ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT

Từ nhu cầu thực tiễn trong sản xuất công nghiệp cần một hệ thống gia nhiệt đảm bảo tính chính xác, đáp ứng nhanh với yêu cầu và ổn định với những nhiễu động môi trường, đề tài “Xây dựng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT

NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT

Tp Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2010

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN



Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2010

Giáo viên hướng dẫn

TS Ngô Văn Thuyên

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN



Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2010 Giáo viên phản biện

Lời nói đầu

Cơ thể con người là một thể thống nhất gồm nhiều cơ quan và bộ phận phối hợp nhịp nhàng với nhau để thực hiện những quá trình sinh lý hoá cần thiết cho sự sống Điều hiển nhiên rằng tại mọi thời điểm, cơ thể người luôn luôn điều chỉnh và cân bằng mọi thứ nhằm thích nghi với môi trường và đảm bảo duy trì sự sống được liên tục Thân nhiệt một người bình thường luôn

ổn định tại 37o

C là minh chứng cụ thể cho khả năng tự điều chỉnh tuyệt vời của con người Tương tự như cơ thể người , trong sản xuất công nghiệp luôn luôn đòi hỏi nhiều quá trình tự điều chỉnh và cân bằng thông số của hệ thống, trong đó có quá trình gia nhiệt cho sản phẩm Tuy nhiên đây không phải là quá trình tự nhiên xảy ra ngoài ý muốn chủ quan của con người

mà chịu sự chi phối trực tiếp hoặc gián tiếp từ phía người vận hành điều khiển Trải qua gần

400 năm kể từ khi Cornelis Drebbel (người Hà Lan) phát triển hệ thống điều khiển nhiệt độ tự động đầu tiên dùng cho lò sưởi[3]

thì lịch sử loài người đã có dịp chứng kiến và hưởng thụ nhiều công nghệ hiện đại được áp dụng vào mục đích kiểm soát nhiệt độ Đi đầu về công nghệ này vẫn thuộc về lĩnh vực điều khiển tự động Ngày nay, loài người đã biết rất nhiều phương pháp trên nền những giải thuật khác nhau từ đơn giản đến hiện đại và cả thông minh để kiểm soát nhiệt độ nhưng đều phục vụ cho việc ổn định hệ thống và xa hơn nữa là cải thiện chất lượng đáp ứng

Việc áp dụng một phương pháp cụ thể vào môi trường công nghiệp không đơn giản như lúc chúng ta tưởng tượng về kết quả cuối cùng Bất kỳ một phương án nào được chọn lựa cũng phải được xem xét dưới nhiều khía cạnh khác nhau về đặc điểm kỹ thuật, mặt tích cực và hạn chế khi làm việc, tính khả thi khi hoạt động và cả lợi ích kinh tế lúc đưa vào vận hành… Tất

cả những vấn đề trên cần được đánh giá khách quan dựa trên cơ sở khoa học rõ ràng, đúng đắn được thể hiện qua những phương trình toán học, biểu đồ thống kê, bảng so sánh đánh giá

và cả những thực nghiệm kiểm chứng Một đề tài đồ án tốt nghiệp ngoài việc thực hiện những công việc trên đây thì còn có ý nghĩa sâu sắc đối với mỗi sinh viên thực hiện Một lần nữa

sinh viên được trải nghiệm thực tế, những kiến thức học được từ ghế nhà trường sẽ giúp hình thành những sản phẩm công nghiệp Trong quá trình tiến hành không thể không gặp những khó khăn vấp phải, do đó kích thích sinh viên tư duy để tìm ra phương án tối ưu và trao đổi thảo luận lẫn nhau nhằm mục đích hình thành thói quen hợp tác làm việc nhóm và phương pháp làm việc hiệu quả

Sau một học kỳ tìm hiểu, nghiên cứu và thực hiện, đề tài “Xây dựng hệ thống điều khiển và

giám sát nhiệt độ lò nhiệt” đã đạt được những mục đích đề ra Với kết quả mỹ mãn này, tôi

xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với TS Ngô Văn Thuyên đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài

Ngoài ra để có thiết bị và tài liệu phục vụ cho mục đích nghiên cứu một cách nhanh chóng, quý thầy cô quản lý phòng D205 đã tạo điều kiện thuận lợi trong khoảng thời gian dài cho tôi tiến hành nhiều thử nghiệm thực tế đạt kết quả tốt Tôi xin chân thành cảm ơn!

Tôi cũng xin thể hiện lòng biết ơn đến các bạn sinh viên lớp 05118, khoa Điện - Điện tử

Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh đã đóng góp nhiều ý kiến để tôi hoàn thành đề tài tốt nhất có thể

Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô cùng các bạn!

Trần Ngọc Quang Triều

Tóm tắt đề tài

Về phương diện vật lý, nhiệt độ là năng lượng trung bình của tất cả các phần tử tự do trong hệ nhiệt động, đồng thời nhiệt độ cũng là đối tượng điều khiển của ngành tự động hoá Từ nhu cầu thực tiễn trong sản xuất công nghiệp cần một hệ thống gia nhiệt đảm bảo tính chính xác,

đáp ứng nhanh với yêu cầu và ổn định với những nhiễu động môi trường, đề tài “Xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát nhiệt độ lò nhiệt” đã được chọn để đáp ứng với nhu cầu đặt ra

Dựa trên những phân tích tối ưu về đặc điểm kỹ thuật, công nghệ chế tạo, khả năng ứng dụng, mức độ khả thi và xem xét đến kinh tế Đề tài này đã hoàn thành với nội dung như sau: Hệ thống thực hiện chức năng điều khiển nhiệt độ của lò nhiệt truyền nhiệt trong môi trường không khí Thiết bị gia nhiệt là thanh điện trở nhiệt dùng điện áp xoay chiều 220V, công suất 1000W Cảm biến là cặp nhiệt ngẫu loại K thích hợp với môi trường công nghiệp được đọc về bằng module chuyên dụng TC2 của hãng Panasonic Công suất nhiệt được điều khiển tuyến tính bởi phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) bằng PLC của hãng Panasonic PLC thực hiện luật điều khiển PID trong đó các thông số K P,T I,T D của thuật toán được tính tự động nhờ vào phương pháp tự điều chỉnh (Auto-Tuning) Quá trình cài đặt nhiệt độ, giám sát nhiệt độ được thực hiện từ máy tính thông qua các hộp thoại giao diện Ngoài ra hoạt động của hệ thống cũng được theo dõi qua màn hình công nghiệp HMI (Panasonic) Trong suốt thời gian vận hành dữ liệu nhiệt độ cùng với thời gian thực luôn được cập nhật và lưu lại trên ổ đĩa Hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển giám sát nhiệt độ phối hợp mọi hoạt động một cách nhịp nhàng trên cơ sở đảm bảo chức năng cơ bản của một hệ thống SCADA

Mục lục

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn i

Nhận xét của giáo viên phản biện ii

Lời nói đầu iii

Tóm tắt đề tài v

Mục lục vi

Danh sách hình vẽ viii

Danh mục bảng biểu ix

Danh mục các từ viết tắt x

Chương 1: Mở đầu 1

1.1 Tổng quan 1

1.2 Mục tiêu, nhiệm vụ của đề tài 2

1.3 Giới hạn đề tài nghiên cứu 3

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3

1.5 Nội dung đề tài 3

Chương 2: Tổng quan họ PLC, HMI, PCWay 5

2.1 PLC Panasonic 5

2.1.1 Giới thiệu tổng quát 5

2.1.2 Nguồn cung cấp 7

2.1.3 Vùng nhớ 8

2.1.4 Các ngõ vào, ra tín hiệu (I/O) 9

2.1.5 Module mở rộng 14

2.1.6 Các chức năng đặc biệt 15

2.1.7 Truyền thông 17

2.2 Giao diện GT32 19

2.2.1 HMI Panasonic 19

2.2.2 Chức năng của GT32 19

2.2.3 Truyền thông với GT32 19

2.2.4 Phần mềm thiết kế giao diện GTWIN 20

2.3 PCWay Error! Bookmark not defined 2.3.1 Giới thiệu tổng quát 20

2.3.2 Chức năng điều khiển, kiểm soát PLC 20

2.3.3 Chức năng thu thập, quản lý dữ liệu 20

2.3.4 Giao diện SCADA 21

Chương 3: Hệ thống điều khiển nhiệt độ 22

3.1 Sơ đồ khối của hệ thống 22

3.2 Các loại cảm biến đo nhiệt độ 23

3.2.1 Nhiệt điện trở bán dẫn 23

3.2.2 Nhiệt điện trở kim loại 24

3.2.3 Cặp nhiệt ngẫu 24

3.2.4 Vi mạch cảm biến nhiệt 25

3.2.5 Hoả kế 25

3.3 Các phương pháp điều khiển nhiệt độ 27

3.3.1 Phương pháp điều khiển ON-OFF 27

3.3.2 Phương pháp điều khiển liên tục (PWM) 28

3.4 Thuật toán điều khiển PID 29

3.4.1 Giới thiệu 29

3.4.2 Đặc trưng của các bộ điều khiển P,I,D 30

3.4.3 Điều khiển PID tương tự 34

3.4.4 Điều khiển PID số 35

3.5 Thiết kế lò nhiệt 35

3.5.1 Chọn thiết bị gia nhiệt 35

3.5.2 Chọn cảm biến 36

3.5.3 Khối điều khiển công suất 36

3.5.4 Mô hình lò nhiệt 38

3.6 Tính toán các thông số cho bộ điều khiển PID 38

3.6.1 Mô hình toán học 39

3.6.2 Tính toán chọn K P, K I,K D bằng các phương pháp Auto-Tuning 39

3.7 Hệ thống SCADA 43

3.7.1 Tổng quan hệ thống SCADA 43

3.7.2 Quy trình điều khiển nhiệt 44

Chương 4: Kết quả thực nghiệm 46

4.1 Mô hình kết nối hệ thống thực tế 46

4.2 Thông số chương trình 47

4.3 Phân tích đồ thị 48

4.4 Lưu trữ dữ liệu 52

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển đề tài 54

5.1 Kết luận 54

5.2 54

Tài liệu tham khảo 56

Phụ lục A: Chương trình PLC 57

Phụ lục B: Chương trình VBA 58

Danh sách hình vẽ

Hình 2.1 PLC của hãng Panasonic 6

Hình 2.2 Cách nối nguồn cung cấp cho PLC và module mở rộng 8

Hình 2.3 Sơ đồ mạch điện ngõ vào (PLC có ngõ ra relay) 10

Hình 2.4 Sơ đồ mạch điện ngõ vào X0 ÷ X3 (PLC có ngõ ra transistor) 11

Hình 2.5 Sơ đồ mạch điện ngõ vào từ X4 (PLC có ngõ ra transistor) 11

Hình 2.6 Ngõ ra PLC kiểu relay 12

Hình 2.7 Sơ đồ mạch điện ngõ ra (Y0 ÷ Y3) kiểu transistor 13

Hình 2.8 Sơ đồ mạch điện ngõ ra (từ Y4) kiểu transistor 13

Hình 2.9 Module mở rộng (COM5) của Panasonic 15

Hình 2.10 Ứng dụng điều khiển vị trí của PLC hãng Panasonic 15

Hình 2.11 Các chế độ điều khỉên PID của PLC hãng Panasonic 16

Hình 2.12 Truyền thông Ethernet trong PLC hãng Panasonic 17

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt 23

Hình 3.2 So sánh đặc tuyến của thermistor và RTD 24

Hình 3.3 Sơ đồ khối điều khiển on-off lò nhiệt 27

Hình 3.4 Sơ đồ khối bộ hiệu chỉnh PID 29

Hình 3.5 Ảnh hưởng của khâu P đến đáp ứng ngõ ra 31

Hình 3.6 Ảnh hưởng của khâu I đến đáp ứng ngõ ra 32

Hình 3.7 Ảnh hưởng của khâu D đến đáp ứng ngõ ra 33

Hình 3.8 Sơ đồ một mạch PID tương tự điển hình dùng OpAmp 34

Hình 3.9 Rời rạc hoá tín hiệu liên tục trong điều khiển số 35

Hình 3.10 Cảm biến nhiệt (thermo-couple - cặp nhiệt ngẫu loại K ) 36

Hình 3.11 Sơ đồ mạch kích dẫn triac 37

Hình 3.12 Đồ thị kích dẫn triac 37

Hình 3.13 Mô hình lò nhiệt 38

Hình 3.14 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt 39

Hình 3.15 Mô hình hoá hệ thống lò nhiệt 39

Hình 3.16 Đáp ứng nấc của hệ vòng hở có dạng chữ S 40

Hình 3.17 Đáp ứng nấc của hệ kín khi K=K gh 41

Hình 3.18 Hệ thống tuyến tính điều khiển bằng relay 42

Hình 3.19 Đáp ứng của hệ thống tuyến tính điều khiển bằng relay 42

Hình 3.20 Quy trình điều khiển lò nhiệt 44

Hình 3.21 Hộp thoại cài đặt quá trình nhiệt độ 45

Hình 3.22 Giao diện chính điều khiển hệ thống 45

Hình 4.1 Mô hình hệ thống điều khiển và giám sát nhiệt độ 47

Hình 4.2 Thông số K P,T I,T D sau quá trình Auto-Tuning 47

Hình 4.3 Quá trình Auto-Tuning và điều khiển PID 49

Hình 4.4 Đáp ứng tại 60 o C, bias value bằng 0 o C 49

Hình 4.5 Đáp ứng tại 60 o C, bias value bằng 5 o C 50

Hình 4.6 Đáp ứng tại 65 o C, bias value bằng 7 o C 51

Hình 4.7 Đáp ứng với 3 quá trình nhiệt độ khác nhau: 60 o C, 70 o C và 65 o C 51

Hình 4.8 Đáp ứng với 2 quá trình nhiệt độ khác nhau: 65 o C và 60 o C 52

Danh mục bảng biểu

Bảng 2.1 Đặc tính nguồn cung cấp cho PLC 7

Bảng 2.2 Cấu trúc vùng nhớ PLC họ C30/C60 9

Bảng 2.3 Cấu trúc vùng nhớ cho cassettes và module mở rộng 9

Bảng 2.4 Cấu trúc vùng nhớ cho module mở rộng FP0 10

Bảng 2.5 Đặc tính ngõ vào (PLC có ngõ ra relay) 11

Bảng 2.6 Sơ đồ mạch điện ngõ vào (PLC có ngõ ra transistor) 12

Bảng 2.7 Đặc tính ngõ ra PLC kiểu relay 13

Bảng 2.8 Đặc tính ngõ ra kiểu transistor (NPN) 14

Bảng 3.1 Đặc điểm kỹ thuật của các loại cặp nhiệt ngẫu 25

Bảng 3.2 So sánh đặc điểm của ba loại cảm biến nhiệt: cặp nhiệt ngẫu, nhiệt điện trở kim loại và nhiệt điện trở bán dẫn 26

Bảng 3.3 Sự thay đổi đáp ứng ngõ ra khi tăng các hệ số K P,K I, K D 33

Bảng 3.4 Thông số điều chỉnh PID dựa vào đáp ứng nấc hệ hở 41

Bảng 3.5 Thông số điều chỉnh PID dựa vào đáp ứng nấc hệ kín 41

Bảng 3.6 Bộ thông số điều chỉnh PID dựa vào phương pháp relay-feedback 43

Bảng 4.1 Dữ liệu thu thập về Excel thông qua PCWay 48

Bảng 4.2 Thông số ứng với quá trình đáp ứng quá độ của hệ thống nhiệt 50

Danh mục các từ viết tắt

1 HMI Human Machine Interface

2 PID Proportional Integral Derivative

3 PLC Programmable Logic Controller

4 PV Present Value

5 PWM Pulse Width Modulation

6 SCADA Supervisory Control And Data Acquisition

7 SP Setpoint

8 TC Thermo-Couple

9 VBA Visual Basic Application

Chương 1

Mở đầu

Chương này trình bày vắn tắt quá trình hình thành một đề tài cũng như toàn bộ nội dung của

đề tài Nội dung gồm các phần chính như sau: tính cấp thiết và lý do chọn đề tài; mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu; phạm vi và giới hạn nghiên cứu; ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

1.1 Tổng quan

Việc lựa chọn một đề tài để đi vào tìm hiểu nghiên cứu không phải dựa trên cảm quan của người thực hiện mà phải xuất phát từ nhu cầu thực tế mang tính cấp thiết, và đòi hỏi phải hiện thực hóa bằng những sản phẩm ứng dụng cụ thể Hơn nữa, một đề tài khả thi sẽ mang lại cảm hứng nghiên cứu sáng tạo cho con người

Ngày nay, các thiết bị điều khiển tự động đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp PLC thay thế các kỹ thuật điều khiển lạc hậu và phát huy hiệu quả hoạt động tối ưu trong nhiều dây chuyền sản xuất tự động hoá Màn hình giao diện công nghiệp (Human Machine Interface - HMI) giúp kiểm soát hoạt động của hệ thống từ nhiều nơi khác nhau và thân thiện với người vận hành Theo nhu cầu thực tế, các thiết bị điều khiển phải được kết nối với nhau thành một mạng thống nhất để chia sẻ thông tin và dữ liệu của hệ thống, đồng thời thực hiện kiểm soát từ xa Từ đó mạng SCADA trở thành sự lựa chọn tất yếu trong điều khiển hiện đại

Việc ứng dụng các thiết bị tự động nói trên vào việc điều khiển nhiệt độ đã và đang phổ biến rộng rãi với nhiều mục đích và quy mô khác nhau Hầu hết các ứng dụng này đều nhằm giải

bài toán ổn định hệ thống với chất lượng tốt nhất bằng thuật toán PID Tuy nhiên mức độ của

sự ổn định đến đâu, và khả năng vận dụng linh hoạt những đặc tính nổi trội của thiết bị tự động như thế nào thì cần phải được nghiên cứu cụ thể, nghiêm túc

Xuất phát từ nhu cầu thực tế nêu trên, tôi quyết định chọn đề tài “Xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát nhiệt độ lò nhiệt” để thực hiện đồ án tốt nghiệp Đây là đề tài mang tính

công nghệ vì nghiên cứu hướng vào ứng dụng cụ thể

1.2 Mục tiêu, nhiệm vụ của đề tài

Sau khi xác định được đối tượng và chủ thể nghiên cứu, việc xác định mục tiêu sẽ là bước quan trọng kế tiếp nhằm định hướng đúng đắn cho quy trình thực hiện đồ án Tiếp theo, từng nhiệm vụ cụ thể sẽ được đề ra và thực hiện nhằm đạt được những mục tiêu đã nêu Mục tiêu

và nhiệm vụ cụ thể được thể hiện như sau:

Chọn lựa cảm biến và thiết bị gia nhiệt hợp lý

Xây dựng mô hình điều khiển nhiệt

Phân tích lựa chọn giải thuật điều khiển tối ưu

Xây dựng giao diện điều khiển

Viết chương trình và thử nghiệm kiểm chứng

1.3 Giới hạn đề tài nghiên cứu

Trong phạm vi đề tài này sẽ thực hiện điều khiển nhiệt độ sử dụng điện năng Việc thu thập

dữ liệu và điều khiển giám sát bao gồm một máy tính đọc dữ liệu về thông qua một PLC và có tương tác với một màn hình công nghiệp HMI Hệ thống chỉ điều khiển một lò nhiệt, chưa liên kết mạng giữa các PLC và máy tính với nhau nên quy mô còn nhỏ Phương pháp điều khiển chỉ dựa trên thuật toán PID, chưa sử dụng các thuật toán hiện đại như fuzzy logic và mạng neuron Tuy nhiên, hệ thống được xây dựng có tính mở để có thể mở rộng ứng dụng một cách dễ dàng

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Việc nghiên cứu thành công đề tài mang lại nhiều ý nghĩa sâu sắc Bất kỳ một ứng dụng hay thử nghiệm cụ thể nào cũng dựa trên những cơ sơ lý thuyết khoa học có sẵn hay giả định khoa học Kết quả của đề tài này một lần nữa đã kiểm chứng được lý thuyết, chứng minh tính đúng đắn và tính ưu việt của luật điều khiển PID, tính mở và hiện đại của hệ thống SCADA Về thực tiễn, sau khi nghiên cứu thành công đề tài, sinh viên là người trực tiếp thụ hưởng được nhiều thành quả nhất Quá trình thực hiện đề tài là một lần trải nghiệm thực tế vô cùng bổ ích

Lý thuyết điều khiển tự động đã được củng cố thêm, bên cạnh đó môi trường công nghiệp cũng gần gũi hơn thể hiện qua tiêu chí lựa chọn từng phương pháp và thiết bị cụ thể Một minh chứng rõ ràng rằng khâu tích phân (I) làm giảm thời gian tăng trưởng (nghĩa là tiết kiệm một khoảng thời gian nhỏ bé) nhưng với hàng nghìn hàng triệu sản phẩm mỗi ngày thì bằng phép nhân chúng ta sẽ tiết kiệm một lượng thời gian đáng kể

1.5 Nội dung đề tài

Phần còn lại của đề tài có nội dung như sau:

Chương 2: Tổng quan họ PLC, HMI, PCWay

Giới thiệu tổng quát nhất đặc điểm kỹ thuật cũng như khả năng ứng dụng của các sản phẩm của hãng Panasonic vào hệ thống điều khiển nhiệt

Chương 3: Hệ thống điều khiển nhiệt độ

Đây là chương trọng điểm của đồ án Trước tiên người thực hiện phải giới thiệu về các loại cảm biến nhiệt đang được dùng phổ biến; các phương pháp điều khiển nhiệt từ cổ điển đến hiện đại; thuật toán điều khiển PID với đặc điểm của từng khâu riêng biệt cũng như tính ưu việt của phương pháp này Tiếp theo, đồ án trình bày các bước tiến hành từ thiết kế lò nhiệt đến tính toán chọn thông số K P,T I,T D dựa trên phương pháp Zeigler-Nichols và relay-feedback Phần cuối của đồ án giới thiệu về hệ thống SCADA cùng giải thuật điều khiển chương trình trên cơ sở điều khiển thông qua mạng SCADA

Chương 4: Kết quả thực nghiệm

Trong chương này, mọi kết quả có được từ mô hình lò nhiệt thực tế được trình bày rõ ràng mạch lạc, theo thứ tự để đối chiếu với lý thuyết điều khiển, đồng thời đưa ra những phân tích

bình luận về kết quả đạt được

Chương 5: Kết luận

Nêu kết luận chung về ưu điểm và hạn chế của đề tài, khẳng định những kết quả đóng góp đạt được, đề xuất ý kiến để cải thiện khuyết điểm và hướng phát triển đề tài

Chương 2

Tổng quan họ PLC, HMI, PCWay

Chương này mô tả khái quát các sản phẩm của hãng Panasonic Họ PLC FPX không những thể hiện đầy đủ tính năng của một PLC mà còn có những đặc điểm kỹ thuật nổi trội về vùng nhớ dữ liệu, khả năng mở rộng thêm module, chức năng truyền thông… Bên cạnh PLC, GT32

là một sản phẩm mới kiểu giao diện người máy (Human Machine Interface - HMI), đây là màn hình công nghiệp đa màu đa chức năng được lập trình từ máy tính bằng phần mềm chuyên dụng GTWIN tương thích với nhiều loại màn hình của các hãng khác nhau Chương này cũng trình bày những đặc điểm của phần mềm giám sát và thu thập dữ liệu PCWay của Panasonic Phần mềm này là chương trình nhúng chạy trên nền của Microsoft Excel thể hiện đầy đủ tính năng của một phần mềm SCADA Chương 2 được trình bày như sau: mục 2.1 giới thiệu tổng quan về các đặc điểm của họ PLC Panasonic; màn hình giám sát công nghiệp GT32 được đề cập trong mục 2.2 và mục 2.3 trình bày tính năng của phần mềm PCWay

2.1 PLC Panasonic

Là thiết bị logic khả trình, họ PLC FPxx của hãng Panasonic không chỉ thể hiện đầy đủ tính năng của một PLC thương mại mà còn có những ưu điểm nổi bật cho nhiều ứng dụng trong công nghiệp

2.1.1 Giới thiệu tổng quát

PLC (Programmable Logic Controller hay Programmable Controller) thực chất là một máy tính điện tử được sử dụng trong các quá trình tự động hóa trong công nghiệp; là thiết bị điều

khiển có thể "lập trình mềm", làm việc theo chương trình lưu trong bộ nhớ (như một máy tính điều khiển chuyên dụng) PLC thích hợp nhất cho điều khiển logic (thay thế các rơle), song cũng có chức năng điều chỉnh (như PID, mờ, ) và các chức năng tính toán khác Lúc đầu, PLC chủ yếu được ứng dụng trong các ngành công nghiệp chế tạo, điều khiển các quá trình rời rạc Trong các hệ SCADA, PLC phát huy được nhiều ưu điểm và thế mạnh Lịch sử phát triển của PLC như sau:

1968: Richard Morley sáng tạo ý tưởng PLC cho General Motors

1969: PLC đầu tiên (Allen Bradley và Bedford) được GM sử dụng trong công nghiệp ô-tô (128 DI/DO, 1kByte bộ nhớ)

1971: Ứng dụng PLC đầu tiên ngoài CN ô-tô

1976: Lần đầu tiên sử dụng trong hệ thống phân cấp điều khiển dây chuyền sản xuất 1980: Các module vào/ra thông minh

1981: PLC nối mạng, 16-bit PLC, các màn hình CRT màu

Hình 2.1 PLC của hãng Panasonic

(http://www.clrwtr.com/Images/Panasonic/Panasonic-FP-X-PLC.jpg )

PLC có những ưu điểm mà các bộ điều khiển cổ điển dùng dây nối và Relay không thể nào sánh được: - Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học - Gọn nhẹ nên thuận lợi khi di chuyển, lắp đặt - Dễ bảo quản, sửa chữa - Bộ nhớ có dung lượng lớn , nạp xóa dễ dàng, chứa được những chương trình phức tạp - Độ chính xác cao - khả năng xử lý nhanh - Hoạt động tốt trong môi trường công nghiệp - Giao tiếp được với nhiều thiết bị, máy tính, mạng và các thiết bị điều khiển khác

Cùng với các hãng tự động nổi tiếng trên thế giới như: Siemens, Mitsubishi, Allen Bradley, Omron… tập đoàn điện tử Panasonic cũng cho ra đời thế hệ PLC đầu tiên với tên CES vào năm 2004 Với mục đích cạnh tranh trên thị trường, thế hệ PLC mới của Panasonic đã mang đầy đủ các tính năng mà các hãng PLC khác hiện có, ngoài ra còn tích hợp một số chức năng đặc biệt nhằm thuận lợi hơn cho các ứng dụng trong công nghiệp Các loại PLC hiện có của Panasonic gồm: FP0, FP1, FP2, FP3, FP10SH, FP2SH, FP-E, FP-X, FP-M, FP-Sigma Ở phạm vi đồ án này, người thực hiện chỉ nghiên cứu FP-X với các tính năng và ứng dụng của FP-X

2.1.2 Nguồn cung cấp

Giống như các loại PLC khác, FP-X cũng sử dụng bộ nguồn xung cho phép mở rộng dải điện

áp ngõ vào mà vẫn ổn định điện áp cung cấp cho PLC giúp PLC hoạt động bình thường Các đặc trưng của bộ nguồn FP-X cho bởi bảng 2.1

Thông số

Chi tiết

Dòng tiêu thụ ≤ 0.3 A (100 VAC) ≤ 0.7 A (100 VAC)

Thời gian mất nguồn cho phép 10 ms (100 VAC)

Dòng điện rò ≤ 0.75mA giữa ngõ vào và điểm nối đất

Thời gian hoạt động của pin dự trữ 20.000 giờ (tại 55OC)

Cầu chì bảo vệ Gắn ở bên trong, không thể thay thế

Cách điện Sử dụng biến áp cách ly

Bảng 2.1 Đặc tính nguồn cung cấp cho PLC

Nguồn cung cấp cho PLC được kết nối theo một số quy định của nhà sản xuất để đảm bảo sự hoạt động ổn định của PLC:

PLC cần dùng biến áp cách ly để tách biệt giữa phần điều khiển và các ngõ vào ra Ngoài ra dây nối phải là dây cáp xoắn có thiết diện nhỏ nhất là 2mm2 (Hình 2.2) Đảm bảo được các điều kiện này sẽ làm giảm đáng kể nhiễu cho PLC

Cả PLC và các module mở rộng phải được cấp cùng một nguồn điện áp để khi tắt và

mở được đồng thời

Hình 2.2 Cách nối nguồn cung cấp cho PLC và module mở rộng

Điểm nối đất của các thiết bị khác nhau phải khác nhau, nếu nối chung một điểm sẽ dẫn tới hiệu ứng ngược, thiết diện dây nối đất nhỏ nhất là 2mm2 và đảm bảo điện trở đất không vượt quá 100 Ohm

2.1.3 Vùng nhớ

Đặc điểm vùng nhớ của PLC hãng Panasonic về cơ bản giống như các loại PLC khác nhưng

có thêm các thanh ghi có chức năng đặc biệt làm đặc trưng riêng cho sản phẩm Chi tiết được giới thiệu cụ thể trong bảng 2.2

Relay

Ngõ vào tín hiệu (X) 1760 (X0 ÷ X10F) On/off phụ thuộc bên

ngoài Ngõ ra điều khiển (Y) 1760 (Y0 ÷ Y10F) Điều khiển thiết bị ngoài Relay nội (R) 4096 (R0 ÷ R255F) On/off từ chương trình Relay liên kết (L) 2048 (L0 ÷ L127F) Được sử dụng với PC link Timer (T) 1024

T0 ÷ T1007 C1008 ÷ C1023

On khi timer đếm tràn Counter (C)

Relay nội đặc biệt (R) 192 (R9000 ÷ R911F) On/off với điều kiên đặc

biệt và có cờ báo hiệu

của vùng nhớ

Bảng 2.2 Cấu trúc vùng nhớ PLC họ C30/C60

2.1.4 Các ngõ vào, ra tín hiệu (I/O)

PLC FP-X loại C30T có 16 ngõ vào (X0-XF) và 14 ngõ ra (Y0-YD) PLC FP-X cũng hỗ trợ hai khe cắm cho hai cassettes (gồm nhiều mục đích khác nhau, được chia làm sáu loại từ COM1 ÷ COM6 dùng cho truyền thông Modbus, RS232, RS485, các kênh analog,…) Ngoài

ra PLC còn cho phép mở rộng thêm tối đa 8 module I/O Địa chỉ các ngõ vào ra của cassettes

và module mở rộng được cho ở bảng 2.3

PLC X0÷X9F (WX0 ÷WX9) Y0÷Y9F (WY0 ÷WY9)

Cassette 1 X100÷X19F (WX10 ÷WX19) Y100÷Y19F (WY10 ÷WY19)

Cassette 2 X200÷X29F (WX20 ÷WX29) Y200÷Y29F (WY20 ÷WY29)

Module 1 X300÷X39F (WX30 ÷WX39) Y300÷Y39F (WY30 ÷WY39)

Module 2 X400÷X49F (WX40 ÷WX49) Y400÷Y49F (WY40 ÷WY49)

Module 3 X500÷X59F (WX50 ÷WX59) Y500÷Y59F (WY50 ÷WY59)

Module 4 X600÷X69F (WX60 ÷WX69) Y600÷Y69F (WY60 ÷WY69)

Module 5 X700÷X79F (WX70 ÷WX79) Y700÷Y79F (WY70 ÷WY79)

Module 6 X800÷X89F (WX80 ÷WX89) Y800÷Y89F (WY80 ÷WY89)

Module 7 X900÷X99F (WX90 ÷WX99) Y900÷Y99F (WY90 ÷WY99)

Module 8 X1000÷X109F (WX100 ÷WX109) Y1000÷Y109F (WY100 ÷WY109)

Bảng 2.3 Cấu trúc vùng nhớ cho cassettes và module mở rộng

Ở vị trí cuối cùng của đường bus mở rộng các module (tức là phần bên phải của thanh rail) cho phép kết nối duy nhất một module mở rộng FP0, mỗi module FP0 chỉ cho phép mở rộng

tối đa 3 module I/O Kết quả là tuỳ vào vị trí của FP0 mà 3 module I/O sẽ có địa chỉ khác nhau Bảng 2.4 trình bày chi tiết về địa chỉ của 3 module này

Vị trí khối mở rộng Module thứ 1 Module thứ 2 Module thứ 3

Y1000 ÷ Y101F Y1020 ÷ Y103F Y1040 ÷ Y105F

Bảng 2.4 Cấu trúc vùng nhớ cho module mở rộng FP0

2.1.4.1 Ngõ vào tín hiệu

Ngõ vào được thiết kế với mạch ghép quang photodiode cho phép cách ly an toàn giữa tín hiệu vào và mạch điện PLC Hai diode quang ghép ngược nhau giúp PLC nhận được cả tín hiệu một chiều lẫn xoay chiều

Ngõ vào (PLC kiểu relay):

Sơ đồ mạch điện ngõ vào của PLC kiểu relay được trình bày như hình 2.3

Hình 2.3 Sơ đồ mạch điện ngõ vào (PLC có ngõ ra relay)

Đặc tính ngõ vào ở điện áp 24V và điều kiện nhiệt độ 25o

C được mô tả trong bảng 2.5

Điện áp định mức 24 VDC Dải điện áp cho phép 21.6 ÷ 25.4 VDC Dòng định mức 4.7mA (X0 ÷ X7)

4.3 mA (X8) Tổng trở ngõ vào 5.1 kOhm (X0 ÷ X7)

Ngõ vào (PLC có ngõ ra kiểu transistor):

Với PLC có ngõ ra kiểu transistor thì ngõ vào có sơ đồ kết nối khác với các loại khác ở một vài điểm được thể hiện trong hai hình 2.4 và 2.5

Hình 2.4 Sơ đồ mạch điện ngõ vào X0 ÷ X3 (PLC có ngõ ra transistor)

Hình 2.5 Sơ đồ mạch điện ngõ vào từ X4 (PLC có ngõ ra transistor)

Đặc tính ngõ vào ở điện áp 24V và điều kiện nhiệt độ 25o

C được mô tả trong bảng tóm tắt (Bảng 2.6)

Cách ly Bộ ghép quang Điện áp định mức 24 VDC Dòng điện định mức

8 mA (X0 ÷ X3) 4.7 mA (X4 ÷ X7) 4.3 mA (từ X8) Tổng trở ngõ vào

4 kOhm (X0 ÷ X3) 5.1 kOhm (X4 ÷ X7) 5.6 kOhm (từ X8) Đáp ứng thời gian

Off → On X0 ÷ X3 ≤ 5uS (HSC, ngắt, đếm xung)

≤ 135uS (ngõ vào mặc định) X4 ÷ X7 ≤ 135uS (ngõ vào mặc định)

Ngõ ra dạng relay

Sơ đồ mạch điện của ngõ ra dạng relay được thể hiện như hình 2.5

Hình 2.6 Ngõ ra PLC kiểu relay

Đặc tính ngõ ra của PLC có ngõ ra kiểu relay được thể hiện trong bảng 2.7

Hình 2.7 Sơ đồ mạch điện ngõ ra (Y0 ÷ Y3) kiểu transistor

Hình 2.8 Sơ đồ mạch điện ngõ ra (từ Y4) kiểu transistor

Đặc tính ngõ ra kiểu transistor (NPN) được cho bởi bảng 2.8

≤ 2uS (Y0 ÷ Y3) (I_tải ≥ 15mA)

≤ 20uS (C14: Y4 ÷ Y5, C30/C60: Y4 ÷ Y7) (I_tải ≥ 15 mA)

≤ 1mS (C30/C60: từ Y8)

ON → OFF

≤ 8uS (Y0 ÷ Y3) (I_tải ≥ 15mA)

≤ 30uS (C14: Y4 ÷ Y5, C30/C60: Y4 ÷ Y7) (I_tải ≥ 15 mA)

≤ 1mS (C30/C60: từ Y8) Nguồn ngoài

Diện áp 21.6 ÷ 26.4 VDC Dòng

Có hai phương pháp để mở rộng module cho FP-X:

Gắn trực tiếp các module mở rộng số ngõ vào ra của PLC hay sử dụng bộ tương thích FP0 thông qua cáp để kết nối các module analog và module đọc nhiệt độ từ TC FP-X cho phép mở rộng tối đa 8 module vào ra và 7 module chuyên dụng nếu dùng FP0 Các module mở rộng phải được đặt trên cùng một thanh rail để các kết nối nguồn và truyền thông được đảm bảo liên tục

Sử dụng các cassettes gắn trực tiếp vào PLC FP-X được thiết kế sẵn hai slot 1 và 2 để cho phép tối đa 2 cassettes được gắn vào Trước khi tháo lắp cassettes phải đảm bảo rằng PLC đã được tắt nguồn

Hình 2.9 Module mở rộng (COM5) của Panasonic

Điều khiển vị trí (Possition control):

Điều khiển vị trí là một trong những chức năng đặc biệt của của FP-X dùng trong các ứng dụng liên quan đến xác định tọa độ (Hình 2.10) Được trang bị các hàm dựng sẵn, các ngõ ra của PLC sẽ phát xung với tần số thay đổi điều khiển động cơ bước (mỗi động cơ bước có một module điều khiển riêng biệt) Đối với mỗi chế độ làm việc khác nhau, tần số ngõ ra sẽ biến đổi tương ứng với chế độ đã được xác định Họ FP-X cho phép điều khiển vị trí theo theo 3 cách chính: điều khiển hình thang (Treperzoidal), điều khiển về gốc toạ độ (Home) và điều khiển nhảy bước (Jog) Ưu điểm chính của điền khiển vị trí là cho phép gia tốc và giảm tốc trong thời gian mong muốn phù hợp với chế độ làm việc của tải, đạt được vận tốc yêu cầu Chức năng điều khiển vị trí có thể được ứng dụng trong lĩnh vực gia công cơ khí chính xác

Hình 2.10 Ứng dụng điều khiển vị trí của PLC hãng Panasonic

PWM

Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) được xây dựng sẵn trong hàm F173 và một số hàm khác cho phép phát xung với tần số và tỉ lệ duty xác định Tuỳ vào ứng dụng cụ thể đối với từng đối tượng điều khiển mà người lập trình sẽ chọn tần số điều khiển phù hợp

Đọc nhiệt độ trực tiếp từ cảm biến

Có hai cách đọc nhiệt độ trực tiếp từ cảm biến Module mở rộng TC04 hoặc TC08 sẽ có tương ứng 4 hoặc 8 ngõ vào analog để đọc giá trị điện áp trực tiếp từ cảm biến (cặp nhiệt ngẫu -TC) Cách thứ hai, nhiệt độ có thế đọc trực tiếp từ TC qua cassettes được gắn vào slot1 hoặc slot2 Chú ý rằng giá trị nhiệt độ được lưu ở dạng số nguyên trong thanh ghi 1 word Tương ứng với thứ tự của module mở rộng hay vị trí của slot mà truy xuất vùng nhớ ngõ vào cho hợp lý

Hình 2.11 Các chế độ điều khiển PID của PLC hãng Panasonic

Tự chẩn đoán và xử lý lỗi (Self-diagnostic and troubleshooting)

Hầu hết các PLC được thiết kế có các đèn báo chỉ thị để thông báo trạng thái hoạt động của PLC Trong đó đèn báo Error sáng nhấp nháy khi hoạt động của PLC không bình thường Các

lỗi thường xảy ra như trùng địa chỉ ngõ ra hoặc lỗi cú pháp trong câu lệnh… Tất cả các lỗi mà PLC phát hiện ra đều được thông báo trong hộp thoại để người sử dụng biết và sửa lỗi Sự cần thiết của cảnh báo lỗi sẽ đảm bảo rằng các PLC hoạt động đáng tin cậy

2.1.7 Truyền thông

Truyền thông là một thế mạnh của PLC họ FP-X Ngoài hai cổng giao tiếp chính là Tool-Port

và USB- Port thì hai slot 1 và 2 cho phép ghép nối với 6 cassettes cũng có chức năng giao tiếp với nhiều chuẩn khác nhau Chi tiết được mô tả như hình 2.12:

Hình 2.12 Truyền thông Ethernet trong PLC hãng Panasonic

2.1.7.1 Chức năng của Tool Port

Với Tool Port thì FP-X cho phép hai chế độ truyền thông sau:

Computer link

Computer link được sử dụng để kết nối giữa máy tính và PLC Lệnh điều khiển là các bức điện có mang thông tin điều khiển Việc trao đổi dữ liệu được thực hiện thông qua giao thức MEWTOCOL-COM Có hai phương pháp truyền thông chính trong giao thức này là 1:1 và 1:N (được gọi là C-Net) C-Net cho phép kết nối tối đa tới 99 PLC

General-purpose serial communication

Với cổng giao tiếp General-purpose serial communication thì dữ liệu sẽ được trao đổi qua lại giữa PLC và thiết bị ngoại vi Việc giao tiếp chỉ được thực hiện khi PLC ở chế độ RUN, ở chế

độ PROG thì việc giao tiếp sẽ tự động kết nối nhưng dữ liệu chỉ được lưu trong bộ đệm và sẽ

bị xoá khi chuyển sang chế độ RUN

2.1.7.2 Chức năng của USB Port

Với USB Port , FP-X chỉ cho phép một chế độ truyền thông duy nhất

Computer link

Ở chế độ Computer link thì USB Port hoạt động giống hoàn toàn Tool Port Tuy nhiên việc liên kết này sẽ được máy tính hiểu là liên kết thông qua COM Port của máy tính

2.1.7.3 Chức năng truyền thông của cassettes

Với cassettes, FP-X cho phép truyền thông với 4 chế độ

Computer link

Computer được dùng để truyền thông giữa máy tính và các PLC hay giữa PLC với các thiết bị ngoại vi khác Giao thức được sử dụng là MEWTOCOL-COM và cũng cho phép lập trình cho PLC qua giao thức này PLC phát lệnh điều khiển được gọi là master, các PLC còn lại nhận lệnh và thực thi lệnh được gọi là slave Mặc dù Tool Port cho phép truyền thông với chế độ

Computer link nhưng không được định nghĩa chức năng master Hai lệnh F145 và F146 được

dùng cho chế độ truyền và nhận dữ liệu trong Computer link

General-purpose serial communication

Với chế độ General-purpose serial communication, cassettes hoạt động giống hoàn toàn với Tool-Port ở cùng chế độ truyền thông

PC(PLC) link

Với chế độ PC(PLC) link, FP-X hỗ trợ liên kết các PLC với nhau thông qua giao thức MEWNET (tối đa 16 PLC) liên kết bằng cáp xoắn Trong PC (PLC) link dữ liệu (LR, LD) được chia sẻ cho tất cả các PLC Chỉ có COM1 được dùng với PC (PLC) link

Modbus RTU

Giao thức Modbus RTU cho phép truyền thông giữa FP-X và các thiết bị khác (FP-e, GT và các bộ điều khiển nhiệt độ) Việc truyền thông được thực hiện thông qua các bức điện chứa lệnh điều khiển (master) và đáp ứng (slave) Có tối đa 99 thiết bị trên cùng một mạng Modbus RTU Cả communication cassettes và USB Port đều được dùng cho Modbus RTU

2.2 Giao diện GT32

GT32 là một điển hình của giao diện người - máy được hãng Panasonic phát triển từ dòng sản phẩm GT Với tính năng nổi trội và chế độ hiển thị đa màu, GT32 cho phép người dùng tương tác đến hầu hết các hoạt động của PLC Điểm mạnh của GT32 là giao diện được thiết kế từ phần mềm nên rất linh hoạt với mọi đối tượng điều khiển Trên màn hình, người sử dụng có thể truy xuất bất kỳ một đối tượng nào, xem thông số của hệ thống, cài đặt thông số, quản lý

dữ liệu hay cảnh báo lỗi…

2.2.1 HMI Panasonic

HMI là dòng sản phẩm đi cùng với hệ thống PLC để hỗ trợ lẫn nhau ở nhiều ứng dụng trong công nghiệp Với công nghệ chế tạo màn hình cảm ứng, hãng Panasonic đã cho ra đời nhiều loại HMI khác nhau Các loại chính như: GT01, GT05, GT11, GT12, GT21, GT30, GT32,… bao gồm màn hình đơn sắc và đa sắc Tất cả các HMI đều được lập trình bởi phần mềm GTWIN từ máy tính và giao tiếp với PLC qua cổng truyền thông nối tiếp

2.2.2 Chức năng của GT32

Chức năng chính và được khai thác nhiều nhất của GT32 là việc đọc và hiển thị giá trị các thông số từ hệ thống giúp người vận hành có thể kiểm soát các quá trình dễ dàng và trực quan hơn Bên cạnh đó con người có thể can thiệp trực tiếp vào quá trình bằng cách thay đổi một hay nhiều thông số từ HMI, tuy nhiên tuỳ vào mức độ quan trọng của thông số mà HMI sẽ cho phép can thiệp vào sâu hơn bằng cách cung cấp các mã số đăng nhập (password) Để theo dõi diễn biến của một quá trình liên tục, chức năng vẽ đồ thị của GT32 sẽ cho phép thực hiện điều này, từ đây mọi diễn biến của hệ thống sẽ được lưu lại Trong quá trình hoạt động không thiết bị nào có thể đảm bảo rằng không xảy ra lỗi, do đó GT32 cũng là công cụ hữu hiệu trong vấn đề cảnh báo lỗi và lưu lại tất cả các lỗi xảy ra để xử lý về sau Đối với những quá trình điều khiển mà chỉ có các bộ thông số thay đổi theo thời gian thì chức năng “recipe” của GT32

có thể được dùng để quản lý các thông số này một cách dễ dàng Hơn nữa, để thuận lợi cho người sử dụng GT32 cũng cho phép chọn lựa ngôn ngữ hiển thị

2.2.3 Truyền thông với GT32

Có bốn cách chính để thực hiện việc truyền thông với GT32 Khi sử dụng PLC FP-X có cổng truyền thông COM-Port, PLC cho phép truyền thông với GT32 theo ba chuẩn RS232C, RS422, RS485 thông qua các cassettes (COM3, COM4, COM6 khi sử dụng FP-X) Khi muốn

kết nối GT32 vào mạng PLC thì có thể dùng cổng truyền thông TOOL-Port Các cách truyền thông nêu trên cho phép kết nối GT32 vào mạng PLC ở một khoảng cách đủ để kiểm soát toàn bộ hoạt động của nhà máy ở mọi nơi

2.2.4 Phần mềm thiết kế giao diện GTWIN

GT32 là thiết bị khả trình nên được lập trình bởi người sử dụng Hãng Panasonic cung cấp phần mềm chuyên dụng GTWIN, dựa vào phần mềm này người dùng có thế thiết kế giao diện nhiều trang màn hình; tham chiếu đến các thanh ghi và bit điều khiển trong PLC; thông báo trạng thái làm việc; lưu quá trình điều khiển bằng đồ thị; đặt mật khẩu truy nhập; phối hợp màu sắc tương thích với môi trường làm việc Đặc biệt GTWIN có thể được dùng để lập trình cho HMI của nhiều hãng khác nhau như Siemens, Allen Bradley, Mitshubishi, Omron,…

2.3 PCWay

Với chức năng thu thập dữ liệu và điều khiển giám sát, phần mềm PCWay nhúng trong Microsoft Excel cũng được xem như phần mềm của hệ thống SCADA

2.3.1 Giới thiệu tổng quát

PCWay được nhúng vào Microsoft Excel để điều khiển, thu thập dữ liệu và giám sát đơn giản, thuận lợi hơn Được xây dựng một số hàm chuyên dụng, PCWay có thể dễ dàng chạy trên VBA tạo môi trường liên kết cơ sở dữ liệu và điều khiển PLC một cách hiệu quả

2.3.2 Chức năng điều khiển, kiểm soát PLC

Trong từng “sheet” của Microsoft Excel, mỗi “cell” có thể được định nghĩa là một đối tượng liên kết với PLC Bằng cách “double click” vào một ô xác định, hộp thoại giao diện xuất hiện Trên hộp thoại này, người dùng sẽ lựa chọn đối tượng liên kết là Relay nội (R) hoặc một thanh ghi dữ liệu (DT) hoặc một tập tin dữ liệu chứa thông số của PLC Khi PCWay được kích hoạt, việc đóng mở các Relay nội của PLC có thể được thực hiện trực tiếp từ các “cell ” nói trên Thao tác đóng mở này cũng được thực hiện tương tự và dễ dàng từ giao diện điều khiển của VBA Như vậy nhờ PCWay, chức năng điều khiển và kiểm soát PLC có thể được thực hiện từ xa

2.3.3 Chức năng thu thập, quản lý dữ liệu

Ngoài khả năng điều khiển hoạt động của PLC thì PCWay còn có thể truy xuất giá trị các thanh ghi dữ liệu của PLC, đây là chức năng thu thập và quản lý dữ liệu được thực hiện nhờ PCWay Trước tiên người sử dụng phải định nghĩa một tập tin quản lý chung Trong tập tin này phải khai báo tên, số lượng dữ liệu thu thập, dữ kiện tác động, định dạng dữ liệu thu thập (số nguyên, số thực, giá trị ngày tháng…) Việc khai báo tập tin được thực hiện thông qua các hộp thoại của PCWay, công việc được hoàn tất khi tất cả thông tin về tập tin được lưu lại Sau

đó, trong giao diện Excel phải định nghĩa một “cell” có liên kết với tập tin khai báo trên Dữ liệu sẽ được thu thập về khi cả PLC và phần mềm PCWay đang chạy đồng thời Mọi thông tin thu thập về có thể được lưu ở dạng file excel hoặc html

2.3.4 Giao diện SCADA

Trong hệ thống SCADA, ngoài các HMI là màn hình hiển thị cơ sở để vận hành các thiết bị đầu cuối thì các máy tính đặt ở trung tâm điều khiển sẽ là nơi quản lý chung toàn bộ hệ thống Trên màn hình máy tính sẽ mô phỏng lại toàn bộ sơ đồ hệ thống cũng như mọi thông số của từng thiết bị cùng với trạng thái của chúng Việc xây dựng giao diện SCADA cho PCWAY có thể thực hiện ngay trong chương trình VBA được nhúng trong Excel Trong giao diện này cũng mô tả được hoạt động của hệ thống, điều khiển được tất cả các đối tượng, cho biết trạng thái của cơ cấu chấp hành, thông số hoạt động, lưu lại quá trình hoạt động dưới nhiều dạng tập tin khác nhau Tuỳ vào quy mô hệ thống và mục đích sử dụng mà người dùng có thể xây dựng giao diện SCADA với mức độ tương xứng

Chương 3

Hệ thống điều khiển nhiệt độ

Phần đầu của chương này giới thiệu tổng quát các loại cảm biến nhiệt được sử dụng phổ biến trong công nghiệp, các phương pháp thường dùng để điều khiển nhiệt độ, đặc điểm, bản chất

và ý nghĩa của phương pháp PID Phần tiếp theo mô tả chi tiết các quá trình thiết kế lò nhiệt với các cơ sở lựa chọn cảm biến; thiết bị gia nhiệt, công suất tiêu tốn; đưa ra mô hình toán học, phân tích hệ thống; cơ sở và cách thức tính toán các thông số của bộ điều khiển PID Phần cuối nêu tổng quan về hệ thống SCADA, giải thuật điều khiển chương trình và quy trình vận hành lò nhiệt Các phần chính được trình bày như sau: mục 3.1 là sơ đồ khối của hệ thống; các loại cảm biến nhiệt độ được thể hiện trong mục 3.2; các phương pháp điều khiển nhiệt độ được trình bày trong mục 3.3; mục 3.4 phân tích chi tiết thuật toán PID; mục 3.5 là bước thiết kế lò nhiệt; tính toán các thông số cho bộ điều khiển PID được thực hiện trong mục 3.6 và cuối cùng là mục 3.7 giới thiệu hệ thống SCADA

3.1 Sơ đồ khối của hệ thống

Hệ thống điều khiển nhiệt độ được mô tả như sơ đồ khối ở hình 3.1 Trên cùng là màn hình máy tính và màn hình công nghiệp giao tiếp với nhau qua computer link, hai thành phần này đóng vai trò là cấp quản lý trong mạng Cấp quản lý sẽ điều khiển trực tiếp PLC để thực hiện chức năng điều khiển công suất của thiết bị gia nhiệt và đọc nhiệt độ về từ cảm biến (cặp nhiệt ngẫu) Hệ thống có tính mở vì khả năng mở rộng số thiết bị và cấp quản lý một cách dễ dàng

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt

3.2 Các loại cảm biến đo nhiệt độ

Điều khiển và kiểm soát nhiệt độ là yêu cầu cần thiết trong hầu hết các hệ thống gia nhiệt cho sản xuất công nghiệp Ngày nay, con người đã biết đến nhiều phương thức điều khiển khác nhau từ đơn giản đến phức tạp, cả những hệ thống cho đáp ứng khá chính xác Tuy nhiên, yếu

tố đầu vào vẫn đóng vai trò tối quan trọng để thu thập dữ liệu nhiệt độ Vì thế, việc lựa chọn cảm biến nhiệt độ trở nên vấn đề đáng cân nhắc và tính toán để phù hợp với hệ thống, cho độ chính xác cao và thoả mãn yêu cầu kinh tế Trong công nghiệp, các loại cảm biến nhiệt độ thường được sử dụng gồm: nhiệt điện trở kim loại, nhiệt điện trở bán dẫn, cặp nhiệt ngẫu, vi mạch cảm biến nhiệt, hỏa kế,… Tương ứng với mỗi loại khác nhau sẽ có các đặc điểm về độ bền cơ học, phạm vi ứng dụng, độ chính xác và giá thành cũng khác nhau (Bảng 3.2)

3.2.1 Nhiệt điện trở bán dẫn

Nhiệt điện trở bán dẫn là thiết bị bán dẫn có điện trở thay đổi tương ứng với nhiệt độ, Có độ

ổn định và độ nhạy nhiệt rất cao khoảng hơn 10 lần so với độ nhạy nhiệt của nhiệt điện trở kim loại Nhiệt điện trở bán dẫn có thể được chia ra làm 2 loại:

Nhiệt điện trở bán dẫn có hệ số nhiệt trở dương (PTC) có giá trị điện trở tăng khi nhiệt

độ tăng

Nhiệt điện trở bán dẫn có hệ số nhiệt trở âm (NTC) có giá trị điện trở giảm khi nhiệt

độ tăng

Các vật liệu thường được sử dụng có điện trở suất cao cho phép chế tạo những nhiệt điện trở

có giá trị điện trở thích hợp với một lượng vật chất nhỏ mà kích thước tối thiểu (cỡ mm) Kích thước nhỏ cho phép đo được ở từng điểm, đồng thời do nhiệt dung nhỏ nên tốc độ hồi đáp lớn Nhiệt điện trở có thể làm việc ở dải nhiệt độ từ 2K đến 300oC

10 100 1K 10K 100K 1M 1M

Hình 3.2 So sánh đặc tuyến của thermistor và RTD

3.2.2 Nhiệt điện trở kim loại

Nhiệt điện trở kim loại hoạt động dựa trên nguyên tắc thay đổi giá trị điện trở cúa các vật liệu tinh khiết mà tiêu biêu là sự thay đổi tuyến tính dương của giá trị điện trở với sự thay đổi của nhiệt độ Khi nóng điện trở tăng lên và ngược lại khi lạnh giảm xuống Các nguyên tố được sử dụng để chế tạo nhiệt điện trở kim loại gồm Niken (Ni), đồng (Cu) nhưng Platin (Pt) được sử dụng phổ biến nhất do khoảng đo rộng, độ chính xác và ổn định cao Nhiệt điện trở được sử dụng phổ biến do có độ ổn định và độ chính xác cao, tuyến tính và đặc biệt có khả năng loại trừ nhiễu điện nên thích hợp trong môi trường công nghiệp Nhiệt điện trở kim loại cũng có nhược điểm là thời gian đáp ứng chậm, độ nhạy thấp Dải nhiệt độ của Pt-xxx khá rộng từ -

200oC đến 850oC

3.2.3 Cặp nhiệt ngẫu

Cặp nhiệt ngẫu hoạt động dựa trên hiệu ứng Seebeck Khi hai dây dẫn gồm các kim loại khác nhau được nối lại ở hai đầu và nhiệt độ hai đầu khác nhau thì sẽ có dòng điện liên tục chạy trong mạch điện Chính sức điện động (điện áp Seebeck) xuất hiện tại mối hàn đã sinh ra dòng

điện Chiều dòng điện phụ thuộc vào nhiệt độ tương đối của mối hàn Khi có sự thay đổi nhiệt

độ nhỏ, điện áp Seebeck thay đổi tuyến tính tương ứng với nhiệt độ theo công thức 3.1

độ chính xác từ 1o

C đến 2oC tuỳ loại Các vi mạch tiêu biểu cho loại này là: tương tự (LM34, LM35, LM75, AD592…) hay số (DS18B20, DS1620…) Do tầm đo hẹp nên không được sử dụng nhiều trong công nghiệp

3.2.5 Hoả kế

Tất cả các vật thể có nhiệt độ lớn hơn độ không tuyệt đối đều phát ra các bức xạ nhiệt Bức xạ nhiệt chính là bức xạ điện từ Dụng cụ đo nhiệt độ của vật thể dựa vào bức xạ nhiệt được gọi