Đo nhiệt độ trong công nghiệp 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
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN, GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ LÒ ĐIỆN TRỞ
Giới thiệu chung về lò điện trở
Lò điện trở là một thiết bị điện biến điện năng thành nhiệt năng dùng trong các quá trình công nghệ khác nhau như nung hoặc nấu luyện các vật liệu, các kim loại và các hợp kim khác nhau v.v
Lò điện trở 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 trở được dùng để sấy, mạ vật phẩm và chuẩn bị thực phẩm
+ Trong các lĩnh vực khác, lò điện trở được dùng để sản xuất các vật phẩm thuỷ tinh, gốm sứ, các loại vật liệu chịu lửa v.v
Lò điện trở không những có mặt trong các ngành công nghiệp mà ngày càng được dùng phổ biến trong đời sống sinh hoạt hàng ngày của con người một cách phong phú và đa dạng: Bếp điện, nồi nấu cơm điện, bình đun nước điện, thiết bị nung rắn, sấy điện v.v a Ưu điểm
+ 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 dễ điều chỉnh nhiệt độ
+ Có khả năng cơ khí hoá và tự động hoá quá trình chất dỡ nguyên liệu và vận chuyển vật phẩm b Nhược điểm
+ Yêu cầu có trình độ cao khi sử dụng
Hình 1.1: Hình ảnh minh họa các thiết bị lò nhiệt
11 Thông số của lò nhiệt
Kích thước trong (cm) 40 x 45 x 40 Kích thước ngoài (cm) 50 x 100 x 63
Bảng 1.1 Thông số cấu tạo của lò OXY-500
Lò điện trở thường gồm 3 phần chính là: vỏ lò, lớp lót và dây nung a Vỏ lò
Vỏ lò điện trở là một khung cứng vững, chủ yếu chịu trọng tải trong quá trình làm việc của lò Mặt khác vỏ lò cũng dùng để giữ lớp cách nhiệt và đảm bảo sự kín của lò giúp giảm tổn thất nhiệt và tránh sự lùa của không khí lạnh vào lò
Khung vỏ lò cần làm cứng, vững đủ để chịu trọng tải của lớp lót, phụ tải lò và các cơ cấu cơ khí gắn trên vỏ lò b Lớp lót
Lớp lót lò điện trở thường gồm 2 phần vật liệu chịu lửa và cách nhiệt
Vật liệu chịu lửa xây lò có thể sử dụng gạch tiêu chuẩn, gạch định hình hoặc gạch đặc biệt tùy thuộc vào hình dạng và kích thước của buồng lò Ngoài ra, có thể đúc bằng bột chịu lửa và chất kết dính thành khối đúc Khối đúc có thể được thực hiện trực tiếp trong lò hoặc bên ngoài bằng khuôn.
12 Phần cách nhiệt thường nằm giữa vỏ lò và phần chịu lửa Mục đích chủ yếu của phần này là để giảm tổn thất nhiệt Riêng đối với đáy phần cách nhiệt đòi hỏi phải có độ bền cơ học nhất định Phần cách nhiệt có thể xây bằng gạch cách nhiệt hoặc các lớp cách nhiệt c Dây nung
Dây nung là bộ phận phát nhiệt của lò, làm việc trong những điều kiện khắc nhiệt do đó phải đảm bảo được các yêu cầu cần thiết Theo đặc tính của vật liệu dùng làm dây nung người ta chia dây nung làm 2 loại: dây nung kim loại và dây nung phi kim loại Để đảm bảo yêu cầu của dây nung trong hầu hết các lò điện trở công nghiệp, dây nung kim loại được chế tạo bằng hợp kim Crôm – Nhôm và Crôm – Niken là hợp kim có điện trở suất lớn d Bộ đo và hiển thị nhiệt độ
• Thiết bị đo nhiệt độ và khếch đại, dùng để hiển thị và cài đặt nhiệt độ, lối ra tiếp điểm rơ le sẽ phản hồi về PLC để điều khiển
• Đèn hiển thị trạng thái, có chức năng hiển thị các trạng thái như ON, OFF, chế độ tự động, chế độ bằng tay, báo động
1.1.2 Nguyên lý làm việc của lò điện trở
Lò điện trở làm việc dựa trên cơ sở khi có một dòng điện chạy qua một dây dẫn hoặc vật dẫn thì ở đó sẽ toả ra một lượng nhiệt theo định luật Jun- Lenxơ:
Q - Lượng nhiệt tính bằng Jun (J)
I - Dòng điện tính bằng Ampe (A)
R - Điện trở tính bằng (Ω ) t - Thời gian tính bằng giây (s)
Từ công thức trên ta thấy điện trở R có thể đóng vai trò :
+ Vật nung: Trường hợp này gọi là nung trực tiếp
+ Dây nung: Khi dây nung được nung nóng nó sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt hoặc phức hợp Trường hợp này gọi là nung gián tiếp Trường hợp thứ nhất ít gặp vì nó chỉ dùng để nung những vật có hình dạng đơn giản ( tiết diện chữ nhật, vuông và tròn )
Trong ngành công nghiệp, trường hợp thứ hai thường được áp dụng rộng rãi, đó là sử dụng lò điện trở Khi nhắc đến lò điện trở, không thể không đề cập đến vật liệu chế tạo dây nung - bộ phận có chức năng phát nhiệt chủ yếu của lò.
Hệ thống điều khiển lò nhiệt
Nhiệt độ là đại lượng vật lý phổ biến trong sản xuất và đời sống Đo và kiểm soát nhiệt độ trong sản xuất công nghiệp đóng vai trò then chốt trong điều khiển tự động, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Trong quá trình thu thập dữ liệu cho giám sát và điều khiển nhà máy, nhiệt độ là thông số vô cùng quan trọng.
Tùy theo yêu cầu và tính chất của quá trình điều khiển mà ta sử dụng phương pháp điều khiển thích hợp Tính chính xác và ổn định nhiệt độ cũng đặt ra vấn đề cần giải quyết
Hệ thống điều khiển nhiệt độ thường được chia làm hai loại:
+ Hệ thống điều khiển hồi tiếp (feedback control system): thường xác định và giám sát kết quả điều khiển, so sánh với tín hiệu đặt và tự động điều chỉnh lại cho đúng
+ Hệ thống điều khiển tuần tự (sequence control system): thực hiện từng bước điều khiển tùy theo hoạt động điều khiển trước khi xác định tuần tự
14 Một hệ thống muốn đạt được độ chính xác cần thiết cần thiết phải thực hiện hồi tiếp, tín hiệu phản hồi về so sánh với tín hiệu vào và sai lệch sẽ được đưa tới bộ điều chỉnh đầu ra Hệ thống điều khiển này có nhiều ưu điểm được sử dụng nhiều trên thực tế trong các hệ thống điều khiển tự động Dạng tổng quát của hệ thống điều khiển được mô tả trên nguyên tắc như hình sau:
Hình 1.2: Hệ thống điều khiển vòng kín
Các phương pháp đo nhiệt độ
Tùy theo nhiệt độ đo có thể dùng các phương pháp khác nhau, thường phân loại các phương pháp dựa vào dải nhiệt độ cần đo Thông thường nhiệt độ đo được chia thành ba dải: nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình và cao Ở nhiệt độ trung bình và thấp: phương pháp thường đo là phương pháp tiếp xúc nghĩa là các chuyển đổi được đặt trực tiếp ở ngay môi trường cần đo Đối với nhiệt độ cao: đo bằng phương pháp không tiếp xúc, dụng cụ đặt ở ngoài môi trường đo
1.3.1 Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc
Phương pháp đo nhiệt độ trong công nghiệp thường được sử dụng là các nhiệt kế tiếp xúc Có hai loại nhiệt kế tiếp xúc, gồm: nhiệt kế nhiệt điện trở và nhiệt kế nhiệt ngẫu
Ngoài ra đối với các ứng dụng đơn giản, dải nhiệt độ -550 0 C ÷ 2000 0 C hiện nay người ta thường ứng dụng các IC bán dẫn ứng dụng tính chất nhạy nhiệt của các điốt, tranzito để đo nhiệt độ Cấu tạo của nhiệt kế nhiệt điện trở và cặp nhiệt ngẫu cũng như cách lắp ghép chúng phải đảm bảo tính chất trao đổi nhiệt tốt giữa chuyển đổi với môi trường đo:
15 + Đối với môi trường khí và nước: chuyển đổi được đặt theo hướng ngược lại với dòng chảy
Khi đo nhiệt độ của chất rắn và khí, nhiệt lượng dễ truyền từ vật sang cảm biến nhiệt kế, gây tổn hao năng lượng cho vật, đặc biệt là đối với vật dẫn nhiệt kém Vì vậy, diện tích tiếp xúc giữa vật đo và nhiệt kế càng lớn thì càng tốt.
+ Khi đo nhiệt độ của các chất ở dạng hạt (cát, đất ): cần phải cắm sâu nhiệt kế vào môi trường cần đo và thường dùng nhiệt điện trở có cáp nối ra ngoài
1.3.2 Đo nhiệt độ cao bằng phương pháp tiếp xúc Ở môi trường nhiệt độ cao từ 1600 0 C trở lên, các cặp nhiệt ngẫu không chịu được lâu dài, vì vậy để đo nhiệt độ ở các môi trường đó người ta dựa trên hiện tượng quá trình quá độ đốt nóng của cặp nhiệt Quá trình quá độ khi đốt nóng cặp nhiệt có phương trình: θ=f(t)= ∆T.(1-e τ t ) (1.2)
Trong đó: θ: Lượng tăng nhiệt độ của đầu nóng trong thời gian t
∆T: Hiệu nhiệt độ của môi trường đo và cặp nhiệt τ: Hằng số thời gian của cặp nhiệt ngẫu
Dựa trên quan hệ này có thể xác định được nhiệt độ của đối tượng đo mà không cần nhiệt độ đầu công tác của cặp nhiệt ngẫu phải đạt đến nhiệt độ ấy Bằng cách nhúng nhiệt ngẫu vào môi trường cần đo trong khoảng 0,4 ÷ 0,6s ta sẽ được phần đầu của đặc tính quá trình quá độ của nhiệt ngẫu và theo đó tính được nhiệt độ của môi trường
Nếu nhiệt độ đầu công tác của cặp nhiệt ngẫu trong thời gian nhúng vào môi trường cần đo đạt nhiệt độ vào khoảng một nửa nhiệt độ môi trường thì nhiệt độ tính được có sai số không quá hai lần sai số của nhiệt kế nhiệt ngẫu đo trực tiếp Phương pháp này thường dùng để đo nhiệt độ của thép nấu chảy
1.3.3 Đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc Đây là phương pháp dựa trên định luật bức xạ của vật đen tuyệt đối, tức là vật hấp thụ năng lượng theo mọi hướng với khả năng lớn nhất Bức xạ nhiệt của mọi vật thể đặc trưng bằng mật độ phổ E nghĩa là số năng lượng bức xạ trong một dơn vị thời gian với một đơn vị diện tích của vật xảy ra trên một đơn vị của độ dài sóng Quan hệ giữa mật độ phổ bức xạ của vật đen tuyệt đối với nhiệt độ và độ dài sóng được biểu diễn bằng công thức:
Các loại cảm biến đo nhiệt độ
Nguyên lý hoạt động của các loại nhiệt điện trở chủ yếu là dựa trên sự thay đổi giá trị điện trở của các loại vật liệu dẫn điện và bán dẫn khi có sự thay đổi nhiệt độ của chúng Chính vì vậy mà người ta sử dụng nhiệt điện trở làm phần tử cảm biến nhiệt độ; tuy nhiên tùy theo yêu cầu sử dụng mà người ta có thể dùng nhiệt điện trở kim loại hoặc nhiệt điện trở bán dẫn
1.4.1 Nhiệt điện trở kim loại Đối với nhiệt điện trở kim loại thì việc chế tạo nó thích hợp hơn cả là sử dụng các kim loại nguyên chất như: platin, đồng, niken Để tăng độ nhạy cảm nên sử dụng các kim loại có hệ số nhiệt điện trở càng lớn càng tốt Tuy nhiên tùy thuộc vào khoảng nhiệt độ cần kiểm tra mà ta có thể sử dụng nhiệt điện trở loại này hay khác Cụ thể: nhiệt điện trở chế tạo từ dây dẫn bằng đồng thường làm việc trong khoảng nhiệt độ từ -50 0 ÷ 150 0 C, với hệ số nhiệt điện trở α = 4,27.10 -3 Nhiệt điện trở từ dây dẫn platin mảnh làm việc trong khoảng nhiệt độ -190 0 ÷ 650 0 C với α = 3,968.10 -3 Nhưng khi làm việc ngắn
17 hạn, cũng như khi đặt điện trở nhiệt trong chân không hoặc khí trung tính thì nhiệt độ làm việc lớn nhất của nó có thể còn cao hơn.
Nhiệt điện trở kim loại có cấu trúc gồm phần tử nhạy cảm là dây dẫn mảnh kép đôi quấn trên khung cách điện, đặt trong vỏ đặc biệt có cực đưa ra Giá trị điện trở của chúng thường nằm trong khoảng từ 10 đến 100 Ohm Đặc trưng quan trọng của nhiệt điện trở kim loại là mối quan hệ tuyến tính giữa điện trở và nhiệt độ.
R0: điện trở dây dẫn ứng với nhiệt độ ban đầu 0 0 C
R(θ): điện trở dây dẫn ứng với nhiệt độ [θ 0 C] α, β, γ: các hệ số nhiệt điện trở
Các kim loại dùng làm điện trở nhiệt thường có điện trở suất nhỏ ρ = 10 -5 ÷ 10 -6 Ω/cm, và có mật độ điện tử lớn (không phụ thuộc vào nhiệt độ)
Khi nhiệt độ tăng ρ phụ thuộc vào sự dao động của mạng tinh thể kim loại, tức là nó được xác định bởi tính linh hoạt của các điện tử Như vậy khi có sự thay đổi nhiệt độ thì cũng làm cho tính linh hoạt của các điện tử thay đổi theo
1.4.2 Nhiệt điện trở bán dẫn
Nhiệt điện trở được chế tạo từ vật liệu bán dẫn được gọi là termistor; Chúng được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động kiểm tra và điều khiển Termistor được chế tạo từ hợp kim của đồng - mangan hoặc coban - mangan dưới dạng thỏi, đĩa tròn hoặc hình cầu Loại này hoàn toàn trái ngược với nhiệt điện trở kim loại: khi nhiệt độ tăng thì điện trở của nó lại giảm theo quy luật:
Hệ số nhiệt điện trở: α = (0.03 – 0.06) Điện trở suất của termistor được tính theo công thức: ρ = A.e B/ θ
Trong đó: A - hằng số phụ thuộc kích thước của termistor
B - hằng số phụ thuộc tạp chất trong chất bán dẫn
Hình 1.3: Đặc tính nhiệt và đặc tính Von-Ampe
Cũng như điện trở nhiệt kim loại, termistor cũng có hai đặc tính: Đặc tính nhiệt là quan hệ giữa điện trở của termistor với nhiệt độ và đặc tính vôn
Đặc tuyến vôn-ampe của thermistor thể hiện mối quan hệ giữa điện áp trên thermistor, dòng điện chạy qua thermistor và nhiệt độ của nó Đặc tuyến này có dạng đặc trưng, trong đó điện áp đạt giá trị cực đại ứng với một cường độ dòng điện cụ thể I1 Điều này là do khi dòng điện tăng vượt quá I1, nó sẽ làm nóng thermistor, khiến điện trở giảm xuống.
Các loại termistor thường được chế tạo từ vài chục Ω đến vài chục kΩ Termistor có điện trở lớn cho phép đặt nó ở vị trí cần kiểm tra khá xa so với nơi bố trí hệ thống đo lường Chúng có thể làm việc trong khoảng nhiệt độ từ 600 0 C đến +1800 0 C, và cho phép đo nhiệt độ với độ chính xác 0,0005 0 C
1.4.3 Cảm biến cặp nhiệt ngẫu
Phương pháp đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt ngẫu là một trong những phương pháp phổ biến và thuận lợi nhất
Cấu tạo của nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu như hình:
Cặp nhiệt điện gồm đầu làm việc (3) là hai điện cực được hàn với nhau bằng hàn khí hoặc tia điện từ Đầu tự do của điện cực nối với dây dẫn (7) và dụng cụ đo thông qua vít (6) có trong đầu nối dây (8) Các điện cực được cách ly với nhau bằng ống sứ cách điện (4) Ống sứ này phải có khả năng trơ về mặt hóa học và đủ độ bền cơ học cũng như nhiệt để làm việc ở nhiệt độ cao Để bảo vệ điện cực, người ta sử dụng vỏ bảo vệ (1) làm bằng sứ hoặc thép chịu nhiệt.
Hình 1.5: Sơ đồ cặp nhiệt ngẫu và sơ đồ nối cặp nhiệt ngẫu
Bộ cảm biến cặp nhiệt ngẫu là một mạch có từ hai hay nhiều thanh dẫn điện gồm hai dây dẫn A và B Chỗ nối giữa hai thanh kim loại này được hàn với nhau Nếu nhiệt độ các mối hàn t và t0 khác nhau thì trong mạch khép kín có một dòng điện chạy qua Chiều của dòng nhiệt điện này phụ thuộc vào nhiệt độ tuơng ứng của mối hàn, nghĩa là t > t0 thì dòng điện chạy theo hứớng ngược lại Nếu để hở một đầu thì giữa hai cực xuất hiện một sức điện động nhiệt Như vậy bằng cách đo sức điện động ta có thể tìm được nhiệt độ t của đối tượng đo với t0 = const.
Các phương pháp điều khiển
1.5.1 Mô tả toán học của lò nhiệt trong phòng thí nghiệm
Lò nhiệt có đầu vào là điện áp cung cấp cho dây đốt (hay công suất cung cấp ) và ngõ ra là nhiệt độ của sản phẩm cần nung hay nhiệt độ vùng sử dụng Thực tế lượng nhiệt này ngoài việc đốt nóng để tăng nhiệt độ bên trong mà còn thất thoát ra bên ngoài nên thực tế phương trình cân bằng năng lượng này rất khó thiết lập Một cách gần đúng, ta có thể xem môi trường nung là đồng chất, đẳng nhiệt ta có hàm truyền của lò là:
P: Công suất cung cấp dưới dạng điện năng
K: Hệ số tỷ lệ cho biết quan hệ giữa ngõ vào và ngõ ra ở trạng thái xác lập
T: Hằng số thời gian thể hiện quán tính của hệ thống
21 Theo thực nghiệm Ziegler-Nichols đề xuất ra hệ thống là khâu biểu diễn ở bậc cao do tính chất có trễ của lò nhiệt, xấp xỉ về khâu quán tính bậc nhất có trễ ta được:
Ts+1 (1.6) Trong đó: L - Thời gian trễ của lò nhiệt
Khai triển Taylor gần đúng e -LS ta được hàm truyền sẽ là hệ thống tuyến tính bậc 2:
1.5.2 Phương pháp điều khiển ON-OFF
Với những hệ thống, dây truyền điều khiển hiện nay vẫn chủ yếu là sử dụng phương pháp điều khiển ON-OFF Đây là phương pháp điều khiển đơn giản nhất, tiết kiệm chi phí nhất, được ứng dụng cho những đối tượng không yêu cầu cao về chất lượng điều khiển Ví dụ như điều khiển đóng mở trực tiếp các động cơ điện, các van thủy lực, khí nén, lò nhiệt
Phương pháp điều khiển theo kiểu ON-OFF chỉ là đóng và ngắt thiết bị tiêu thụ điện ra khỏi lưới điện Ví dụ trong một hệ thống ổn định nhiệt độ của một lò nhiệt, sử dụng phương pháp điều khiển ON-OFF Khi khởi động hệ thống lò nhiệt, điều khiển lò nhiệt sang trạng thái ON, sau một thời gian nhiệt độ trong lò nhiệt đạt đến mức ngưỡng Lúc đó, chuyển sang trạng thái OFF để cắt nguồn cấp cho lò nhiệt, vì có tính chất trễ nên sau một khoàng thời gian nhiệt độ trong lò giảm xuống, mạch điều khiển chuyến sang trạng thái ON và cứ tiếp tục quá trình như vậy
Hình 1.6: Biểu đồ thời gian thuật toán điều khiển ON-OFF Đầu ra sẽ luôn ON/OFF và dựa theo giá trị đặt để nhiệt độ điều khiển không đổi Khi đó công suất cấp cho sợi đốt cũng chỉ có 2 giá trị (nghĩa là 100% hoặc 0%) Cho nên bộ điều khiển tác động ON/OFF còn gọi là bộ điều khiển tác động 2 vị trí Đối tượng áp dụng cho phương pháp điều khiển theo kiểu ON-OFF là các động cơ công suất nhỏ và yêu cầu về chất lượng không cao Các bộ điều khiển logic hiện nay như các dòng vi điều khiển, các dòng PLC chủ yếu điều khiển theo phương pháp này Sử dụng các phần từ cách ly công suất như rơle để điều khiển gián tiếp các đối tượng điều khiển Nhưng trong một số trường hợp đòi hỏi chất lượng điều khiển cao ổn định tốc độ và điều chỉnh tốc độ theo một đường tuyến tính, người ta phải bổ xung thêm các phương pháp điều khiển cao cấp hơn ví dụ như P, PI, PD, PID
1.5.3 Phương pháp điều khiển PID
PID là bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân - vi phân ( Propotional – Integral – Derivative)
Bộ điều khiển PID được sử dụng rộng rãi để điều khiển đối tượng theo nguyên tắc sai lệch:
Hình 1.7: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vòng kín
Bộ điều khiển PID là một cơ chế điều khiển lặp hồi tiếp được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điều khiển công nghiệp do dễ sử dụng Một bộ điều khiển PID điều chỉnhgiữa giá trị biến đo được và giá trị mong muốn đạt được bằng cách tính toán và xuất ra một "tín hiệu điều chỉnh" nhanh chóng để giữ cho sai lệch ở mức nhỏ nhất có thể được
Bộ điều khiển PID gồm 3 thông số riêng: Tỷ lệ, Tích phân và Vi phân
Hình 1.8: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID
Thành phần tỉ lệ (Kp) có tác dụng làm tăng tốc độ đáp ứng của hệ, và làm giảm, chứ không triệt tiêu sai số xác lập của hệ (steady-state error)
Thành phần tích phân (Ki) có tác dụng triệt tiêu sai số xác lập nhưng có thể làm giảm tốc độ đáp ứng của hệ
Thành phần vi phân (Kd) làm tăng độ ổn định hệ thống, giảm độ vọt lố và cải thiện tốc độ đáp ứng của hệ
Tỉ lệ, tích phân và vi phân là ba thành phần cơ bản để xây dựng các bộ điều khiển như P, PI, PD Tùy theo từng đối tượng tác động cụ thể, sẽ có những bộ điều khiển phù hợp khác nhau Bài viết này sẽ tập trung nghiên cứu chuyên sâu về bộ điều khiển PID.
Khâu P tạo ra tín hiệu điều khiển tỉ lệ với giá trị của sai lệch Được thực hiện bằng cách nhân sai lệch e với hằng số KP – gọi là hằng số tỉ lệ Khâu P được tính dựa trên công thức:
Với: Pout: giá trị ngõ ra
KP: hằng số tỉ lệ e: sai lệch: e = SP – PV
Sơ đồ khối của khâu P:
Nếu chỉ có khâu P thì trong mọi trường hợp sai số tĩnh luôn xuất hiện, trừ khi giá trị đầu vào của hệ thống bằng 0 hoặc đã bằng với giá trị mong muốn Trong hình sau thể hiện sai số tĩnh xuất hiện khi thay đổi giá trị đặt
Hình 1.9: Đáp ứng của khâu P
Nếu giá trị khâu P quá lớn sẽ làm cho hệ thống mất ổn định
Khâu I cộng thêm tổng các sai số trước đó vào giá trị điều khiển Việc tính tổng các sai số được thực hiện liên tục cho đến khi giá trị đạt được bằng với giá trị đặt, và kết quả là khi hệ cân bằng thì sai số bằng 0
Khâu I được tính theo công thức:
Với: IOUT: giá trị ngõ ra khâu I
Ki: hệ số tích phân e: sai số: e = SP – PV
Khâu I thường đi kèm với khâu P, hợp thành bộ điều khiển PI Nếu chỉ sử dụng khâu I thì đáp ứng của hệ thống sẽ chậm và thường bị dao động Hình sau chỉ ra sự khác biệt giữa khâu I và PI:
Hình 1.10: Đáp ứng của khâu I và PI
Ta có thể nhận thấy là khâu I làm cho đáp ứng của hệ thống bị chậm đi rất nhiều, còn khâu PI giúp triệt tiêu sai số xác lập c Khâu D:
Khâu D sẽ đưa vào giá trị điều khiển tại ngõ ra một thành phần tỷ lệ thuận với tốc độ biến thiên của sai số Khi sai số biến thiên nhanh, khâu D sẽ tạo ra thành phần bổ sung vào giá trị điều khiển, giúp hệ thống phản ứng nhanh hơn Giá trị của khâu D được tính theo công thức đã cho.
Với: DOUT: ngõ ra khâu D
KD: hệ số vi phân e: sai số: e = SP – PV
Khâu D thường đi kèm với khâu P thành bộ PD, hoặc với PI để thành bộ PID
Hình 1.11: Đáp ứng của khâu D và PD
Theo hình minh họa trên, bộ điều khiển PID cho thời gian tăng trưởng nhỏ hơn so với bộ điều khiển P Giá trị D quá lớn sẽ dẫn đến hệ thống không ổn định Tích hợp cả ba bước này tạo thành bộ điều khiển PID.
Bộ điều khiển PID là cấu trúc ghép song song giữa 3 khâu P, I và D Phương trình vi phân của bộ PID lý tưởng:
Sơ đồ khối: Đáp ứng của bộ PID:
Hình 1.12: Đáp ứng của khâu P, PI và PID
TÍNH CHỌN CÁC THIẾT BỊ MẠCH LỰC VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
Tính toán chọn thanh đốt của lò nhiệt
Thanh gia nhiệt (thanh mayso) là một loại điện trở nhiệt hoạt động dựa trên định luật Joule-Lence: khi dòng điện chạy qua dây dẫn thì trên dây dẫn tỏa ra một lượng nhiệt Nó có tác dụng chuyển điện năng thành nhiệt năng thông qua quá trình cản trở dòng điện
Hình 2.2: Cấu tạo thanh đốt
Ta hiểu một cách đơn giản: Điện trở là sự cản trở dòng điện của một vật dẫn điện, nếu một vật dẫn điện tốt thì điện trở nhỏ, vật dẫn điện kém thì điện trở lớn, vật cách điện thì điện trở là vô cùng lớn Điện trở của dây dẫn phụ thuộc vào chất liệu, độ dài và tiết diện của dây, được tính theo công thức sau:
Trong đó: ρ là điện trở xuất phụ thuộc vào chất liệu
L là chiều dài dây dẫn
S là tiết diện dây dẫn
R là điện trở đơn vị là Ohm
Hình 2.3: Dây điện trở b Vật liệu cách điện
- Tên gọi: Magnesium Oxide - MgO (Cát cách điện)
- Tên khác: Magie Oxit, MgO, Oxite Magie
- Công Thức Hóa Học: MgO
MgO được dùng trong vật liệu gốm nhờ hai đặc tính quan trọng là giãn nở nhiệt thấp và khả năng chống rạn men Trong men nung nhiệt độ cao, chất này là một chất trợ chảy tạo ra men chảy lỏng có độ sệt cao, sức căng bề mặt lớn, đục và sần, tác động làm chảy men của nó gia tăng rất nhanh khi nhiệt độ càng cao MgO dùng là surface modifier - tạo mặt men matte c Thân
Thường dùng vật liệu chịu nhiệt cao, dễ định hình và có tính ổn định như inox 304,201 đồng , thép, thủy tinh, gốm sứ
Bộ biến đổi AC-AC
Bộ điều khiển điện áp xoay chiều được sử dụng để thay đổi giá trị RMS của điện áp xoay chiều đặt vào tải bằng cách đặt Thyristor giữa tải và nguồn xoay chiều có điện áp không đổi Giá trị RMS của điện áp xoay chiều đặt vào tải được điều khiển bằng cách điều khiển góc kích hoạt của các Thyristor trong các mạch điều khiển điện áp xoay chiều Tóm lại, bộ điều khiển điện áp xoay chiều là một loại bộ chuyển đổi điện bằng thyristor được sử dụng để biến đổi đầu vào xoay chiều có điện áp cố định, tần số cố định để có được đầu ra thay đổi được Giá trị RMS của điện áp đầu ra xoay chiều và dòng điện xoay chiều đến tải được điều khiển bằng cách thay đổi (điều chỉnh) góc kích hoạt ‘α’
Hình 2.4: Sơ đồ khối bộ điều khiển điện áp xoay chiều
Trong điều khiển pha, Thyristor được sử dụng làm công tắc để kết nối mạch tải với nguồn điện xoay chiều đầu vào, trong một phần của mọi chu kỳ đầu vào Điện áp xoay chiều được cắt bằng Thyristor trong một phần của mỗi chu kỳ đầu vào Công tắc thyristor được bật trong một phần của mỗi nửa chu kỳ, để điện áp đầu vào xuất hiện trên tải và sau đó tắt trong phần còn lại của nửa chu kỳ đầu vào để ngắt nguồn điện xoay chiều khỏi tải Bằng cách điều khiển góc pha (α-góc trễ), điện áp RMS đầu ra trên tải có thể được kiểm
32 soát Góc trễ kích hoạt ‘α’ được định nghĩa là góc pha (giá trị của ωt) tại đó thyristor bật và dòng trên tải bắt đầu chạy Bộ điều khiển điện áp xoay chiều Thyristor sử dụng chuyển mạch dòng xoay chiều hoặc chuyển đổi pha xoay chiều Thyristor trong bộ điều khiển điện áp xoay chiều được chuyển mạch dòng (đổi pha) vì nguồn đầu vào là xoay chiều Khi điện áp xoay chiều đầu vào đảo ngược và trở thành âm trong nửa chu kỳ âm, dòng điện chạy qua thyristor dẫn giảm và giảm xuống bằng không Do đó, thyristor BẬT sẽ tự nhiên tắt, khi dòng điện của thiết bị giảm xuống không Đối với các ứng dụng lên đến 400Hz, thì Triac được sử dụng phổ biến hơn Do chuyển mạch dòng xoay chiều hoặc chuyển mạch tự nhiên, các mạch cho bộ điều khiển điện áp xoay chiều có cấu tạo rất đơn giản
Hình 2.6: Dạng sóng điều khiển pha 2.2.2.2 Điều khiển ON-OFF
Nguyên tắc cơ bản của điều khiển ON-OFF liên quan đến việc bật và tắt các công tắc thyristor (T1 và T2) thông qua xung kích hoạt cổng Khi các xung này được áp dụng, nguồn điện xoay chiều đầu vào được kết nối với tải trong thời gian tON ('n' chu kỳ đầu vào) Ngắt các xung kích hoạt cổng sẽ tắt các công tắc thyristor, ngắt kết nối nguồn với tải.
‘m’ số chu kỳ đầu vào trong khoảng thời gian tOFF Bộ điều khiển xoay chiều
ON thời gian tON thường bao gồm một số chu kỳ đầu vào tích phân
Hình 2.7: Mạch điều khiển điện áp xoay chiều một pha
2.2.3 Phương pháp điều khiển thẳng đứng tuyến tính
Hình 2.9: Sơ đồ khối mạch điều khiển
• Khâu đồng bộ (hay đồng pha)
Có nhiệm vụ tạo ra điện áp tựa đồng bộ với điện áp lưới, cho phép xác định được góc điều khiển α
• Khâu tạo điện áp tựa
Có nhiệm vụ tạo ra điện áp tựa ( Uđp ) dạng thích hợp sao cho trong mỗi nửa chu kì của điện áp cần chỉnh lưu đều có dạng điện áp ra theo quy luật giống nhau
Có 2 dạng điện áp tựa:
+ Dạng răng cưa: (răng cưa sườn trước; răng cưa sườn sau )
+ Dạng hình sin Dạng hình sin cho điện áp chỉnh lưu tuyến tính với điện áp điều khiển nhưng có nhược điểm là phụ thuộc vào lưới điện và bị nhiễu theo nguồn Trong thực tế người ta hay dùng điện áp tựa dạng hình răng cưa hơn
Thực hiện nhiệm vụ so sánh điện áp tựa với điện áp điều khiển để phát động tạo xung có độ rộng thích hợp điều khiển tới van
Vì xung dương sau khối so sánh là một xung vuông có độ rộng kéo dài từ khi xuất hiện cho đến hết nửa chu kì đang xét của điện áp chỉnh lưu, xung này chưa thích hợp để mở thysistor Do vậy khâu tạo xung này có nhiệm vụ:
36 + Chế biến xung ra thành dạng thích hợp cho việc mở thysistor ( dạng xung kim đơn hoặc xung chùm)
+ Khuếch đại đủ công suất mở thysistor
+ Chia xung cấp cho các thysistor
Có nhiệm vụ khuyếch đại để đảm bảo về:
+ Công suất xung điều khiển
+ Cách ly mạch lực với mạch điều khiển
Hình 2.10: Dạng sóng điều khiển thẳng đứng tuyến tính Đối với nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính thì tại thời điểm xuất hiện sự cân bằng giữa điện áp điều khiển (Uđk) và điện áp tựa (US cũng chính là điện áp cùng pha trùng pha với điện áp đặt trên A-K của Thyristor và thường đặt vào đầu đảo của bộ so sánh)
37 Thông thường điện áp tựa có dạng răng cưa Như vậy bằng cách thay đổi Uđk người ta có thể điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung ra
+ Dùng 2 điện áp : URC,Uđk
• Điện áp răng cưa (URC) có dạng tuyến tính được động bộ từ lưới điện, và thông thường thời điểm tạo điện áp răng cưa trùng với thời điểm chuyển mạch tự nhiên
• Điện áp điều khiển (Uđk )là điện áp một chiều có thể điều chỉnh được biên độ
+ Điện áp răng cưa (URC) và điện áp điều khiển (Uđk) được đưa vào bộ so sánh, khi URC = Uđk sẽ có xung điều khiển mở thông Thyristor
+ Bằng cách thay đổi điện áp điều khiển Uđk ta có thể điều chỉnh được thời điểm phát xung điều khiển mở Thyristor ( tức là điều khiển góc mở α (α = π U dk
U RCmax ) để xác định Uđk)
+ Thường chọn: URcmax = Uđkmax V Ta nhận thấy rằng góc α là một hàm tuyến tính của điện áp điều khiển Uđk Vậy ta có thể điều khiển góc α thông qua điều khiển điện áp một chiều.
Chọn cảm biến nhiệt độ Pt100
Pt100 là một loại sensor hay cảm biến nhiệt độ được sử dụng trong công nghiệp Pt100 chính xác là thiết bị phát hiện nhiệt độ ngõ ra là tín hiệu điện trở
(1): Đầu cảm biến là thiết bị đo chính của cảm biến cũng là thành phần quan trọng nhất của cây cảm biến nhiệt độ điện trở Trong đó độ nhạy của cảm biến là yếu tố quan trọng nhất
(2): Dây tín hiệu được kết nối với đầu dò cảm biến với ngõ ra dạng 2 dây,
3 dây hoặc 4 dây Vật liệu của dây tín hiệu được sử dụng tuỳ theo từng loại đầu dò
(3): Vật liệu cách điện: Gốm là một vật liệu giúp ngăn chặn ngắn mạch và cách điện các dây nối từ vỏ bọc bảo vệ
(4): Chất làm đầy bao gồm bột alumina được làm khô và điền đầy vào bên trong không chừa một khoảng trống nào để bảo vệ cảm biến khi bị rung động
(5): Vỏ bảo vệ là thành phần tiếp xúc trực tiếp với nguồn nhiệt cần đo Nó bảo vệ đầu dò cảm biến và dây tín hiệu của cảm biến
Hình 2.11: Cấu tạo cảm biến nhiệt độ Pt100
39 (6): Đầu nối cảm biến thường làm bằng các vật liệu cách điện như: nhựa, nhôm hay gốm c Nguyên lý hoạt động
Pt100 hoạt động vô cùng đơn giản Khi ở nhiệt độ 0ºC thì giá trị ngõ ra của nó là 100Ω Khi phần đầu của Pt100 đo được nhiệt độ thì giá trị điện trở ngõ ra sẽ thay đổi theo Giá trị điện trở sẽ tỷ lệ thuận với nhiệt độ mà cảm biến đo được
Chúng ta không thể sử dụng trực tiếp tín hiệu điện trở từ Pt100 được mà bắt buộc phải chuyển đổi về dạng dòng 4-20mA, dạng áp 0-10V Thông thường Pt100 3 dây được sử dụng phổ biến nhất và mỗi dây sẽ phân biệt với nhau qua màu sắc.
Rơ le thời gian
Rơ le thời gian là thiết bị dùng để tạo thời gian trễ, bằng cách dùng bộ mạch điện tử điều khiển thời gian đóng, cắt của các tiếp điểm rơ le
Rơ le thời gian là thiết bị điện chuyên dụng trong tự động hóa Chức năng chính của nó là làm cầu nối điều khiển, kích hoạt các thiết bị khác hoạt động theo thời gian đã cài đặt trước Rơ le thời gian đảm bảo sự chính xác và nhất quán trong các quy trình điều khiển tự động.
Timer đóng tắt các thiết bị điện có trong hệ thống khi không sử dụng nữa để tránh lãng phí nguồn năng lượng điện không cần thiết Được ứng dụng trong việc điều khiển tắt mở: ánh sáng, quạt thông gió, tưới nước, máy, sưởi ấm, cửa tự động và tạo tín hiệu âm thanh hình ảnh theo chu kỳ…
Thời gian trễ của rơ le thời gian có thể cài đặt từ vài giây đến hàng giờ tùy theo ứng dụng thực tế
Hình 2.12: Rơ le thời gian Omron DH48S
* Thông số kỹ thuật Điện áp sử dụng: 220VAC/50HZ
Phạm vi điều chỉnh: 0.01s – 99 giờ 99 phút Đầu ra: 250VAC 5A
Chọn áp tô mát bảo vệ
Aptomat hay MCCB , In dòng điện định mức lên tới 1000A, Icu dòng cắt lớn 80kA
Vai trò: MCCB là thiết bị điện công nghiệp được sử dụng rộng rãi ở các công trình công nghiệp nhất ở mạng hạ thế dùng để đóng ngắt các mạch điện khi có sự cố quá tải, ngắn mạch, bảo vệ an toàn cho con người và cho thiết bị điện sử dụng Và MCCB được sử dụng rộng rãi tại các công trình công nghiệp lẫn công trình dân dụng
Chọn thông số MCB theo yêu cầu sau:
Ib < In < Iz và Iscb > Isc
Ib là dòng điện tải lớn nhất
In là dòng điện định mức của MCB
Iz là dòng điện cho phép lớn nhất của dây dẫn điện Iscb là dòng điện lớn nhất mà MCB có thể cắt Isc là dòng điện ngắn mạch Đối với lò điện trở:
Với lò nhiệt công suất là 2000W, cosφ = 0.8 sử dụng mạng điện 3 pha
Lựa chọn PLC S7 1200
PLC S7-1200 mang lại tính linh hoạt và sức mạnh để điều khiển nhiều thiết bị đa dạng hỗ trợ các yêu cầu về điều khiển tự động Sự kết hợp giữa
42 thiết kế thu gọn, cấu hình linh hoạt và tập lệnh mạnh mẽ đã khiến cho S7-
1200 trở thành một giải pháp hoàn hảo dành cho việc điều khiển nhiều ứng dụng đa dạng khác nhau
Kết hợp một bộ vi xử lý, một bộ nguồn tích hợp, các mạch ngõ vào và mạch ngõ ra trong một kết cấu thu gọn, CPU trong S7-1200 đã tạo ra một PLC mạnh mẽ CPU giám sát các ngõ vào và làm thay đổi ngõ ra theo logic của chương trình người dùng, có thể bao gồm các hoạt động như logic Boolean, việc đếm, định thì, các phép toán phức hợp và việc truyền thông với các thiết bị thông minh khác
2.6.1 Giới thiệu về PLC S7-1200 (CPU 1214C DC/DC/DC)
• Số lượng ngõ vào/ra số: 14/10
• Số lượng ngõ vào Analog: 2 (0-10 VDC)
Hình 2.14: Module PLC S7-1200 (CPU 1214C DC/DC/DC)
• Các chức năng cơ bản như logic nhị phân, phân bổ kết quả, lưu, đếm, tạo thời gian, tải, truyền, so sánh, dịch chuyển, xoay, tạo phần bổ sung, gọi chương trình con (với các biến cục bộ)
• Các lệnh giao tiếp tích hợp (ví dụ: giao thức USS, Modbus RTU, giao tiếp hoặc Freeport)
• Các chức năng thân thiện với người dùng như điều chế độ rộng xung, chức năng chuỗi xung, chức năng số học, số học dấu phẩy động, điều khiển vòng kín PID, chức năng nhảy, chức năng vòng lặp và chuyển đổi mã
• Các hàm toán học, ví dụ: SIN, COS, TAN, LN, EXP
• Chức năng đếm thân thiện với người dùng kết hợp với bộ đếm tích hợp và các lệnh đặc biệt cho bộ đếm tốc độ cao mở ra các lĩnh vực ứng dụng mới cho người dùng
• Các ngắt được kích hoạt theo cạnh (được kích hoạt bằng cách tăng hoặc giảm các cạnh của tín hiệu quy trình trên đầu vào ngắt) hỗ trợ phản ứng nhanh chóng với các sự kiện của quy trình
• Ngắt bộ đếm có thể được kích hoạt khi đạt đến điểm đặt hoặc khi hướng đếm thay đổi
• Ngắt giao tiếp cho phép trao đổi thông tin nhanh chóng và dễ dàng với các thiết bị ngoại vi như máy in hoặc máy đọc mã vạch
2.6.2 Mô đun mở rộng PLC S7-1200
PLC S7-1200 được thiết kế linh hoạt cho phép người dùng có thể mở rộng thêm các tính năng bằng cách lắp thêm các module mở rộng Nhờ đó người dùng có thể sử dụng được nhiều chức năng hơn từ những bộ lập trình
Hình 2.15: Module mở rộng của PLC S7-1200
Bộ điều khiển nhiệt độ
2.7.1 Bộ điều khiển Autoic a Đặc điểm
Điểu khiển tự động PID kép cung cấp cả tốc độ đáp ứng cao để đạt giá trị mong muốn nhanh chóng và tốc độ đáp ứng thấp để giảm thiểu quá trình vượt mức, nâng cao hiệu suất và độ chính xác của hệ thống điều khiển.
- Độ chính xác hiển thị cao: ±0.3% (bởi giá trị F.S của mỗi ngõ vào)
- Có 2 chế độ điều khiển tự động
- Có nhiều loại ngõ vào (Chức năng lựa chọn 13 loại ngõ vào): Chức năng lựa chọn: Cảm biến nhiệt độ, Điện áp và Dòng
- Có nhiều ngõ ra phụ: Bao gồm LBA, SBA, 7 loại ngõ ra Alarm và 4 loại chức năng Alarm tùy chọn, ngõ ra PV transmission (4-20mADC), Ngõ ra truyền thông RS485
Hình 2.16: Bộ điều khiển nhiệt độ Autoic b Thông số kỹ thuật
- Ngõ vào: tùy chọn K, J, R, E, T, S, N, W, PT100, analog (1-5VDC, 0- 10VDC, 4-20mA)
- Ngõ ra điều khiển: tùy chọn relay, SSR, 4-20mA
- Ngõ ra phụ: tùy chọn event, PV transmittion, RS485
- Cách thức điều khiển: ON/OFF, P, PI, PIDF, PIDS,
2.7.2 Bộ điều khiển Omron a, Đặc điểm
- Bộ điều khiển nhiệt độ Omron E5CZ có kích thước chiều sâu chỉ có 1 loại 78mm
- Cài đặt đơn giản, dùng các phím DIP và phím xoay
- Chế độ cài đặt tự động và tự cài động đều được Chế độ tự động cài đặt có thể được thiết lập kể cả khi chế độ tự cài đặt đang được thực hiện
- Bộ điều khiển nhiệt độ Omron E5CZ có thể điều khiển heating hoặc heating/cooling
- Đạt chuẩn thị trường châu âu và tiêu chuẩn UL/CSA
- Các chức năng không bắt buộc hoặc ngõ ra dòng được thêm vào series bộ điều khiển nhiệt độ Omron E5CZ
Hình 2.17: Bộ điều khiển Omron b, Thông số kỹ thuật
- Nguồn cấp: 100-240 VAC, 50/60 Hz (-15/+10%); 24 VAC, 50/60 Hz
+ Nhiệt điện trở: Pt100, JPt100
+ Cảm biến nhiệt hồng ngoại: 10-70°C, 60-120°C, 115-165°C, … + Điện áp: 0-50 mV
+ Dòng: 4 - 20 mA DC (load 600Ω Max.)
+ Truyền dữ liệu PV: DC4-20mA( Tải lớn nhất 600Ω)
- Chu kỳ lấy mẫu: 500ms
2.7.3 Bộ điều khiển RCK REX a, Đặc điểm
Chức năng tự điều chỉnh PID kép là sự kết hợp của điều khiển PID đáp ứng tốc độ cao và điều khiển PID đáp ứng tốc độ chậm Điều khiển PID đáp ứng tốc độ cao giúp đạt được nhiệt độ mong muốn nhanh chóng, trong khi điều khiển PID đáp ứng tốc độ chậm giúp giảm thiểu vượt quá nhiệt độ mong muốn Kết hợp cả hai chức năng này cho phép hệ thống điều khiển nhiệt độ chính xác và hiệu quả hơn.
- Tính năng cảnh bảo quá nhiệt, cảnh báo đứt vòng lặp
- Hiện thị giá trị nhiệt độ với độ chính xác cao
- Đồng hồ nhiệt độ REX-C900 có khả năng sao lưu bộ nhớ:
+ Số lần sao lưu: 100.000 lần
+ Thời gian lưu trữ dữ liệu: 10 năm
Hình 2.18: Bộ điều khiển nhiệt độ RCK REX
- Hiển thị: Hiển thị độ (C) với 2 màn hình LED
+ Cặp nhiệt độ: K, J, S, E, R, Wre3 ~ Wre25
+ Điện trở nhiệt: PT100, Cu50
- Đầu ra chính: Điều khiển Relay
- Cách thức điều khiển: PID, ON-OFF
- Kích thước: DIN: 1/8 (96mm x 96mm x 110mm)
- Ngõ ra cảnh báo: 2 ngõ ra, 7 loại chế độ cảnh báo: cao / thấp / cao độ lệch / độ lệch thấp / khoảng / ra khỏi khoảng thời gian / báo lỗi.
Lựa chọn HMI
Màn hình HMI Weintek được ứng dụng ở hầu hết các công đoạn sản xuất trong các lĩnh vực như: Dầu khí, Điện tử, Sản xuất thép, Dệt may, bao bì, dây chuyền sản xuất nước, sản xuất ô tô, xe máy,…
Hình 2.19: HMI WEINTEK MT8102IP
49 + Phần cứng: CPU ARM RISC 528MHz, 128MB FLASH, 128MB RAM
+ Giao tiếp cổng COM chuẩn RS232/RS422/RS485 và 1 cổng Ethernet + Màn hình cảm ứng 16,7 triệu màu Độ phân giải 1024*600 pixel + Kết nối được với tất cả PLC các hãng nổi tiếng khác Đặc biệt kết nối với PLC Siemens S7 1200 trực tiếp qua cổng Ethernet
XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT 50
Xây dựng hệ thống điều khiển
a Phân tích yêu cầu Điều khiển ổn định nhiệt độ với đối tượng là lò điện trở Sử dụng chế độ điều khiển PID trong PLC S7-1200
PLC S7-1200 thực hiện việc đọc nhiệt độ và xuất tín hiệu điều khiển điện áp của thanh đốt
Thực hiện việc giám sát và điều khiển thông qua màn hình HMI b Mô tả hoạt động
Bật Aptomat phía sau lò nhiệt, nhấn nút ON để cấp điện cho lò, đồng thời cấp điện cho các thiết bị của mạch điều khiển
Chuyển công tắc trên trên module “kết nối đối tượng và điều khiển tham số” về phía PLC
Cảm biến Pt100 sẽ đo nhiệt độ, sau đó tín hiệu được đưa vào bộ chuẩn hóa để đưa ra tín hiệu 2-10V vào PLC Trong PLC ta sẽ quy đổi về nhiệt độ thực
Ta nhập giá trị đặt nhiệt độ thông qua màn hình cảm ứng
PLC sẽ tính toán giá trị đầu ra điều khiển phụ thuộc vào giá trị đặt Sau đó, PLC xuất tín hiệu điều khiển 0-10V ra cổng analog output trên module mở rộng.
Tín hiệu điều khiển cung cấp cho bộ chuyển đổi AC/AC sẽ điều chỉnh điện áp cấp cho dây đốt Điện áp cấp cao hay thấp phụ thuộc vào nhiệt độ đặt, nhiệt độ thực tế và thuật toán điều khiển được sử dụng.
51 c Sơ đồ khối hệ thống
Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển
+ Cảm biến: Thực hiện việc đo nhiệt độ ở thời điểm hiện tại về bộ điều khiển
+ Bộ chuẩn hóa: Chuyển đổi từ tín hiệu dạng Ω về tín hiệu dạng V để đưa vào bộ PLC S7-1200
+ PLC: Thực hiện việc tính toán, điều chỉnh tín hiệu ra, điều khiển các khối chức năng cấp dưới và khối giám sát HMI
+ HMI: Thực hiện việc giám sát nhiệt độ và cấp lệnh điều khiển
+ AC/AC: Thực hiện việc biến đổi từ nguồn 220V sang điện áp thay đổi theo tín hiệu điều khiển từ PLC
+ Dây nung: Cấp nhiệt cho lò điện trở
- Liệt kê số đầu vào, ra cần sử dụng:
AI IW64: Đọc tín hiệu từ cảm biến
AQ QW96: Đưa tín hiệu đi điều khiển
- Dựa vào sơ đồ khối và số lượng đầu vào ra cần sử dụng ta chọn những thiết bị sau để phục vụ cho bài toán:
+ Phần cứng: PLC S7-1200 CPU1214C DC/DC/DC, module mở rộng SM1232 AQ2, bộ chuyển đổi AC/AC, màn hình Weintek MT8102iP
+ Phần mềm: Tia Portal V15, EasyBuilder Pro V6.05.02 d Thuật toán điều khiển
Hình 3.2: Thuật toán điều khiển
Xây dựng chương trình trên Tia Protal
Mở phần mềm bằng biểu tượng trên màn hình desktop
Bước 2: Khởi tạo Project mới: Đặt tên cho dự án tại Project name
Chọn địa chỉ lưu tại Path
Bước 3: Chọn CPU cần sử dụng
Vào Configure a device → Add new device
Tiếp theo vào Controllers → Chon CPU cần sử dụng Ở trong đồ án này sử dụng PLC S7-1200, CPU 1214 DC/DC/DC, có mã sản phẩm là 6ES7 214-1AG40-0XB0
Ngoài ra chúng ta cũng có thể để cho Tia Portal tự tìm ra module đang liên kết với máy tính Điều này giúp người dùng có thể thêm đúng thiết bị mà không cần phải biết loại và phiên bản cụ thể của CPU
54 Đầu tiên ta cần chọn module Unspecified CPU 1200
Nhấn vào “detect” để phần mềm tự tìm phần cứng
Chọn Type of the PG/PC interface: PN/IE
Chọn card mạng mà máy tính đang sử dụng
Nhấn Start search để tìm thiết bị → Nhấn Load để tải phần cứng lên
55 Sau khi Load xong ta được như hình dưới
Bước 4: Cấu hình các tham số của CPU
Ta thiết lập như sau để kết nối với HMI Weintek
Bước 5: Viết chương trình điều khiển
Ta tiến hành viết chương trình trên khối block Main
Ngoài ra ta có thể thêm các khối khác tại Program blocks để thuận tiện cho việc viết chương trình
Sau khi viết chương trình ta nhấn vào biểu tượng Compile để rà soát lỗi
Bước 6: Download chương trình xuống PLC
Nhấn vào biểu tượng download
Tiếp theo chọn phương thức kết nối, card mạng kết nối và PLC muốn dowload chương trình xuống, cuối cùng chọn Load để thực hiện
57 Chọn stop all như hình vẽ và nhấn load Đây là các bước cơ bản để viết một chương trình cơ bản trên Tia Portal V15
Tạo giao diện điều khiển, giám sát trên EasyBuilder Pro
Mở phần mềm bằng biểu tượng trên màn hình desktop
Chọn Model cần sử dụng
Chọn Device type và địa chỉ IP của PLC
60 Nhập các Tags từ Tia Portal vào ta làm như sau:
Chọn file excel chứa tags
61 Chọn Select All rồi chọn Ok
Bước 3: Tạo giao diện giám sát và điều khiển
Ta thêm nút nhấn, đền, đồ thị vào màn hình chính với các tags của PLC
Bước 4: Dowload giao diện vào màn hình HMI
Trên thanh công cụ chọn Project → Dowload (PC→HMI)
Có hai cách để tìm HMI
+ Nhập địa chỉ IP: Tại tab IP ta điền địa chỉ HMI
+ Tìm tên HMI: Tại tab HMI name ta điền tên HMI
Nhấn Dowload để tải giao diện lên HMI
XÂY DỰNG MÔ HÌNH, LẬP TRÌNH,MÔ PHỎNG
Xây dựng mô hình
Dựa theo yêu cầu điều khiển và giám sát nhiệt độ trên lò điện trở, chúng em đã thiết kế hệ thống gồm những thành phần sau:
- Đối tượng điều khiển: Lò nhiệt
- PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC
- Module “kết nối đối tượng và điều khiển tham số”
- Bộ biến đổi AC/AC
Thiết kế mạch điều khiển và giám sát
4.2.1 Sơ đồ đấu nối mạch điều khiển
Hình 4.2: Sơ đồ đấu nối mạch điều khiển
Hình 4.3: Sơ đồ đấu nối thiết bị
4.2.2 Sơ đồ đấu nối mạch lực
Hình 4.4: Sơ đồ đấu nối mạch lực
4.2.3 Màn hình giám sát, điều khiển
Kết quả chạy mô hình
Sau khi hoàn thiện hệ thống và thiết kế chương trình điều khiển, nhóm em đã giám sát và điều khiển nhiệt độ trong lò, ổn định giá trị nhiệt độ để thực hiện việc gia nhiệt, đảm bảo độ ổn định của hệ thống
Hình 4.6: Kết quả chạy thực tế