Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt độ

Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt độ

Đồ án tốt nghiệp Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt độ 1 Ch-ơng 1 Tổng quan về bộ điều khiển TCU 1.1. Giới thiệu chung về TCU. Bộ điều khiển TCU (Tiếng Anh: The Temparature Controller Unit nhận tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ (Cặp nhiệt điện hay các phần tử nhiệt điện trở và biểu thị chính các nhiệt độ quá trình đồng thời đ-a ra tín hiệu xử lý kịp thợi và chính xác. Một tập hợp toàn diện những chức năng dễ dàng sử dụng từng b-ớc cho phép bộ điều khiển giải quyết nhiều yêu cầu ứng dụng khác nhau. Bộ điều khiển TCU có thể hoạt động ở chế độ điều khiển PID cho cả sự đốt nóng và làm mát. Nó tự động điều khiển chế độ xác lập hằng số. Hằng số PID có thể đ-ợc tinh chỉnh bởi sự hoạt động của bộ điều khiển ở thời gian bất kỳ và đ-ợc khoá từ xa sự thay đổi. TCU cho phép đáp ứng đầu ra phanh nhất mà không có quá độ điều chỉnh. Nó có thể chuyển sang chế độ vận hành bằng tay mà ng-ời vận hành có thể điều khiển trực tiếp đầu ra. Ngoài ra nó còn đ-ợc ch-ơng trình hoá để hoạt động ở chế độ điều khiển ON/OFF mà điều chỉnh đ-ợc độ trễ. Hai màn hình hiển thị 4 số cho phép quan sát nhiệt độ quá trình và nhiệt độ đặt, cho biết tình trạng của bộ điều khiển (Đang làm việc ở chế độ nào, những Module đầu ra nào đang hoạt động, sự cảnh báo và trạng thái đầu ra. Các Module đầu ra có thể trao đổi đầu ra. Các Module đầu ra có thể thay thế và trao đổi lẫn nhau (Relay, SSR, Drive, hoặc Triac) đ-ợc thiết lập nhằm phục vụ cho sự điều khiển chính, đầu ra bảnh báo, đầu ra làm mát và đầu ra định vị van. Lựa chọn bảnh báo kép có thể đ-ợc định dạng tùy vào sự thay đổi của hoạt động (Nhiệt độ cao hay thấp, sự chênh lệch) ở chế độ chờ đầu ra và nguồn nuôi sẽ đ-ợc ngăn chặn đến khi những thông số ở mức báo động đ-ợc ổn định. Đồ án tốt nghiệp Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt độ 2 Dòng tuyến tính từ 4 - 20mA (hoặc 0 - 10V) ở đầu ra có thể giao điện với cơ cấu chấp hành, máy ghi biểu đồ, dụng cụ chỉ thị hay thiết bị điều khiển khác. Kiểu đầu ra tuyến tính một chiều này có thể dùng cho những mô hình điều khiển tuyến tính đ-ợc xây dựng phù hợp với những mô hình xây dựng sẵn trong bộ điều khiển. Tín hiệu ra đ-ợc số hoá và đ-ợc truyền đi một trong những cách sau: % công suất đầu ra, giá trị nhiệt độ quá trình, sự chênh lệch nhiệt độ, hay giá trị điểm đặt. Ngoài ra còn có thể điểu chỉnh đ-ợc dải chết đầu ra, thời gian cập nhật đầu ra với những tham số mở rộng tính linh hoạt của TCU tới những thiết bị cuối cùng. Một đầu ra đ-ợc báo động sự kiện, đ-ợc ch-ơng trình hoá để phát tín hiệu cảnh báo (khi lò nhiệt hay những thiết bị khác bị lỗi) để xử lý kịp thời. Sự báo động nhiệt độ hoạt động d-ới 2 điều kiện sau: 1. Đầu ra chính (OP)1 đang hoạt động và dòng nhiệt điện d-ới giá trị dòng báo động. 2. Đầu ra (OP1) đã tắt và dòng nhiệt điện lớn hơn dòng cảnh báo 10% khi thiết bị điều khiển bị ngắn mạch hoặc những sự kiện khác. Đầu vào Analog thứ cấp (0 - 20m ADC) có thể đ-ợc định dạng để hoạt động nh- một bộ tiền xử lý tín hiệu thứ cấp để xử lý điểm đặt của đầu ra sơ cấp. Chính điều này cho phép khả năng điều khiển tầng với thiết bị khác. Nhờ đầu vào Analog thứ cấp này ta có thể xây dựng đ-ợc một ht điều khiển tầng tích hợp trong một bộ điều khiển TCU. Chuẩn giao diện truyền thông RS 485 nhiều điểm nối tiếp cho phép TCU giao tiếp với các thiết bị kết hợp khác nh-: Máy in, bộ điều khiển trả trình hay máy tính chủ 1.2. Lắp đặt và kết nối. 1.2.1. Môi tr-ờng lắp đặt. TCU cần đ-ợc đặt ở nơi cách xa đối t-ợng điều khiển, trong một môi tr-ờng có nhiệt độ không quá cao (không lớn hơn 45 0 C) và phải đảm bảo l-u Đồ án tốt nghiệp Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt độ 3 thông không khí tốt. Không nên đặt TCU gần các thiết bị có sự toả nhiệt lớn và tiếp xúc trực tiếp với ánh sáng mặt trời. Không sử dụng trực tiếp TCU để điều khiển motor, điều kiện van hay cơ cấu chấp hành khác mà không phải là các thiết bị đ-ợc bảo vệ. Làm nh- vậy có thể gây nguy hiểm tới ng-ời vận hành hoặc các thiết bị, dụng cụ kết nối với nó. Một điều cần chú ý là tín hiệu nhập vào từ cảm biến hay nguồn nuôi AC của TCU phải đ-ợc lấy độc lập với các thiết bị khác. Thêm nữa, khi TCU đang làm việc tránh dùng mọi dụng cụ tác động vào nó. Tất cả những điều nói trên nhằm đảm bảo sự an toàn cá nhân và ngăn ngứa thiệt hại tới tất cả các thiết bị khác trong hệ thống. 1.2.2. Cấu tạo. TCU có dạng hình khối chữ nhật hai màn hình quan sát và điều khiển cùng với các bộ chỉ thị ở phía tr-ớc. Các nút bấm chức năng đ-ợc đặt ở phía d-ới của các bộ chỉ thị và các chân nối vào/ra đ-ợc đặt ở phía sau bên trong một vỏ hộp bảo vệ. Sơ đồ các chân vào/ra đ-ợc mô tả nh- sau: Đồ án tốt nghiệp Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt độ 4 1.2.3. Các module đầu ra. Bộ điều khiển TCU có 3 module đầu ra có thể hoạt động độc lập hay thay thế và trao đổi lẫn nhau. Sự lựa chọn các module tuỳ theo những ứng dụng cụ thể, các module đó là: Module Relay, Module logic/ SSR Drive, Modude Triac. Các module này có thể dùng cho các ứng dụng nh- sau. Cho điều khiển chính (OP1), cho hoạt động làm mát hay một số hoạt động cảnh báo. Các chân cắm với ba module này đ-ợc đặt kín trong TCU, khi dùng chú ý lựa chọn thích hợp và lắp đặt đúng với nhãn ghi trên các chân cắm đó. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 OP 2/AL1: Đầu ra làm mát/ cảnh báo OP2 : Đầu ra làm mát AL1 A: Đầu ra cảnh báo A B C OP1: Đầu ra điện điều khiển chính User Input: Đầu vào Đầu vào: Nối với nhiệt điện trở hay cặp nhiệt điện (4- 2mV) Đầu ra t-ơng tự Giao diện truyền thông TS.485 Hoặc: Đầu vào Analog thứ cấp Đồ án tốt nghiệp Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt độ 5 * Một số hạn chế của module đầu ra. ở một vài mẫu trong họ TCU thì đầu ra cảnh báo và đầu ra điều khiển vị trí van có dùng chung chân cắm. Nghĩa là ng-ời thiết kế phải lựa chọn một trong hai chân cắn đó, vậy nên phải chú ý để quyết định sử dụng cho mục đích nào. * Cài đặt các module đầu ra. Khi sử dụng các module đầu ra xác định đúng nhãn của từng loại thích hợp với nhãn chân cắm và chiều cắm cho chính xác. Riêng với ứng dụng điều khiển van thì một số ký hiệu trên bo mạch có ý nghĩa nh- sau: AL1: đầu ra điều khiển để mở van AL2/OP2: đầu ra điều khiển đóng van OP1 - Alarm # 1 là tín hiệu ra. * Các module đ-ợc biểu diễn trong hình vẽ d-ới đây. Relay: Type: Form - C Rating: 5A - 120/ 240 VAC Or 28 VDC C B A 5A POWER 1. Relay module Đồ án tốt nghiệp Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt độ 6 Logic: Type: Non - isolated switch DC, 12VDC Drive: 45ma max Triac: Type: isolated, zero crossing Deteetion Rating: 120/240 VDC; 20 to 500Hz Max: Load Cureut: 1A 0.75 @ 50 0 C Min: Load Cureut: 10mA 1.2.4. Chọn nguồn nuôi và cảm biến. C B A POWER 2. Logic/ SSR Drire Module 4 1 SSR POWER UNIT 3 2 LOAD - + 2VDC Not isolated Không nối C B A POWER 3. Triac Module Kelay or riac device LOAD 120 VAC 1A Đồ án tốt nghiệp Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt độ 7 * Nguôn nuôi. Hai loại nguồn nuôi cho TCU có thể đ-ợc sử dụng là 115 VAC hay 230VAC. Công tắc lựa chọn nguồn nuôi đ-ợc đặt bên trong vỏ hộp của bộ điều khiển nhằm đảm bảo an toàn cho hệ thống, giữ gìn sự lựa chọn của ng-ời vận hành. * Cảm biến. Hai cảm biến th-ờng đ-ợc dùng trong công nghiệp cho các ứng dụng cho nhiệt độ không quá cao là: Cặp nhiệt điện và nhiệt điện trở TCU hỗ trợ hầu hết các loại cảm biến thuộc hai kiểu nói trên. Ng-ời thiết kế hệ thống chỉ cần chỉ ra kiểu cảm biến mình dùng và khai báo với TCU trong module tham số (1 - iN). Loại cảm biến nào đ-ợc dùng cần đ-ợc khai báo nhất quán tính chất của nó có thể có trong các module khác. Tr-ớc khi khai báo với TCU về loại cảm biến đ-ợc dùng cần điều chỉnh jum lựa chọn cảm biến là loại cặp nhiệt điện hay nhiệt điện trở về đúng vị trí thích hợp. * Nối tín hiệu từ cảm biến vào TCU. Sau khi định vị đ-ợc công tắc lựa chọn nguồn nuôi và cảm biến ta tiến hành nối dây theo sơ đồ chỉ dẫn sau: * Cách nối TCU với cặp nhiệt điện. 1 2 Nấc 1: Chọn nguồn 115 VAC Nấc 2: Chọn nguồn 230 VAC Nấc chọn nguồn 7 8 9 10 + 2 chân nối với cặp nhiệt điện - Đồ án tốt nghiệp Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt độ 8 * Cách nối TCU với nhiệt điện trở. Sự thuận lợi thấy rõ là ta chỉ cần trực tiếp nối ngay cảm biến vào bộ điều khiển mà không cần làm một điều gì khác. Các công việc nhằm hiệu chỉnh lại để tăng độ chính xác nh-: bù nhiệt, lọc nhiễn, chuyển đổi từ tín hiệu t-ơng tự sang số đ-ợc TCU hỗ trợ rất hiệu quả. Điều này giảm nhẹ khá nhiều và mang lại hiệu quả cao cho ng-ời thiết bị hệ thống. 1.3. Mặt tr-ớc TCU và các mút bấm chức năng. Mặt tr-ớc TCU gồm hai màn hình sáu bộ chỉ thị và 4 nút bấm chức năng. Hai màn hình trong đó: màn hình chính (lớn) phía trên có màu đỏ, màn hình thứ hai (d-ới) màu xanh. Sáu bộ chỉ thị sẽ hiển thị các thông số cần thiết tuỳ theo sự cài đặt các lựa chọn trong các module chứa tham số hay tuỳ theo kiểu hoạt động đ-ợc tiến hành. Bốn nút bấm chức năng đ-ợc sử dụng để truy nhập và thay đổi giá trị các tham số của hệ thống, nó cũng đ-ợc thiết kế để chọn lựa chế độ hoạt động. Các nút bấm đ-ợc mô tả cụ thể nh- sau: + Các nút bấm chức năng. DSP - ở chế độ hoạt động bình th-ờng, nó dùng để lựa chọn một trong những tham số đ-ợc hiển thị trên màn hình thứ hai. Hay nó còn dùng để lựa chọn trực tiếp thang đo nhiệt độ là 0 F hay 0 C mà không cần truy nhập và module chứa tham số (1 - iN) 7 8 9 10 2 chân nối với nhiệt điện trở Đồ án tốt nghiệp Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt độ 9 - ở chế độ định dạng tham số ấn DSP để thoát khỏi tham số đang truy nhập hay thoát hẳn ra ngoài chế độ hoạt động bình th-ờng mà không làm thay đổi giá trị của các tham số khác đã đ-ợc cài đặt. UP DN - ở chế độ hoạt động bình th-ờng, nút ấn UP/ DOWN có thể điều chỉnh trực tiếp giá trị điểm đặt nhiệt độ hoặc % công suất đầu ra (tất nhiên nếu hai tham số này ch-a bị khoá). Giá trị điểm đặt và % công suất đầu ra đ-ợc hiển thị trên màn hình thứ hai. - ở chế độ định dạng số thì nút UP/DOWN dùng để thay đổi giá trị của tham số đang truy nhập (UP: tăng, DOWN: giảm) PAR - ở tất cả các chế độ hoạt động nút ấn PAR dùng để truy nhập, thay đổi và quét hết mọi tham số. Cũng dùng nút ấn này để chọn lựa chế độ hoạt động cho bộ điều khiển TCU. * Mặt tr-ớc thiết bị 1500 1500 DS P PA R %P W Màn hình chính: Hiển thị nhiệt độ quá trình và cũng hiển thị tham số hay các chế độ đã chọn Mành hính thứ hai: Hiển thị nhiệt độ đặt, giá trị các tham số MAN: Hiện lên khi hoạt động ở chế độ bằng tay. REM: Hiện lên khi chế độ điểm đặt xa đ-ợc lựa chọn AL1: Hiện lên khi cảnh báo 1 đ-ợc cài đặt OPN: Hiện lên khi đầu ra điều khiển mở van đ-ợc hoạt động AL2: Hiện lên khi cảnh báo 2 đ-ợc cài đặt OPN: Hiện lên khi đầu ra điều khiển mở van đ-ợc hoạt động CLS: Hiển thị khi đầu ra điều khiển đóng van đ-ợc hoạt động. OP1: Hiện lên khi đầu ra điều khiển chính hoạt động AL1: Hiện lên khi hệ thống có sự cố Hiển thị khi màn hình thứ 2, hiển thị % công suất đầu ra DEV: Hiện lên khi xuất hiện độ chênh llệch giữa nhiệt độ quá trình điểm đặt. CUR: Hiện lên khi màn hình thứ hai chỉ giá trị dòng đất nóng. SEC. Hiện lên khi đầu vào Analog thứ cấp đ-ợc sử dụng Đồ án tốt nghiệp Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt độ 10 1.4. Quan sát sự hoạt động 1.4.1. Công suất bộ điều khiển tăng. Khi công suất ở trên mức đ-ợc dùng, bộ điều khiển sẽ làm trễ lại sự chỉ thị và hoạt động điều khiển hiện thời trong khoảng 5 giây để tiến hành kiểm tra lại. Hoạt động này đ-ợc bộ điều khiển thực hiện tự động với tốc độ rất cao nhằm nhanh chóng tìm ra nguyên nhân đồng thời nó sẽ hiển thị tất cả các thông tin cơ bản lên 2 màn hình và các bộ chỉ thị. Ban đầu nó sẽ làm sáng tất cả các màn hình và hiển thị các dụng cụ chỉ báo (để ng-ời vận hành có thể biết đ-ợc trạng thái của hệ thống) và tiến hành kiểm tra lại tất cả các chức năng đang hoạt động. Sau đó bộ điều khiển sẽ hiển thị kiểu senson trên màn hình chính để kiểm tra lại sự khai báo, l-u chọn Jum có đúng với thực tế trong hoạt động không. Đồng thời nó xem xét lại ch-ơng trình hoạt động của hệ thống. Nếu sai sót bên trong đ-ợc tìm thấy thì bộ điều khiển sẽ hiển thị thông tin đó lên cho đến khi sai sót đó đ-ợc sửa chữa (khi nó không tự sửa chữa đ-ợc). Sau sự kiểm tra và bổ sung một cách tuần tự nh- vậy, bộ điều khiển lại bắt đầu hoạt động điều khiển dựa trên sự tính toán của bộ PID. 1.4.2. Công suất bộ điều khiển giảm. Nếu nh- công suất bộ điều khiển đột nhiên giảm, thì nó sẽ tự động ghi lại trạng thái hoạt động ổn định (ghi lại những tham số và chế độ điều khiển). Điều này sẽ giúp bộ điều khiển đ-a ra đáp ứng đầu ra nhanh và chính xác hơn nếu sau đó có sự tăng công suất của bộ điều khiển. 1.4.3. Khởi động hệ thống. Sau khi hệ thống đ-ợc khởi động, bộ PID với các thông số đ-ợc đặt sẽ tiến hành điều khiển hệ thống nhằm đ-a ra đáp ứng tốt nhất. Sự điều khiển này bao gồm: Sự điều khiển của hệ số tỷ lệ, hằng số thời gian tích phân, hằng số thời gian vi phân (bộ điều khiển có thể đ-ợc tính toán chỉnh định một lần nh-ng nhất thiết phải chỉnh định lại nếu nh- hệ thống có sự thay đổi quan trọng có một vài cách để chỉnh định các tham số trong bộ PID nh- sau: a. Sử dụng bộ điều khiểu ở chế độ tự chỉnh định tham số (Auto - Tune) [...]... dựng hệ thống điều khiển nhiệt độ nhiệt độ Độ trễ AL out put: OFF LED: OFF out put: ON LED: ON out put: OFF LED: OFF out put: ON LED: ON Hoạt động cảnh báo 2 Nhiệt độ Độ trễ SP+AL SP out put: OFF LED: OFF out put: ON LED: ON out put: OFF LED: OFF out put: ON LED: ON Hoạt động cảnh báo 3 với giá trị AL d-ơng Nhiệt độ S P 31 SP+A Độ trễ Đồ án tốt nghiệp Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt độ Hoạt động... của ng-ời thiết kế (hay vận hành) hệ thống Tham số ANAS có thể đ-ợc đặt ở : - OP : % công suất ra - INP : đầu vào của quá trình khác - DEV : độ chênh lệch nhiệt độ - Sp : giá trị điểm đặt - DE 2 : độ chênh lệch của vòng thứ 2 (chỉ điều khiển tầng) - SP-2 : điểm đặt nhiệt độ của vòng thứ 2 (chỉ điều khiển tầng) 25 Đồ án tốt nghiệp Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt độ Điều này cho phép TCU có thể giao... cho hệ thống tránh đ-ợc sự can thiệt xấu vào ch-ơng trình điều khiển Từ chế độ hiển thị bình th-ờng, ấn PAR để chuyển sang chế độ này với điều khiển là s- ngăn cản xâm nhập vào ch-ơng trình đ-ợc sử dụng Muốn chuyển sang chế độ không bảo vệ tham số để vào đặt lại hệ thống thì cần phải nhập 1 mã phù hợp với mã đặt trong chế độ không bảo vệ tham số 16 Đồ án tốt nghiệp Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt độ. .. chế độ tự động - điều khiển bằng tay + Bắt đầu/ phân huỷ chế độ tự chỉnh định + Reset lại hệ thống cảnh báo Nút PAR để quét hết tham số trong chế độ này và nút UP & DOWN để lựa chọn chức năng điểu khiển thích hợp ấn PAR để trở về chế độ hiển thị bình th-ờng trong khi chức năng điểu khiển lựa chọn đang đ-ợc thực hiện 17 Đồ án tốt nghiệp Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt độ Nếu ấn DSP hoặc không tác động... đ-ợc tác động bên ngoài nhằm thay đổi những lựa chọn của ng-ời vận 11 Đồ án tốt nghiệp Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt độ hành là yêu cầu rất cần quan trọng Chính vì điều này mà bộ điều khiển đã phân chia ra thành 4 chế độ với những tham số và sự can thiệp vào hệ thống khác nhau Chế độ hiển thị bình th-ờng, chế độ không bảo vệ tham số, chế độ bảo vệ tham số, chế độ ẩm ấn và giữ 3s Chế độ không bảo... value 1.5.2 Chế độ hiển thị bình th-ờng 13 Đồ án tốt nghiệp Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt độ ở chế độ hiển thị bình th-ờng (khi start hay restart bộ điều khiển luôn ở chế độ này) nhiệt độ quá trình luôn luôn đ-ợc hiển thị trên màn hình chỉnh Bằng cách ấn liên tiếp nút DSP thì các tham số hoạt động của hệ thống sẽ lần l-ợt đ-ợc quan sát màn hình thứ 2 Các tham số đó là + Nhiệt độ đặt + % công suất... đổi đột ngột nhiệt độ cho bộ xử lý và giảm đ-ợc độ quá điều chỉnh khi khởi động TCU đ-a ra tham số SPrP (đơn vị độ / phút) 21 Đồ án tốt nghiệp Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt độ SP(điểmđặt) SP 500 30o/ phút 200 điểm đặt đầu tiên t Bảng tham chiếu các tham số (Các giá trị trong() là giá trị mặc định) Hiển thị Tham số Phạm vi hoạt động và các thành phần TYPE Kiểu đầu vào SCALL Đơn vị đo nhiệt độ Độ. .. OP2 OFF; -100% thì OP2 ON và OP1 OFF Độ trễ của chế độ điều khiển ON/OFF (CHYS) Bộ điều khiển có thể làm việc ở chế độ điều chỉnh ON/OFF bằng cách đặt hệ số tỷ lệ (trong bộ điều khiển PID) ở 0 o Độ trễ điều khiển chỉ có thể điều chỉnh đ-ợc đầu ra điều khiển chính (OP1) Giá trị CHYS từ 1o đến 250o Có thể đặt độ trễ nhỏ nhất nhằm loại trừ đến mức tối đa sự dao động quanh giá trị điểm đặt Nhìn chung... Đồ án tốt nghiệp Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt độ 4: lọc lớn nhất với thời gian trễ 2 sec Hằng số hiệu chỉnh tín hiệu vào ( SPAN và SHFt) Nếu nh- nhiệt độ của TCU không phù hợp với độ qui chiếu của thiết bị hay cần chỉnh định nhiệt độ cảm biến thì TCU sẽ bù bằng hai tham số SPAN và SHFt SPAN: 0.001 đến 9.999 SHFt: -9999 đến 9999 Ta có công thức sau Nhiệt độ mong muốn = ( nhiệt độ thực tế thiết... độ này, cần nhập vào đặc tính quá trình mong muốn Có 5 đặc tính (hình vẽ) đ-ợc đánh số tử 0 4 Ng-ời vận hành hay thiết kế hệ thống cần đ-a vào tham số tcod một trong những giá trị từ 0 4 tuỳ theo yêu cầu theo yêu cầu cụ thể Chế độ tự chỉnh định này sẽ ghi nhận 24 Đồ án tốt nghiệp Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt độ tr-ớc đ-ợc đặc tính của đầu ra và điều khiển hệ thống theo đặc tính đó d-ới sự điều