 4R T C = *350 (2.32) 16R 59 Chương Chương trình điều khiển 4.1 Lưu đồ giải thuật chương trình LABVIEW 4.1.1 Lưu đồ giải thuật chương trình Hình 4.1: Chương trình 60 Hình 4.2: Chương trình 61 4.1.2 Lưu đồ giải thuật chương trình Hình 4.3: Chương trình 62 Hình 4.4: Chương trình 63 Chương Kết đạt hướng phát triển 5.1 Kết đạt 5.1.1 Kết thiết kế thi công phần cứng Biết cách khắc phục số lỗi vận hành lập trình Mơ hình điều khiển nhiệt độ lò chạy ổn định mong muốn, nhiệt độ chạy tương đối với nhiệt độ cài đặt ban đầu, thời gian đáp ứng nhanh hiển thị đồng hồ nhiệt thơng qua giao diện Labview Hình 5.1: Mơ hình mặt trước Hình 5.2: Mơ hình mặt 64 5.1.2 Kết Thiết kế thi công phần mềm ─ ─ ─ ─ Thiết kế giao diện Labview Áp dụng giải thuật PID vào chương trình điều khiển Điều chỉnh thông số PID Cài đặt thông số ngõ vào đồng hồ nhiệt 65 Hình 5.3: Giao diện điều khiển 66 5.1.3 Quy trình vận hành Bước 1: Đặt thùng thống mát, khơ ráo, tránh ánh nắng chiếu trực tiếp vào lị, khơng có tiếp xúc với mơi trường nước ẩm ướt Bước 2: Kết nối lò nhiệt với Arduino Mega 2560 hiển thị giao diện nhiệt độ giao diện Labview Bước 3: Cài giá trị nhiệt độ mong muốn Sau cho lị chạy quan sát đáp ứng giao diện, đánh giá chất lượng hệ thống 5.2 Nhận xét kết Chọn Kp = 0.007 , Ki = 0.000026, Kd = 0.03 Đáp ứng nhiệt độ 60 [℃], 100 [℃], 150 [℃] Hình 5.4: Đáp ứng điểm đặt Đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển C − Cxl 100% ─ Độ vọt lố POT (%) = POT = max Cxl ─ ─ ─ Sai số (et) = r ( t ) − cht (t ) Thời gian độ Thời gian lên (tr) Bảng 5.1: Đánh giá chất lượng hệ thống Tiêu chí Độ vọt lố POT (%) Thời gian độ [s] Thời gian lên (tr) Sai số e(t) Nhiệt độ 100 [℃] 3[%] 350 150 60 [℃] 10[%] 550 160 67 150 [℃] 0[%] 250 125 5.2.1 Nhận xét ─ Đồ án đáp ứng yêu cầu đề tài đặt ra, nhiên nhiều hạn chế ─ Hệ thống sai số ─ Tín hiệu đọc đồ thị cịn nhiễu ─ Chưa bắt góc kích SSR 5.3 Hướng phát triển ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ Nghiên cứu sâu thuật tốn PID, để tìm thông số tối ưu cho hệ thống Tìm lỗi khử nhiễu cho biểu đồ Sử dụng thêm số tính LabVIEW như: cảnh báo, báo cáo,… Cải thiện mơ hình với kích thước nhỏ gọn Sử dụng phương pháp điều khiển qua internet Tận dụng tối đa độ xác chuyển đổi ADC Arduino Sử dụng nguyên lý điều khiển công suất có độ xác cao 68 Tài Liệu Tham Khảo [1] [2] [3] [4] [5] [T.S Đặng Đắc Chi, Th.S Nguyễn Thủy Đăng Thanh, K.S Nguyễn Văn Tính], “Giáo trình Lý Thuyết Điều Khiển Tự Động”, Trường CĐKT Cao Thắng, 2017 [T.S Đặng Đắc Chi, Th.S Nguyễn Thủy Đăng Thanh, K.S Nguyễn Văn Tính], “Giáo trình Thí Nghiệm Điều Khiển Tự Động”, Trường CĐKT Cao Thắng, 2017 [T.S Đặng Đắc Chi, Th.S Cao Hồng Vũ], “Giáo trình Đo lường điều khiển máy máy tính”, Trường CĐKT Cao Thắng, 2020 [T.S Đặng Đắc Chi, Th.S Nguyễn Anh Vũ], “Giáo trình Thực hành Đo lường điều khiển máy máy tính”, Trường CĐKT Cao Thắng, 2021 [T.S Đặng Đắc Chi, KS Phan Hồng Thiên], “Giáo trình kỹ thuật đo lường cảm biến”, Trường CĐKT Cao Thắng, 2018 69 Bảng chiết tính vật tư TT Tên vật tư - thiết bị Số lượng Lò nhiệt 01 Đồ án cũ Đồng hồ OMRON E5CN 01 Đồ án cũ Mặt PIT 01 Đồ án cũ Thùng lò nhiệt 01 Đồ án cũ Dây điện 30(m) 8.000 240.000 Cảm biến nhiệt độ PT100 04 438.000 1.752.000 Cảm biến nhiệt độ Thermocouple 01 Đồ án cũ Bộ chuyển đổi tín hiệu PT100 03 324.000 Bộ chuyển đổi tín hiệu Thermocouple 01 Đồ án cũ 10 SSR 01 120.000 11 Nguồn tổ ong( 12V + 24V) 02 Đồ án cũ 12 Quạt tản nhiệt 01 Đồ án cũ 13 Arduino Mega 2560 01 250.000 250.000 14 Logo Cao Thắng 01 400.000 400.000 15 Boar mạch Arduino 2560 10 210.000 210.000 16 Các thiết bị khác Đơn giá Thành tiền 970.000 120.000 400.000 Tổng giá thành 70 4.342.000 Phụ lục Các trường hợp ngõ vào lại đồng hồ TZN4L: − Ngõ vào can nhiệt ( Thermocuople) Cài đồng hồ nhóm thơng số Trạng thái ban đầu đồng hồ chế độ RUN Nhấn đồng thời phím MD + ↑ 3s lúc trạng thái RUN, đồng hồ vào nhóm thơng số Chọn loại ngõ vào đồng hồ INT → YCA.H (Thermocouple loại K) Ngồi cịn loại can nhiệt khác như: loại J, loại S, loại R, loại N,… − Ngõ vào Analog Cài đồng hồ nhóm thơng số Trạng thái ban đầu đồng hồ chế độ RUN Nhấn đồng thời phím MD + ↑ 3s lúc trạng thái RUN, đồng hồ vào nhóm thơng số Chọn loại ngõ vào đồng hồ 0-10V→A- - Ngồi cịn trường hợp ngõ vào là: 0-5V, 4-20mA Code chương trình điều khiển LabVIEW 71 72 Nhóm tác giả Hình ảnh Họ tên NGUYỄN VĨNH KHANG Khóa 2019-2022 Số điện thoại 0373818958 Email 0309191158@caothang.edu.vn Hình ảnh Hình ảnh Họ tên MAI THÁI NGỌC Khóa 2019-2022 Số điện thoại 0392951954 Email 0309191177@caothang.edu.vn Họ tên NGUYỄN VĨNH HẢO Khóa 2019-2022 Số điện thoại 0888382086 0309191136@caothang.edu.vn Email 73