kiểm soát nhiệt độ hoạt động của lò nhiệt

kiểm soát nhiệt độ hoạt động của lò nhiệt

Mục lục:

Chương 1:Tầm quan trọng của đề tài

I / Tầm quan trọng của PLC

- Vào khoảng năm 1968, các nhà sản xuất ô tô đã đưa ra các yêu cầu kỹ thuât đầu tiên

cho thiết bị điều khiển lô gíc khả lập trình Mục đích đầu tiên là thay thế cho các tủ điện khiển cồng kềnh, tiêu thụ nhiều điện năng và thường xuyên phải thay thể các rơ le do hỏng cuộn hút hay gẫy các thanh lò xo tiếp điểm Mục đích thứ hai là tạo ra một thiều bị điều khiển có tính linh hoạt trong việc thay đổi chương trình điều khiển Các yêu cầu kỹ thuật này chính là cơ sở của các máy tính công nghiệp, mà ưu điểm chính của nó là sự lậptrình dễ dàng bởi các kỹ thuật viên và các kỹ sư sản xuất Với thiết bị điều khiển khả lập trình, người ta có thể giảm thời gian dừng trong sản xuất, mở rộng khả năng hoàn thiện

hệ thống sản xuất và thích ứng với sự thay đổi trong sản xuất Một số nhà sản xuất thiết

bị điều khiển trên cơ sở máy tính đã sản xuất ra các thiết bị điều khiển khả lập trình còn gọi là PLC.

- Mọi người thường thích dùng cụm từ “cách mạng công nghiệp ” trong tự động hóa để thu hút sự chú ý của người dùng Nhưng liệu trong tương lai chúng ta có thể chứng kiến những thay đổi toàn diện trong môi trường tự động hóa hay không ? Điều này là rất khó, tuy vậy công nghệ và các sản phẩm được giới thiệu trên thị trường sẽ còn tiếp tục phát triển để đáp ứng nhu cầu về năng suất sản phẩm của người sử dụng Trong quá trình phát triển đó người ta đã tìm ra một giải pháp có thể giúp hạn chế số lượng thiết bị cũng như thiết lập một hệ thống điều khiển một cách dễ dàng hơn đó chính là PLC

- Sự phát triển của các hệ thống PLC không còn phụ thuộc vào sự phát triển của từng thiết bị riêng lẻ nữa Thay vào đó, việc tích hợp công nghệ thông tin (IT) vào tất cả thiết

bị liên quan đến giải pháp tự động hóa sẽ được ưu tiên hàng đầu

- Các bộ điều khiển lập trình (PLCs) là thành phần cốt lõi của kỹ thuật tự động hóa ngày nay Trong khi trước đây, PLC được gắn liền với nhiệm vụ truyền thống của các điều

khiển vòng mở thì ngày nay, nó được sử dụng để thực hiện các chức năng đa dạng với phạm vi ứng dụng rộng rãi hơn Từ đó PLC dần trở thành một thành phần cốt lõi đa chức năng trong mọi giải pháp tự động hóa Trong tương lai, các hệ thống và sản phẩm sẽ còn tiếp tục phát triển để đáp ứng đầy đủ nhu cầu của người sử dụng.

II / Tầm quan trọng của lò nhiệt

- Lò nhiệt được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp, mỗi ngành công nghiệp đều có nhu cầu sử dụng nhiệt với mức độ và công suất khác nhau Các nhà máy như : Nhà máy sản xuất thức ăn gia súc, nhà máy bánh kẹo, sử dụng nồi hơi để sấy sản phẩm Một số nhà máy sử dụng nồi hơi để đun nấu, thanh trùng như nhà máy nước giải khát, nhà máy nước mắm, tương hay dầu thực vật

=> Qua đó ta có thể thấy được để đảm bảo nhiệt độ tạo ra đúng với yêu cầu tính chất công việc thì việc kiểm soát nhiệt độ trong lò nhiệt góp là một việc hết sức cần thiết

Sau đây chúng em xin trình bày một trong những giải pháp được đưa ra nhằm kiểm soát nhiệt độ cũng như tự động hóa qui trình hoạt động của lò nhiệt

Chương 2: Cấu trúc và hoạt động của PLC

- Nguồn có thể tích hợp sẵn bên trong PLC hoặc làm riêng bên ngoài Có nhiều cấp điện

áp khác nhau tùy loại PLC, gồm 110VAC hoặc 220VAC hoặc 24VDC ( Hiện nay có hai cấp điện áp thường được sử dụng là 24VDC và 220V-AC )

3 CPU (Central Proceesoing Unit)

- Đây là bộ xử lý trung tâm làm việc như 1 máy tính, dùng để lưu trữ và xử lý chương trình theo yêu cầu của người lập trình Trang 10

II / PLC RockWell

1 Bộ điều khiển CompactLogix 1769-L32E

- CompactLogix 1769–L32E là một sản phẩm trong dòng sản phẩm 1769–L3x của hãng

Allen Bradley, cung cấp một giải pháp Logix cho các ứng dụng từ nhỏ đến trung bình Thông thường những ứng dụng này yêu cầu hạn chế số lượng I/O và khả năng giao tiếp, các Module được gắn tiếp theo bên phải, Module gắn vào đầu tiên có tên là Local 1 và tăng dần lên

- CompactLogix 1769–L32E cung cấp bộ điều khiển tích hợp cổng giao tiếp Ethernet IP,

RS 232, module 1769 SDN DeviceNet dùng để giao tiếp với mạng DeviceNet, module I/O Digital, Analog

Chú thích các Module

1 1769 L32E Controller (Compact Bus) 5 1769-OB32 Current

Sourcing 24V DC Output (Local 3)

2 Source 6 1769-IF4 Analog Input

2 Các khối cần sử dụng trong việc điều khiển lò nhiệt

* 1769 L32E Controller (Compact Bus).

Run - Tải project hiện tại trên PLC về máy

tính Chương trình đang chạy và cho phép các ngõ ra của PLC hoạt động

Tải chương trình lên PLC hay tải chươngtrình từ PLC về máy tính

Rem - Tải chương trình lên PLC hay tải

chương trình từ PLC về máy tính

- Có thể chuyển về các chế độ Run, Program, Test trong chương trình RSLogix 5000

Đèn chỉ báo Trạng thái đèn Mô tả

RUN Tắt. - PLC đang ở chế độ Program hay Test

Sáng màu xanh - PLC đang ở chế độ Run

FORCE

Tắt - Không có Tag nào bị ép

buộc hoạt động I/O force bị tắt

Sáng màu vàng - I/O force đang kích hoạt

Nhấp nháy màu vàng - Một hay nhiều Bit ở ngõ

vào, ra đang bị ép buộc hoạt động

BAT

Tắt - Đang hoạt động tốt

Sáng màu đỏ - Không có Pin

- Pin còn khoảng 5% và cần được thay thế

I/O

Tắt - Không có thiết bị phần cứng

nào được định cấu hình trong I/O PLC không có chương trình

Sáng màu xanh - PLC đang giao tiếp với các

thiết bị phần cứng được định cấu hình trong I/O

Nhấp nháy màu xanh - Một hay nhiều thiết bị trong

I/O không đáp ứng với PLC

Nhấp nháy màu đỏ - PLC không giao tiếp với bất

OK đầu thì PLC bị lỗi, để xóa lỗi

thì: chuyển khóa từ Sáng màu đỏ - Bộ điều khiển phát hiện lỗi,

cần thực hiện các bước sau để xóa lỗi từ bộ nhớ Tắt, mở lại nguồn điện Đổ chương trình vào PLC Chuyển khóa về chế

độ Run

Sáng màu xanh - PLC đang hoạt động tốt

Nhấp nháy màu xanh - PLC đang lưu trữ hay tải

một chương trình từ bộ nhớ

* Source

* Modul 1769-IQ32 Sinking/Sourcing 24V DC Input:

- Điện áp nhỏ nhất: 10V, điện áp lớn nhất: 30V

- Số lượng ngõ vào: 32, thời gian chuyển trạng thái ON và OFF: 8ms

- Giá trị dòng điện: 1,5mA khi ở trạng thái OFF và 2mA ở trạng thái ON

Cấu trúc Module 1769-IQ32.

* Modul 1769-OB32 Current Sourcing 24V DC Output:

- Điện áp ngõ ra nhỏ nhất: 20,4V DC và lớn nhất: 26,4V DC

- Dòng điện ngõ ra nhỏ nhất: 1mA và lớn nhất là 1A

- Thời gian chuyển trạng thái từ OFF sang ON là 0,1ms, ON sang OFF là 1ms

- Số lượng ngõ ra: 32

Cấu trúc Module 1769-OB32

* 1769-IF4 Analog Input

Phần cứng

- Số ngõ vào: 4 tín hiệu điện áp, 4 tín hiệu dòng điện

- Có 4 kênh lựa chọn mức điện áp: -10V…10V DC, 0…10V DC, 0 …5V DC, 1…5V DC Giá trị dòng điện tại 5V là 105mA

- Có 2 kênh lựa chọn mức dòng điện: 0…20 mA, 4…20mA

Sơ đồ khối : Mô tả nguyên lí thu tín hiệu của khối input analog

Nguyên lí hoạt động :

- Tín hiệu đầu vào được cấp qua bộ đa hợp ( Multiplexer ) 4 sang 1 với 4 tín hiệu đầu vào

từ CH0->CH3 ta có tín hiệu đầu ra khác nhau

- Sau đó tín hiệu dưới dạng analog được đưa qua bộ chuyển đổi Analog / Digital để chuyển từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số

- Tín hiệu số sau khi chuyển đổi được đưa qua bộ điều khiển đa điểm ( MCU ) MCU sẽ xuất ( TXD ) tín hiệu và nhận ( RXD ) tín hiệu hồi tiếp về ( công đoạn này được cách điện thông qua bộ cách li với ASIC )

- ASIC (application-specific integrated circuit ) là vi mạch tích hợp chuyên dụng tín hiệu sau khi đi qua ASIC sẽ được tải lên Bus và truyền vào PLC

Sơ đồ chân và cách kết nối phần cứng trong 1769 – IF4

- Để cấp tín hiệu analog cho khối IF4 ta đưa tín hiệu điện áp vào 2 đầu Vin+ và Vin- ( sửdụng 4 ngõ vào từ V0 đến V3 ) Nối tắt đầu Vin- với đầu ANLG COM tương ứng Chú ý :

- Điện áp 2 đầu cấp cho ngõ vào analog của phải nằm trong khoảng -10V ~ +10V

- Điện áp nguồn nuôi cho khối tối đa 24VDC

Các kiểu kết nối đối với các loại tín hiệu đầu vào khác nhau :

Như hình trên ta có thể thấy có 3 dạng tín hiệu được đưa vào khối input analog

- Dạng 1 dòng điện được đưa trực tiếp vào đầu I in => sự thay đổi dòng điện tác động đếnngõ vào của khối input

- Dạng 2 điện áp chỉ đưa đưa vào V in+

- Dạng 3 điện áp được đưa vào 2 đâu V in+ và Vin- đây là dạng mà chúng ta sẽ tiến hành trong phần thí nghiệm

III / Cấu trúc của lò nhiệt

1 Phần cứng

Do cấu trúc lò nhiệt ngoài thực tế rất phức tạp nên trong phần này chúng ta sẽ sử dụng bộthí nghiệm PT100 để khảo sát :

- PT100 : đo nhiệt độ xuất ra giá trị điện trở

- Cặp nhiệt : đo nhiệt độ xuất ra LED ( giám sát nhiệt độ bóng đèn )

- Bóng đèn sợi đốt : tạo nhiệt độ cho bộ thí nghiệm

- R(T) là điện trở của cảm biến ở nhiệt độ T

- RO là điện trở của cảm biến ở 0oC

- R(T) là điện trở của cảm biến ở nhiệt độ T

- RO là điện trở của cảm biến ở nhiệt độ TO

- β là hằng số có giá trị từ 3000 đến 5000 tùy thuộc vào cách chế tạo

=> Từ phương trình chuyển đổi ta thấy điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ theo hàm mũ hay nói cách khác điện trở không phụ thuộc tuyến tính vào nhiệt độ => không dùng

Thermistor để đo nhiệt độ mà thường dùng trong các mạch cảnh báo quá nhiệt độ hay mạch bù nhiệt

- PTC( Positive temperature coefficient) : Hệ số nhiệt dương =>Tăng điện trở khi nhiệt độ tăng

- NTC(Negative temperature coefficient): Hệ số nhiệt âm =>Giảm điện trở khi nhiệt độ tăng

- Cảm biến nhiệt điện trở có các loại 2 dây, 3 dây, 4 dây là do tùy thuộc vào số lượng cảm biến chứa bên trong mà ta có các dạng mạch cầu wheatstone 1/4, bán phần, toàn phần

- Chúng ta có thể thấy ngõ ra của cảm biến là điện trở nhưng ngõ vào của PLC là điện áp

=> Cần chuyển đổi điện trở ra của bộ đo nhiệt độ PT100 thành điện áp thích hợp đưa vào PLC

- Mắc mạch để tạo mạch nguồn dòng 1mA cung cấp cho PT100 như hình vẽ Với zener 9V, ta chọn R2= (9-0.7)/1mA=8.3k

I/ Kết nối phần cứng

- Trong phần này chúng ta cần lưu ý đến việc kết nối giữa PT100 khối khuyếch đại và giữa khối khuyếch đại và PLC Rockwell

1 PT100 và khối khuyếch đại

- Thực tế sự thay đổi điện trở ở ngõ ra của PT100 rất nhỏ => nếu lấy điện áp ra trực tiếp

từ điện áp đặt vào 2 đầu PT100 thì giá trị sẽ rất thấp Do đó ta cần cho điện áp này qua khối khuyếch đại trước khi cấp vào ngõ vào analog của PLC

2 Khối khuyếch đại và PLC RockWell

Sơ đồ kết nối

II/ Kết nối mạch điều khiển

1 Lưu đồ điều khiển lò nhiệt

thành tín hiệu digital và được lưu nhớ tạm thời tại vùng nhớ trong của PLC Ta dùng giá trị đọc về thông qua Module analog để điều khiển lò nhiệt Tín hiệu của cảm biến được PLC đọc về liên tục để khi nhiệt độ trong lò vượt mức cho phép (70oC) thì trạng thái của Block tạo nhiệt (công suất) sẽ thay đổi trạng thái để nhiệt độ trong lò ở ngưỡng cho phép (50oC – 70oC) Quạt đối lưu giúp cho không khí nóng đều trong lò, giúp cho sản phẩm nhận được lượng nhiệt đều như nhau và cảm biến Pt100 đọc tín hiệu nhiệt về đúng hơn.

On In1 Quạt đối lưu Out1

Off In2 Điện trở nhiệt Out2

- Tín hiệu ngõ vào analog được đọc trực tiếp, vì ta đọc tín hiệu áp nên chân Com và chân

Vin- được nối chung

b mạch động lực:

Rocwell Chưng trình này đựơc dùng để viết chương trình cho một số PLC Rocwell Khi

mở phần mềm lên, ta chọn loại PLC thích hợp dùng để điều khiển lò nhiệt

- Trong PLC RockWell khi việt chương trình cho một PLC nào đó thì chúng ta cần phải khai váo các module cần có để một PLC có thể hoạt động được như trong thực tế Ta vàophần CompactBus Local đề add thêm module cần thiết

nhiệt là module analog 1769-IF4 Tất cả các module đều cần phải đặt tên để PLC có thể hiểu Sau khi add các module trong thư viện ra, các module sẽ được sắp xếp ở các vị trí theo thứ tự tăng dần

- Để tới vị trí soạn thảo chương chương trình ta vào phần MainRoutine

- Trong module analog có 4 kênh đọc tín hiệu analog vào Ở chương trình này ta dùng kênh 1 để kết nối và đcọ tín hiệu vào.Ở mỗi kênh đều có 4 chân V+, V-, Com và chân I+

Do việc điều khiển chỉ cần đọc tín hiệp thay đổi của điện áp nên ta chỉ dùng 3 chân V+, V

-4 nên ta chọn ngỏ vào Local-4:I để đọc tín hiệu ở ngỏ vào In0 ta chọn Ch0Data

- Để vào vùng soạn thảo chương trình ta vào mục MainRoutine Dựa theo cách viết chương trình dạng hình thang ta dùng các lệnh cơ bản như Set (L), Reset (U), và lệnh Compaire (A>=B) (A<=B) ta viết được chương trình như sau:

thế thì trong vùng nhớ analog sẽ thay đổi giá trị Digital từ 0-32000 Đối với cảm biến Pt100, giá trị điện áp thay đổi rơi trên cảm biến thay đổi theo nhiệt độ được khuếch đại lên nhiều lần để đáp ứng với giá trị đọc vào của Module analog Theo việc thiết kế thì nhiệt độ thay đổi từ 23oC ( nhiệt độ môi trường) đến 70oC ( nhiệt độ ngắt điện trở nhiệt của lò nhiệt),lúc đó điện áp sẽ thay đổi từ (1-10 V) ứng với các mốc 50oC là 5.7V và 70oC

là 10V, tương ứng với giá trị ghi vào vùng nhớ analog của PLC là: 50oC – 18000, 70oC –

32000 Ta gán hai giá trị mốc tác động vào hai biến Set_lo_nhiet và Reset_lo_nhiet

- Quá trình hoạt động của chương trình điều khiển hoạt động như sau: khi nhấn On thì lò nhiệt hoạt động, quạt đối lưu bắt đầu quay Nhiệt độ đọc vào thông qua cảm biến Pt100 điqua mạch khuếch đại điện áp, đi vào module analog sẽ thay đổi giá trị Giá trị này sẽ được so sánh với giá trị đặt trước (Set_lo_nhiet, Reset_lo_nhiet) Vì thế khi nhiệt độ

<=50 oC thì điện trở nhiệt được đốt nóng, cho tới khi tới 70oC thì ngắt điện trở nhiệt cho

Hướng phát triển :

- Kỹ thuật điều khiển đã được phát triển trong thời gian rất lâu Trước kia việc điều khiển hệ thống chủ yếu do con người thực hiện Gần đây, việc điều khiển được thực hiện nhờ vào các ứng dụng của ngành điện, thực hiện bằng việc đóng ngắt tiếp điểm relay Các relay sẽ cho phép đóng ngắt công suất không cần dùng công tắc cơ khí Ta thường sửdụng relay để tạo nên các thao tác điều khiển đóng ngắt logic đơn giản Sự xuất hiện của máy tính điện tử đã tạo một bước tiến mới trong điều khiển – Kỹ thuật điều khiển lập trình PLC PLC xuất hiện vào những năm 1970 và nhanh chóng trở thành sự lựa chọn choviệc điều khiển sản xuất

- Ngày nay chúng ta có thể thấy PLC trong hàng nghìn ứng dụng công nghiệp Chúng được sử dụng trong công nghiệp hoá chất, công nghiệp chế biến dầu, công nghiệp thực phẩm, công nghiệp cơ khí, công nghiệp xử lý nước và chất thải, công nghiệp dược phẩm, công nghiệp dệt may, nhà máy điện hạt nhân, trong công nghiệp khai khoáng, trong giao thông vận tải, trong quân sự, trong các hệ thống đảm bảo an toàn, trong các hệ thống vận chuyển tự động, điều khiển rô bốt, điều khiển máy công cụ CNC vv Các PLC có thể được kêt nối với các máy tính để truyền, thu thập và lưu trữ số liệu bao gồm cả quá trình điều khiển bằng thống kê, quá trình đảm bảo chất lượng, chẩn đoán sự cố trực tuyến, thayđổi chương trình điều khiển từ xa Ngoài ra PLC còn được dùng trong hệ thống quản lý năng lượng nhằm giảm giá thành và cải thiện môi trường điều khiển trong các các hệ thống phục vụ sản xuất, trong các dịch vụ và các văn phòng công sở

- Sự ra đời của máy tính cá nhân PC trong những năm tám mươi đã nâng cao đáng kể tínhnăng và khả năng sử dụng của PLC trong điều khiển máy và quá trình sản xuất Các PC giá thành không cao có thể sử dụng như các thiêt bị lập trình và là giao diện giữa người vận hành và hệ thống điêu khiển Nhờ sự phát triển của các phần mềm đồ hoạ cho máy

nghĩa đặc biệt quan trọng đối với các máy CNC, vì nó tạo cho ta khả năng mô phỏng trước quá trình gia công, nhằm tránh các sự cố do lập trình sai Máy tính cá nhân PC và PLC đều được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển sản xuất và cả trong các hệthống dịch vụ.

- PLC được sản xuất bởi nhiều hãng khác nhau trên thế giới Về nguyên lý hoạt động, cácPLC này có tính năng tương tự giống nhau, nhưng về lập trình sử dụng thì chúng hoàn toàn khác nhau do thiết kế khác nhau của mỗi nhà sản xuất PLC khác với các máy tính làkhông có ngôn ngữ lập trình chung và không có hệ điều hành Khi được bất lên thì PLC chỉ chạy chương trình điều khiển ghi trong bộ nhớ của nó, chứ không thể chạy được hoạt động nào khác Một số hãng sản xuất PLC lớn có tên tuổi như: Siemens, Toshiba,

Mishubisi, Omron, Allan Bradley, Rocwell, Fanuc là các hãng chiếm phần lớn thị phần PLC thế giới Các PLC của các hãng này được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp sử dụng công nghệ tự động hoá

Ưu điểm :

* Các thiết bị điều khiển PLC tạo thêm sức mạnh, tốc độ và tính linh hoạt cho các hệ thống công nghiệp Bằng sự thay thế các phần tử cơ điện bằng PLC, quá trình điều khiển trở nên nhanh hơn, rẻ hơn, và quan trọng nhất là hiệu quả hơn PLC là sự lựa chọn tốt hơn các hệ thống rơ le hay máy tính tiêu chuẩn do một số lý do sau:

-Tốn ít không gian: Một PLC cần ít không gian hơn một máy tính tiêu chuẩn hay tủ điều