Ứng dụng plc s7 1500 lập trình điều khiển cho hệ thống lò nhiệt điện trở

LỜI CẢM ƠN Sau thời gian năm học tập nghiên cứu Trƣờng Đại học SPKT Hƣng Yên, đƣợc động viên, giúp đỡ hƣớng dẫn tận tình giảng viên hƣớng dẫn TS Đặng Quang Đồng đề tài luận văn tốt nghiệp “ Ứng dụng PLC S7-1500 lập trình điều khiển cho hệ thống lị nhiệt điện trở ” hoàn thành Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: Cán hƣớng dẫn TS Đặng Quang Đồng tận tình dẫn, giúp đỡ q trình nghiên cứu để hồn thành luận văn Các thầy giáo cô giáo, cán giảng dạy khoa sau đại học; Khoa Điện - điện tử Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Hƣng Yên trang bị đầy đủ kiến thức cần thiết tạo điều kiện thuận lợi suốt trình học tập nghiên cứu trƣờng Toàn thể bạn bè đồng nghiệp, Trƣờng Cao đẳng Công nghiệp Bắc Ninh, gia đình ngƣời thân quan tâm động viên giúp đỡ suốt q trình học tập, cơng tác hoàn thành luận văn Tác giả Luận văn Nguyễn Thị Hồng i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Đề tài“Ứng dụng PLC S7-1500 lập trình điều khiển cho hệ thống lò nhiệt điện trở” TS Đặng Quang Đồng hƣớng dẫn cơng trình nghiên cứu riêng Tất tài liệu tham khảo có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Các số liệu, kết luận văn hoàn toàn trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình khác Nếu sai tơi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Tác giả Luận văn Nguyễn Thị Hồng ii MỤC LỤC MỤC LỤC iii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vi DANH MỤC BẢNG vii DANH MỤC HÌNH ẢNH viii MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu đề tài Đối tƣợng nghiên cứu Dự kiến kết đề tài Phƣơng pháp nghiên cứu Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài CHƢƠNG GIỚI THIỆU VỀ LÒ NHIỆT ĐIỆN TRỞ 1.1 KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI LÒ NHIỆT 1.1.1 Khái niệm lò nhiệt 1.1.2 Phân loại lò nhiệt 1.2 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA LÒ NHIỆT ĐIỆN TRỞ 10 1.2.1 Cấu tạo lò nhiệt điện trở 10 1.2.2 Ngun lí làm việc lị nhiệt điện trở 12 1.3 KẾT LUẬN CHƢƠNG 12 CHƢƠNG C I Đ T VẬN H NH HỆ TH NG L NHIỆT ĐIỆN TRỞ 13 2.1 C C TH NH CỦA HỆ TH NG LÒ NHIỆT ĐIỆN TRỞ 13 2.2 BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ 14 2.3 C I Đ T VẬN HÀNH HỆ TH NG LÒ NHIỆT ĐIỆN TRỞ 16 iii 2.3.1 Cài đặt vận hành hệ thống b ng ph m thiết bị điều khiển 16 2.3.2 Cài đặt vận hành hệ thống b ng máy t nh 17 2.4 CHỨC N NG CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ 26 2.4.1 Chức điều khiển On Off 26 2.4.2 Chức tự dò tham số PID uto-turning) 28 2.3 KẾT LUẬN CHƢƠNG 30 CHƢƠNG LẬP TRÌNH VÀ KHẢO SÁT HỆ TH NG LỊ NHIỆT ĐIỆN TRỞ 31 3.1 ĐỀ XUẤT BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC S7-1500 31 3.1.1 Thông số kỹ thuật 31 3.1.2 Lập trình tƣơng tự 34 3.1.3 Lập trình PID 37 3.2 HÀM TRUYỀN CÁC KHÂU TRONG HỆ TH NG 44 3.2.1 Hàm truyền khâu đo nhiệt độ 45 3.2.2 Hàm truyền lò nhiệt điện trở 49 3.2.3 Hàm truyền công suất 50 3.3 T NH TO N TH M S BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 51 3.3.1 Phƣơng pháp tổng T Kuhn 51 3.3.2 Phƣơng pháp tối ƣu độ lớn 53 3.4 KHẢO S T HỆ TH NG SỬ DỤNG M THL B 53 3.4.1 Phƣơng pháp tổng T Kuhn 54 3.4.2 Phƣơng pháp tối ƣu độ lớn 55 3.5 KHẢO SÁT HỆ TH NG SỬ DỤNG PLC S7-1500 57 3.5.1 Chƣơng trình PLC 57 3.5.2 Kết khảo sát 64 3.6 KẾT LUẬN CHƢƠNG 67 iv KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 v DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT KÝ HIỆU Ý NGHĨ RTD Resistance Temperature Detectors PLC Programmable Logic Controller SCR Silicon-controlled rectifier PT100 Platinium Pt) 100Ω PID Proportional Integral Derivative PC Personal Computer USB Universal Serial Bus SSR Solid State Relay I/O Input/Output TT vi DANH MỤC BẢNG Bảng Thông số kỹ thuật điều khiển nhiệt độ Autonics TK4S-Series 14 Bảng Modul mở rộng PLC S7-1500 33 Bảng 3.2 Thông số hàm SCALE_X 35 Bảng 3.3 Bảng tham số RET_VAL 35 Bảng 3.4 Bảng thông số hàm NORM_X 37 Bảng 3.5 Bảng mơ tả thuật tốn PID 38 Bảng 3.6 Bảng thông số đầu vào 40 Bảng 3.7.Thông số đầu 41 Bảng 3.8 Chế độ hoạt động 42 Bảng 3.9 Kết khảo sát cảm biến PT100 47 Bảng 3.10 Bảng kết khảo sát mơ tả tốn học lị nhiệt 49 Bảng 3.11 Mối quan hệ điện áp điều khiển điện áp 50 Bảng 12 Tham số điều khiển theo phƣơng pháp T Kubh 51 Bảng 3.13 Tham số điều khiển theo phƣơng pháp T Kuhn 53 Bảng 14 Bảng thông số theo phƣơng pháp tổng T Kuhn 54 Bảng 15 Thông số phƣơng pháp tối ƣu độ lớn 55 vii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 Lò điện trở sử dụng sấy đa Hình 2.Lị hồ quang sử dụng cơng nghiệp luyện kim Hình Lị cảm ứng trung tần sử dụng công nghiệp mạ vật phẩm .8 Hình Hình ảnh kết cấu lò điện trở dạng lò buồng Hình 5.Mặt cắt ngang lị nhiệt 10 Hình 1.Sơ đồ khối phần tử mơ hình 13 Hình 2 Bộ điều khiển Autonics TK4S-Series 14 Hình Giao diện cài đặt ON/OFF .28 Hình Cách cài đặt auto-turning phần mềm DAQMaster 29 Hình CPU 1516-3 PN/DP 31 Hình Sơ đồ chức CPU 1516-3 PN/DP .32 Hình 3 CPU 1516 -3PN/DP 33 Hình 3.4 Lệnh SCALE_X 35 Hình 3.5 Ví dụ cách giá trị đƣợc chuẩn hóa .36 Hình 3.6 Lệnh NORM_X 37 Hình 3.7 Lệnh NORM_X 38 Hình 3.8 Sơ đồ khối PID_Compact 39 Hình 3.9 Sơ đồ khối PID_Compact 39 Hình 3.10.Sơ đồ khối hệ thống lò nhiệt điện trở .44 Hình 3.11 Sơ đồ khối hệ thống dạng hàm truyền 44 Hình 3.12 Sơ đồ khối hệ thống dạng hàm truyền (-1) .45 Hình 3.13 Cảm biến nhiệt độ PT100 45 Hình 3.14 Bộ chuyển đổi tín hiệu A8H22 .46 Hình 3.15 Kết nối chuyển đổi A8H22 47 Hình 3.16 Biểu đồ thể mối quan hệ nhiệt độ điện áp 48 Hình 3.17 Biểu đồ thể đặc tính lị 49 Hình 3.18 Đồ thị mối quan hệ điện áp điều khiển điện áp tải SCR 51 Hình 3.19 Sơ đồ cấu trúc dạng phản hồi 51 viii Hình 20 Sơ đồ mơ Simulink 53 Hình 21 Đặc tính điều khiển PI phƣơng pháp tổng T Kuhn 54 Hình 22 Đặc tính điều khiển PID phƣơng pháp tổng T Kuhn 55 Hình 23 Đặc tính điều khiển PI phƣơng pháp tối ƣu độ lớn 56 Hình 24 Đặc tính điều khiển PID phƣơng pháp tối ƣu độ lớn 56 Hình 3.25 Cài đặt thơng số PI 64 Hình 3.26 Biểu đồ PI theo phƣơng pháp tối ƣu độ lớn 65 Hình 3.27 Biểu đồ PI có nhiễu hệ thống 65 Hình 28 Khởi động chế độ Auto turning .66 Hình 29 Biểu đồ chạy chế độ Auto turning 66 Hình 3.30 Biểu đồ chạy chế độ auto turning có nhiễu hệ thống 67 ix MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trong thực tế công nghiệp sinh hoạt hàng ngày, lƣợng nhiệt đóng vai trị quan trọng Năng lƣợng nhiệt đƣợc dùng q trình công nghệ khác nhƣ nung nấu vật liệu: nấu gang thép, khn đúc Vì việc sử dụng nguồn lƣợng cách hợp lý hiệu cần thiết Lò nhiệt đƣợc ứng dụng rộng rãi cơng nghiệp đáp ứng đƣợc nhiều u cầu thực tiễn đặt Ở lò nhiệt, yêu cầu kỹ thuật quan trọng phải điều chỉnh khống chế đƣợc nhiệt độ lò Trên sở lý thuyết học đƣợc chủ yếu môn học lý thuyết điều khiển tự động, kèm kiến thức môn học sở ngành mơn học có liên quan nhƣ kỹ thuật đo lƣờng cảm biến, lập trình PLC Với mong muốn thúc đẩy q trình nhận thức học đơi với hành bạn sinh viên tạo cho em động lực lớn để lựa chọn đề tài “Ứng dụng PLC S7 - 1500 lập trình điều khiển cho hệ thống lò nhiệt điện trở” làm luận văn tốt nghiệp Em mong r ng luận văn tốt nghiệp góp phần giúp bạn sinh viên có thiết bị thí nghiệm để học, nghiên cứu, so sánh kiến thức học lý thuyết thực tế để hiểu rõ tốn điều khiển nhiệt độ cơng nghiệp, đời sống, nhƣ hiểu rõ môn lý thuyết điều khiển tự động Bên cạnh đó, thiết bị cịn giúp ích cho việc thí nghiệm PLC mơn kỹ thuật đo lƣờng cảm biến Ngồi ra, em mong muốn tìm phƣơng pháp khác để tốn điều khiển lị nhiệt đƣợc tối ƣu Mục tiêu đề tài - Tìm hiểu tổng quan q trình điều khiển lị nhiệt, thiết bị thí nghiệm điều khiển nhiệt độ có - Nghiên cứu, đề xuất phƣơng án điều khiển mới, nhận dạng thiết bị hệ thống - Tiến hành kết nối, cài đặt nhiệt độ lò nhiệt điện trở thông qua điều khiển PLC - Lập trình điều khiển PID PLC để ổn định nhiệt độ lò nhiệt Nhận xét: Sai lệch tĩnh St = Độ điều chỉnh δmax = 5% nhỏ so với tiêu chuẩn đặt δmax < 40%, thời gian độ Tqđ = 30000(s), số lần dao động n = lần nhỏ so với tiêu chuẩn đặt n ≤ Dạng đồ thị đẹp Vậy phƣơng án đạt tiêu chuẩn Hình 22 Đặc tính điều khiển PID phƣơng pháp tổng T Kuhn Nhận xét: Sai lệch tĩnh St = 0, độ điều chỉnh δmax = 5% nhỏ so với tiêu chuẩn đặt δmax < 40%, thời gian độ Tqđ =32000 s), số lần dao động n = lần nhỏ so với tiêu chuẩn đặt n ≤ 3, dạng đồ thị ổn định Vậy phƣơng án đạt tiêu chuẩn 3.4.2 Phƣơng pháp tối ƣu độ lớn Bảng 15 Thông số phƣơng pháp tối ƣu độ lớn Bộ điều khiển Kp TI Bộ PI KP = 0.105 TI = 5793 Bộ PID KP =0.0005 TI =5823 55 TD TD =29.84 Hình 23 Đặc tính điều khiển PI phƣơng pháp tối ƣu độ lớn Nhận xét: Sai lệch tĩnh St = 0, độ điều chỉnh δmax = 5% nhỏ so với tiêu chuẩn đặt δmax < 40%, thời gian độ Tqđ = 200 s), số lần dao động n = lần nhỏ so với tiêu chuẩn đặt n ≤ 3, dạng đồ thị ổn định Vậy phƣơng án đạt tiêu chuẩn Hình 24 Đặc tính điều khiển PID phƣơng pháp tối ƣu độ lớn Nhận xét: Sai lệch tĩnh St = 0, độ điều chỉnh δmax = 0% nhỏ so với tiêu chuẩn đặt δmax < 40%, thời gian độ Tqđ = 56000 s), số lần dao động n = lần nhỏ so với tiêu chuẩn đặt n ≤ 3, dạng đồ thị ổn định Vậy phƣơng án đạt tiêu chuẩn 56 Kết luận: - Qua q trình mơ hệ thống điều khiển phần mềm Simulink, ta thấy điều khiển PID thiết kế theo phƣơng pháp phƣơng pháp tối ƣu độ lớn có kết phù hợp với yêu cầu đặt - Vì có thời gian q độ ngắn, độ q điều chỉnh, số lần dao động nhỏ nhất, phù hợp so với phƣơng án thiết kế điều khiển khác Do ta lựa chọn điều khiển thiết kế theo phƣơng pháp tối ƣu độ lớn để nhập vào PLC 3.5 KHẢO SÁT HỆ TH NG SỬ DỤNG PLC S7-1500 3.5.1 Chƣơng trình PLC Thiết lập phần cứng Chƣơng trình điều khiển ƣớc 1: Khai địa nhận tín hiệu analog IW64 vào data work từ 0-27648 tƣơng ứng với dải nhiệt độ từ đến 397 điện áp cảm biến trả sau qua chuyển đổi 397 tƣơng ứng với 10v) 57 ƣớc 2: Tinh chỉnh nhiệt độ trả từ cảm biến, để nhiệt độ trả từ cảm biến cho sát với nhiệt độ chuẩn đƣợc quy ƣớc từ trƣớc 58 59 60 61 62 ƣớc 3: Đƣa nhiệt độ có đƣợc vào khối PID để t nh tốn điều khiển điện áp để đốt nóng ổn định nhiệt độ lò nhiệt Dùng lên move để sử dụng chế độ AUTO TURNING 63 ƣớc 4: Lấy tín hiệu từ output_per mã hóa suất tín hiệu từ 0-5v cấp vào nguồn 3.5.2 Kết khảo sát Chế độ khởi chạy tay Thông số PI t nh toán theo phƣơng pháp tối ƣu độ lớn Hình 3.25 C i đặt thơng số PI 64 Khảo sát hệ thống khởi chạy chế độ tay khơng nhiễu Hình 3.26 Biểu đồ PI theo phƣơng pháp tối ƣu độ lớn Nhận xét: Độ điều chỉnh δmax = 5% đạt yêu cầu so với tiêu chuẩn < 40%, thời gian độ Tqđ = 660 (s) lớn so với thời gian độ mo Simulink, đồ thị gợn sóng, hệ thống ổn định Do thiết bị khơng đạt chuẩn nên cịn có nhiễu Tín hiệu số đƣợc thể rõ Khảo sát hệ thống khởi chạy chế độ tay có nhiễu Hình 3.27 Biểu đồ PI có nhiễu hệ thống Nhận xét: Do có khâu I nên sai lệch tĩnh b ng Độ điều chỉnh δmax = 5% đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn < 40%, thời gian độ Tqđ = 480 (s), đồ thị gợn sóng, hệ thống ổn định Cho phép nhiễu tác động b ng cách mở cửa lị nhiệt độ giảm, xong sau đóng lị nhiệt độ tang vào trạng thái ổn định Thời gian ổn định sau có nhiễu khoảng 100s 65 Chế độ khởi chạy AUTO TURNING Hình 28 Khởi động chế độ Auto turning Khảo sát hệ thống chạy Auto turning khơng nhiễu Hình 29 Biểu đồ chạy chế độ Auto turning Nhận xét: Sai lệch tĩnh b ng Độ điều chỉnh δmax = 5% đạt tiêu chuẩn < 40%, thời gian độ Tqđ = 498 (s), đồ thị gợn sóng, hệ thống ổn định Do thiết bị chƣa đạt chuẩn xuất hiện tƣợng nhiễu Khảo sát hệ thống chạy Auto turning có nhiễu hệ thống 66 Hình 3.30 Biểu đồ chạy chế độ auto turning có nhiễu hệ thống Nhận xét: Sai lệch tĩnh b ng Độ điều chỉnh δmax = 5% đạt yêu cầu < 40 %, thời gian độ Tqđ = 498 (s), đồ thị gợn sóng, hệ thống ổn định Cho phép nhiễu tác động b ng cách mở cửa lị nhiệt độ giảm, xong sau đóng lị nhiệt độ tang vào trạng thái ổn định Thời gian ổn định sau có nhiễu khoảng 120s 3.6 KẾT LUẬN CHƢƠNG Ƣu điểm Hệ thống đạt đƣợc nguyên lý hoạt động nhƣ mong muốn Đã lập trình điều khiển ổn định đƣợc nhiệt độ Dễ vận hành kiểm tra Có khả ứng dụng thực tế Nhƣợc điểm Giá trị nhiệt độ thực tế nhiệt độ PLC nhận chênh lệnh nhỏ, hệ thống chƣa tối ƣu, giá thành để thực toán nghiên cứu cao 67 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI KẾT LUẬN Trong suốt trình làm luận văn em rèn luyện đƣợc khả làm việc, biết cách tổ chức công việc xếp thời gian cách hợp lý, rèn luyện kỹ cần thiết cho chuyên ngành Đó kết to lớn mà em thu nhận đƣợc sau nghiên cứu thực xong đề tài Mong r ng đề tài đƣợc bạn sinh viên khoá sau tiếp tục thực yêu cầu khắc phục đƣợc hạn chế đề tài này, để tạo sản phẩm có chất lƣợng cao phục vụ cho sản xuất đời sống xã hội HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Đề tài thêm phong phú tăng hiệu sử dụng cần đáp ứng yêu cầu sau: - Nâng cấp chuyển đổi công nghiệp, đa chức - Sử dụng điều khiển để điều chỉnh làm nóng làm lạnh - Có thể giao tiếp với nhiều điều khiển để tạo thành hệ thống lớn - Điều khiển ổn định nhiệt độ lị nhiệt có nhiều tín hiệu bên ngồi tác động - Chúng ta lấy nhiều tín hiệu đầu vào để điều khiển khơng có nhiệt độ mà độ ẩm, ánh sáng, áp suất lò nhiệt dựa vào loại cảm biến, … - Sử dụng điều khiển để kết nối HMI, với PLC, biến tần để điều khiển đƣợc nhiều đối tƣợng - Mong r ng đề tài đƣợc khóa sau tiếp tục thực theo hƣớng phát triển đề tài để tạo nên sản phẩm chất lƣợng phù hợp với nhiều mục đ ch sử dụng khác công nghiệp đời sống 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ts Đặng Quang Đồng (Chủ biên), Giáo trình Tự động hóa q trình sản xuất, Nhà xuất Khoa học & Kỹ thuật [2] Trần Văn Hiếu (Chủ biên), Tự động hóa PLC S7-1500 với Tia Portal, Nhà xuất Khoa học & Kỹ thuật, 2020 [3] Trang Web: www.Scribd.com www.Google.com.vn www.plcvietnam.net [6] Các luận văn khóa trƣớc 69