Xây dựng hệ thống giám sát , điều khiển , ổn định nhiệt độ lò nhiệt

MỤC LỤCMỤC LỤC1LỜI MỞ ĐẦU3CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ LÒ NHIỆT VÀ HỆ THỐNGĐIỀU KHIỂN LÒ NHIỆT61.1.Tổng quan về lò nhiệt61.2.Hệ thống điều khiển lò nhiệt.71.3 Chế độ điều khiển PID.91.4 Chế độ điều khiển ONOFF.13CHƯƠNG II : GIỚI THIỆU VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ152.1.Giới thiệu bộ điều khiển PL S7200152.2.Giới thiệu về đồng hồ nhiệt Delta(DTA)172.2.1.Bộ điều khiển nhiệt độ172.2.2.Đồng hồ nhiệt Delta DTA48481182.3. Cảm biến đo nhiệt độ222.4. Bộ biến đổi điện áp.25CHƯƠNG III : XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM293.1 Tổng quan về mạng truyền thông công nghiệp Mudbus293.1.1Giaothứctruyềnthông293.1.2Cácchuẩntruyềntrongcôngnghiệp323.2 Mạng truyền thông MODBUS343.2.1.Khái niệm tổng quát về mạng truyền thông Modbus343.2.2 Cấu trúc đoạn tin trong giao thức mạng Modbus383.3. PLC S7200553.4 Giới thiệu phần mềm điều khiển và giám sát573.4.1 Giới thiệu Wincc573.4.2 Giới thiệu PC Access643.5. Xây dựng mô hình điều khiển663.5.1. Mô hình tổng quát của hệ thống điều khiển và giám sát lò nhiệt663.5.2 Tính chọn các thiết bị trong mô hình683.6 Chương trình PLC743.7 Giao diện điều khiển và giám sát wincc81CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN83TÀI LIỆU THAM KHẢO :84

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ LÒ NHIỆT VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LÒ NHIỆT 6

1.1.Tổng quan về lò nhiệt 6

1.2.Hệ thống điều khiển lò nhiệt 7

1.3 Chế độ điều khiển PID 9

1.4 Chế độ điều khiển ON/OFF 13

CHƯƠNG II : GIỚI THIỆU VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ 15

2.1.Giới thiệu bộ điều khiển PL S7-200 15

2.2.Giới thiệu về đồng hồ nhiệt Delta(DTA) 17

2.2.1.Bộ điều khiển nhiệt độ 17

2.2.2.Đồng hồ nhiệt Delta DTA48481 18

2.3 Cảm biến đo nhiệt độ 22

2.4 Bộ biến đổi điện áp 25

CHƯƠNG III : XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 29

3.1 Tổng quan về mạng truyền thông công nghiệp Mudbus 29

3.1.1Giao thức truyền thông 29

3.1.2 Các chuẩn truyền trong công nghiệp 32

3.2 Mạng truyền thông MODBUS 34

3.2.1.Khái niệm tổng quát về mạng truyền thông Modbus 34

3.2.2 Cấu trúc đoạn tin trong giao thức mạng Modbus 38

3.3 PLC S7-200 55

3.4 Giới thiệu phần mềm điều khiển và giám sát 57

3.4.1 Giới thiệu Wincc 57

3.4.2 Giới thiệu PC Access 64

3.5 Xây dựng mô hình điều khiển 66

3.5.1 Mô hình tổng quát của hệ thống điều khiển và giám sát lò nhiệt 66

3.5.2 Tính chọn các thiết bị trong mô hình 68

3.6 Chương trình PLC 74

3.7 Giao diện điều khiển và giám sát wincc 81

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 83

TÀI LIỆU THAM KHẢO : 84

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Nguyên tắc điều khiển hồi tiếp 7

Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống 8

Hình 2.1.1: S7-200 CPU224XP AC/DC/RLY 16

Hình 2.2: Đồng hồ nhiệt Delta DTA 20

Hình 2.3: Cảm biến PT100 24

Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lí mạch chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển 26

Hình 2.4: Giản đồ 28

Hình 3.1: Mô hình phân cấp chức năng công ty sản xuất công nghiệp 29

Hình 3.2: Mô hình qui chiếu ISO/OSI 31

Hình 3.3: Sơ đồ kết nối giữa PLC và PC theo chuẩn truyền RS232 32

Hình 3.4: Cách truyền dữ liệu theo chuẩn RS485 33

Hình 3.5: Giao thức Modbus và mô hình OSI 35

Hình3.6:Modbus RTU 36

Hình 3.7: Modbus ASCII 37

Hình 3.8: Modbus TCP/IP 37

Hình 3.9:Sơ đồ cấu trúc bên trong của plc S7-200 57

Hình 3.10: Giao diện chính của Wincc 58

Hình 3.11: Lựa chọn kiểu Project cần tạo 59

Hình 3.12: Cách tạo kênh Driver kết nối 60

Hình 3.13: Cách tạo Driver kết nối vào mạng tương thích 61

Hình3.14: Khai báo các thông số kết nối 61

Hình 3.15: Tạo một Tag Group mới 62

Hình3.16: Tạo một Tag mới 63

Hình3.17: Tạo một Picture 63

Hình 7 picture được tạo 64

Hình 3.5.1: Lò nhiệt trong mô hình 68

Hình 3.5.2 đèn gia nhiệt 70

Hinh 3.5.3 pt 100 72

Hình 3.7.1 Giao diện điều khiển và giám sát trên WinCC 81

Hình 3.7.2: Mô hình hoàn chỉnh 82

LỜI MỞ ĐẦU

Trong nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp hiện nay, nhất là ngành côngnghiệp luyện kim, chế biến sản phẩm…vấn đề đo và khống chế nhiệt độ đặc biệtđược chú trọng đến vì nó là một yếu tố quyết định đến chất lượng của sản phẩm

Với tính thực tế của vấn đề trên, chúng em đã được giảng viên Nguyễn Bá Khá

giao cho thực hiện đề tài:

“Xây dựng hệ thống giám sát , điều khiển , ổn định nhiệt độ lò nhiệt.”

Đồ án của chúng em được thực hiện trong 4 chương:

1 Tổng quan về lò nhiệt và hệ thống điều khiển lò nhiệt

2 Giới thiệu về bộ điều khiển và cảm biến đo nhiệt độ

3 Xây dung mô hình thực nghiệm

4 Kết luận

Để hoàn thành Đồ án tốt nghiệp này, cả nhóm đã nhận được sự chỉ bảo và hướng

dẫn tận tình của giảng viên Nguyễn Bá Khá cùng sự giúp đỡ của các thầy cô giáo

trong khoa Điện - Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

Mặc dù cả nhóm đã rất cố gắng để hoàn thành đồ án nhưng không thể tránh khỏinhững thiếu sót, mong thầy cô cùng các bạn đóng góp ý kiến cho đồ án của cảnhóm đạt được hiệu quả cao

Nhóm sinh viên thực hiện

Trần Thị Giỏi MSV: 0741040076 Trần Quốc Dũng MSV: 0741040038 Ngô Đắc Đạt MSV: 0741040026 Đinh Tiến Dũng MSV: 0741040043 Phạm Thị Hà MSV: 0741040015

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ LÒ NHIỆT VÀ HỆ THỐNG

ĐIỀU KHIỂN LÒ NHIỆT

1.1.Tổng quan về lò nhiệt

Nhiệt độ là một đại lượng vật lý,nó hiện diện khắp nơi cả trong sản xuất lẫnsinh hoạt hàng ngày Quá trình đo và kiểm soát nhiệt độ trong sản xuất công nghiệpđóng vai trò to lớn trong hệ thống điều khiển tự động, góp phần quyết định chấtlượng sản phẩm.Khi thu thập dữ liệu cho quá trình điều khiển và giám sát trong nhàmáy thì nhiệt độ là một thông số không thể bỏ qua.Tùy theo yêu cầu và tính chấtcủa quá trình điều khiển mà ta sử dụng phương pháp điều khiển thích hợp.Tínhchính xác và ổn định nhiệt độ cũng đặt ra vấn đề cần giải quyết.Hệ thống điềukhiển nhiệt độ thường được chia làm hai loại:

+Hệthống điều khiển hồi tiếp (feedback control system): thường xác định và giámsát 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 bướcđiều khiển tùy theo hoạt động điều khiển trước khi xác định tuần tự

Một hệ thống muốn đạt được độ chính xác cần thiết cần thiết phải thực hiện hồitiếp,tín hiệu phản hồi về so sánh với tín hiệu vào và sai lệch sẽ được đưa tới bộđiều chỉnh đầu ra Hệ thống điều khiển này có nhiều ưu điểm được sử dụng nhiềutrên thực tế trong các hệ thống điều khiển tự động Dạng tổng quát của hệ thốngđiều khiển được mô tả trên nguyên tắc như hình sau:

Hình 1.1: Nguyên tắc điều khiển hồi tiếp

1.2.Hệ thống điều khiển lò nhiệt.

Trong đồ án này chúng em thực hiện yêu cầu xây dựng mô hình điều khiển vàgiám sát hệ thống lò nhiệt sử dụng mạng truyền thông Modbus.Với sự phát triểncủa khoa học kỹ thuật điều khiển tự động, hiện nay việc điều khiển nhiệt độ của lònhiệt trở nên đa dạng hơn về công nghệ và do đó có nhiều sự lựa chọn hơn vềphương pháp nhưng chúng em sử dụng mạng truyền thông Modbus do các ưu điểmsau:

- Có thể điều khiển và giám sát hệ thống lò nhiệt ở khoảng cách xa

- Sử dụng phương thức truyền Master/Slave nên có thể điều khiển và giám sát tớinhiều lò nhiệt mà chỉ cần dùng 1 đường truyền dẫn duy nhất

- Sử dụng cable đôi dây xoắn nên có khả năng chống nhiễu cao

- Đấu nối đơn giản, Modbus linh hoạt, và dễ thực hiện

Sơ đồ khối hệ thống hệ thống

Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống

Nguyên lý hoạt động:

Khi được cấp nguồn bộ điều khiển sẽ điều khiển bộ biến đổi điện áp cấp điện

áp phù hợp cho thiết bị gia nhiệt làm nóng lò nhiệt để đạt đến nhiệt độ đặt ban đầu.Các cảm biến ở lò nhiệt luôn luôn đo nhiệt độ của các lò nhiệt và trả về cho bộ điềukhiển nhiệt độ, bộ điều khiển nhiệt độ sẽ thực hiện so sánh nhiệt độ của lò đã đạtđược và nhiệt độ đặt ban đầu để điều khiển bộ biến đổi điện áp cung cấpđiện ápphù hợp cho thiết bị gia nhiệt ổnđịnh nhiệt độ lò nhiệt quanh giá trị đặt ban đầu.Chu trình này diễn ra liên tục nên nhiệt độ của lò nhiệt sẽ được ổn định

PLC có chức năng đọc giá trị nhiệt độ đo được từ các Slave( bộ điều khiểnnhiệt độ ) sau đó truyền lênWinCC để thực hiện giám sát, và nếu có yêu cầu đặtnhiệt đồ từ WinCC xuống thì PLC sẽ thực hiện ghi giá trị đặt vào các ô nhớ của bộđiều khiển nhiệt độ thay đổi giá trị đặt của các lò nhiệt

1.3 Chế độ điều khiển PID.

PID-Proportional Integral Derivative (bộ điều khiển tỉ lệ vi tích phân ) là 1

thuật ngữ để chỉ cơ chế điều khiển vòng phản hồi

- Ưu điểm: điều khiển với độ chính xác cao, tiết kiệm năng lượng tối đa, đảm bảo

- Phạm vi ứng dụng: có thể nói ngày nay PID đã xâm nhập vào hầu hết các ứng dụng điều khiển (ko chỉ nhiệt độ mà còn nhiều lĩnh vực khác) Tuy nhiên nõ vẫn được ưu tiên hơn cả khi hệ thống yêu cầu độ chính xác cao, khoảng thay đổi nhiệt cho phép nhỏ

Thông thường khi sử dụng bộ điều khiển nhiệt có chế độ điều khiển PID thì luôn cókèm theo chức năng Tự động điều chỉnh (Auto Tuning) Chức năng này sẽ tự động điều chỉnh các tham số P, I và D sao cho hệ thống đạt hiệu năng cao nhất Tuy nhiên, trong 1 số trường hợp thì người sử dụng vẫn phải điều khiển bằng tay

(Manual) các tham số này

Bộ điều khiển PID gồm 3 thành phần : tỉ lệ (p), vi phân (D), tích phân (I)

- Thành phần tỉ lệ P

Tín hiệu điều khiển u(t) tỉ lệ sai lệch (e)

Phương trinh sai phân mô tả động học:

u(t) = Km e(t)

Trong đó: u(t) tín hiệu ra của bộ điều khiển

e(t) tín hiệu vào

km hệ số khuyêch đại của bộ điều khiển

- Thành phần tích phân (I)

Tín hiệu điều khiển u(t) tỉ lệ với tích phân tín hiệu sai lệch e(t)

Phương trình vi phân mô tả dộng học:

e (t) dt

Trong đó: U(t) tín hiệu điều khiển

e(t) tín hiệu của bộ điều khiển

Ti hắng số thời gian tích phân

Trong đó: e(t) tín hiệu vào của bộ điều khiển

U(t) tín hiệu điều khiển

Td hằng số thời gian vi phân

- Phương trình vi phân mô tả tín hiệu vào ra PID:

U(t) tín hiệu ra của bọ điều khiển

Kp hệ số khuyêch đại

Td hằng số thời gian vi phân

Ti hằng số thời gian tích phân

-Các phương pháp xách định tham số kp , Ti , Td

Cấu trúc:

-Xác định tần số bằng thực nghiệm: công thức Zigler-Nichol

Hàm truyền:

Gcs =kp+k i

s kDs = Kp (1+ T1

i s +TD.s) -Đối tượng có đáp ứng đối với tín hiệu vào là hàm nấc có dang chữ S (ví dụ :nhiệt

Biến đổi laplace ta được:

1.4 Chế độ điều khiển ON/OFF.

Có thể dễ dàng nhận thấy đây là chế độ điều khiển đơn giản nhất, được sửdụng từ khá lâu và hiện nay vẫn còn được ứng dụng khá nhiều trong các ngànhkhác nhau

Ưu điểm của chế độ này là điều khiển đơn giản, dễ hiểu Tuy nhiên nó lại cónhược điểm là độ chính xác không cao, độ quá nhiệt lớn gây tổn thất năng lượng

Về nguyên lí hoạt động của chế độ ON/OFF thì khá đơn giản: bộ điều khiển sẽ tácđộng đầu ra nếu nhiệt độ môi trường đo vượt qua giá trị đặt (Có thể tác động khinằm trong phạm vi dải trễ mà chưa cần tới giá trị đặt-nếu như người dùng có cài đặtdải trễ) Và thông thường thì chế độ ON/OFF sẽ tương ứng với loại đầu ra điềukhiển là dạng Role

Với những đặc điểm như trên thì chế độ điều khiển ON/OFF thường được ứngdụng trong những hệ thống điều khiển nhiệt quy mô lớn, cho phép độ quá nhiệt cao

và ít có sự thay đổi nhiệt độ; ví dụ như: hệ điều khiển lò nhiệt, tủ lạnh, quạt…

CHƯƠNG II : GIỚI THIỆU VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ CẢM BIẾN

ĐO NHIỆT ĐỘ

2.1.Giới thiệu bộ điều khiển PL S7-200

PLC, (viết tắt của programable logic controller) là thiết bị điều khiển logic lập

trình được, hay thiết bị logic khả trình cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toánđiều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình Như vậy với chương trình điềukhiển trong PLC trở thành bộ điều khiển số nhỏ gọn có thể dễ dàng thay đổi thuậttoán điều khiển và trao đổi thông tin với môi trường bên ngoài ( PLC khác hoặcmáy tính ) S7-200 là thiết bị điều khiển logic khả trình của hãng Siemens ( CHLBĐức ), có cấu trúc kiểu module và có các module mở rộng Các module này được

sử dụng với những mục đích khác nhau Toàn bộ nội dung chương trình được lưutrong bộ nhớ của PLC, trong trường hợp dung lượng bộ nhớ không đủ ta có thể sửdụng bộ nhớ ngoài để lưu chương trình và dữ liệu (Catridge ) Dòng PLC S7-200

có hai họ là 21X ( loại cũ ) và 22X ( loại mới ), trong đó họ 21X không còn sảnxuất nữa Họ 21X có các đời sau: 210, 212, 214, 215-2DP, 216; họ 22X có các đờisau: 221, 222, 224, 224XP, 226, 226XM

Ưu điểm của PLC

- Có kích thước nhỏ, được thiết kế và tăng bền để chịu được rung động, nhiệt, ẩm

và tiếng ồn, đáng tin cậy

- Có giá thành thấp so với cácứng dụngđiều khiển cho hệ thống phức tạp

- Dễ dàng và nhanh chóng thay đổi cấu trúc của mạchđiều khiển

- PLC có các chức năng kiểm tra lỗi, chuẩnđoán lỗi

- Có thể nhân đôi cácứng dụng nhanh vàít tốn kém

Những phần cơ bản của một PLC gồm:

- Bộ nguồn: cung cấp nguồn thiết bị và các module mở rộng được kết nối vào

- CPU: thực hiện chương trình và dữ liệu để điều khiển tự động các tác vụ hoặc quátrình.

- Các vùng nhớ

- Các ngõ vào/ra: gồm có các ngõ vào/ra số, vào/ra tương tự Các ngõ vàodùng để quan sát tín hiệu từ bên ngoài đưa vào (cảm biến, công tắc), ngõ ra dùng

để điều khiển các thiết bị ngoại vi trong quá trình

- Các cổng/module truyền thông (CP: Communication Professor): dùng để nốiCPU với các thiết bị khác để kết nối thành mạng, xử lý thực hiện truyền thông giữacác trạm trong mạng

- Các loại module chức năng (FM: Function Module) Ví dụ các module điềukhiển vòng kín, các module thực hiện logic mờ…

Hình ảnh PLC S7-200 ngoài thực tế:

Hình 2.1.1: S7-200 CPU224XP AC/DC/RLY

Ta chọn PLC S7 200 loại CPU 224XP (6ES7214-2BD23-0XB0):

- Nguồn cung cấp: 220VAC

- Đầu vào (input): I0.0 I0.7,I1.0I1.5,I2.0 I2.7

- Đầu ra (output): Q0.0 Q0.7,Q1.0 Q1.1

- Bộ đệm ảo đầu vào: I0.0 I15.7 (128 đầu vào)

- Bộ đệm ảo đầu ra: Q0.0 Q15.7 (128 đầu ra)

- Đầu vào tương tự: AIW0 AIW62

- Đầu ra tương tự: AQW0 AQW62

- Vùng nhớ thanh ghi tổng: AC0  AC3

- Khả năng quản lí Label:0  255

- Khả năng quản lí chương trình con: 0  63

- Khả năng quản lí chương trình ngắt: 0  1270

2.2.Giới thiệu về đồng hồ nhiệt Delta(DTA)

2.2.1.Bộ điều khiển nhiệt độ

Bộ điều khiển nhiệt độ là một công cụ được sử dụng để điều khiển nhiệtđộ.Bộ điều khiển nhiệt độ có một đầu vào từ bộ cảm biến nhiệt độ và có một đầu rađược kết nối với một phần tử điều khiển như một lò nhiệt hoặc quạt

Để kiểm soát quá trình điều khiển nhiệt độ chính xác mà không cần đến sựtham gia điều khiển rộng rãi, một hệ thống kiểm soát nhiệt độ dựa trên một bộ điềukhiển,cái mà chấp nhận một cảm biến nhiệt độ như một cặp nhiệt điện hoặc RTD

Nó so sánh nhiệt độ thực tế để kiểm soát nhiệt độ mong muốn, hoặc điểm đặt,

và cung cấp một đầu ra cho một bộ phận kiểm soát Bộ điều khiển là một phần của

toàn bộ hệ thống điều khiển, và toàn bộ hệ thống này nên được phân tích trong việclựa chọn bộ điều khiển thích hợp Các mục sau đây cần được xem xét khi lựa chọnmột bộ điều khiển:

1 Loại cảm biến đầu vào (cặp nhiệt, RTD) và phạm vi nhiệt độ

2 Loại đầu ra được yêu cầu (relay điện, SSR, đầu ra analog)

3 Thuật toán điều khiển (ON/OFF, theo tỷ lệ, PID)

4 Số và loại đầu ra (nhiệt, mát mẻ, báo động, giới hạn)

Trong các bộ điều khiển nhiệt ta thường thấy 2 chế độ điều khiển là điều khiển ON/OFF và điều khiển PID Ngoài ra còn có thêm 1 số chế độ khác (Thực chất cũng là PID nhưng có 1 thành phần bị lược bỏ, ví dụ như chế độ điều khiển Tỉ lệ P hay PI, PD)

Trong đồ án này chúng em sử dụng bộ điều khiển là đồng hồ nhiệt DeltaDTA4848C1

2.2.2.Đồng hồ nhiệt Delta DTA48481

a Đặc điểm

Đồng hồ nhiệt Delta DTA được thiết kế dành cho các ứng dụng thực tế với 3 dạng tín hiệu ngõ ra thường xuyên nhất trong công nghiệp và tích hợp nhiều chức năng hỗ trợ cùng với cấu trúc transmission, đảm bảo việc chuyển dữ liệu nhanh và

ổn định

b Tính năng kỹ thuật của đồng hồ nhiệt Delta DTA:

-Đồng hồ nhiệt Delta DTA có các chế độ điều khiển ngõ vào: PID, ON/OFF,bằng tay

-Chế độ tự động chọn/điều chỉnh thông số PID

-Tích hợp nhiều loại cảm biến khác nhau (B, E, J, K, L, N, R, S, T, U, TXK)and platinum RTD (PT100, JPT100) có thể chọn trên thông số cài đặt

-Đồng hồ nhiệt DTA với 2 nhóm Alarm với 13 chế độ cho mỗi nhóm

-Hiển thị nhiệt độ 0C, 0F (Celsius hoặc Fahrenheit)

-Các chức năng khóa phím: (1 Khóa tất cả các phím, 2 Chỉ khóa phím chứcnăng, phím lên/xuống vẫn hoạt động bình thường)

-Kích cỡ: 4848, 4896, 9696, 7272

-Chọn thêm tiện ích: cổng truyền thông RS485 (Modbus ASCII, RTU, baudrate: 2,400 ~ 38,400)

-Chọn thêm chức năng biến dòng CT, ngõ ra cảnh báo (Alarm)

-Thời gian lấy mẫu của cảm biến (sensor) 0.5giây/lần

-Bộ điều khiển nhiệt DTA với các chứng chỉ chất lượng: IP5X, CE, UL

c Ứng dụng

Đồng hồ nhiệt Delta DTA ứng dụng cho: hệ thống gia nhiệt, quạt thông giótrong hệ thống thông gió trung tâm, hệ thống gia nhiệt….

Hình 2.2: Đồng hồ nhiệt Delta DTA

ioF: giá trị mặc định của lượng tích phân khi ở chứcnăng điều khiển PID và thời gian tích phân là mộtgiá trị xác định khác 0 , AT có thể tự điều chỉnh cácthông số này (điều chỉnh PID và Ki ≠ 0 )

CLPD : cài đặt chu kì điều khiển PID cho quá trìnhlàm lạnh

CRHI : độ lệch dòng ngõ ra cho phép tối đa 20mA 0CRLO : độ lệch dòng ngõ ra cho phép tối đa 20mA 0

Thiết lập chế độ cài đặt : thiết lập chế dộ điều khiển của bộ điều khiển nhiệt

độ và các thông số điều khiển

INPUT : lựa chọn loai cảm biến nhiệt (tìm hiểu đầu

dò trong bảng liệt kê “ kiểu đầu dò và dãy nhiệt độ” )

PT2UNIT : chọn đơn vị nhiệt độ hiển thị oC và oF CT-HIGH : giới hạn trên của nhiệt độ 500.0

CONTROL : chọn chế độ điều khiên PID ON/OFF hoặc chế độ điều khiển bằng tay trên dòng hiển thị SV

PID

SWITCH :chọn chế độ làm nóng hoặc làm lạnh Làm nóng

C WE:cho phép hoặc không cho phép chức năng giao tiếp

Không cho phép

BPS : cài đặt tốc độ baud cho giao tiếp 9600LENGTH : cài đặt chiều dài dữ liệu giao tiếp 7PARITY : cài đặt số bit giao tiếp ngang bằng ESTOP BIT : cài đặt số bit stop trong giao tiếp 1

Cài đặt chế độ cảnh báo nên thấp hơn mức cài đặt ban đầu và sau đó là các giá trị AL1H, AL1L, AL2H VÀ AL2L, cho phép hiển thị trong chế độ vận hành.

2.3 Cảm biến đo nhiệt độ

Đây chính là bộ phận cảm biến nhiệt độ dùng để biến tín hiệu không điệnthành tín hiệu điện

Ở đây ta sử dụng đo nhiệt độ bằng điện trở vì:

- Sai số nhỏ

- Đơn giản, gọn nhẹ, dễ hiểu

- Độ nhạy cao

- Tính lặp lại cao

Để đo nhiệt độ ta có thể dùng các loại cảm biền thông dụng nhưLM35,Themocouple, PT100 Nhưng do LM35 là cảm biến được chế tạo bằng bándẫn tầm đo max là 1250C chỉ thích hợp đo nhiệt độ môi trường Themocouple độphi tuyến cao PT100 độ tuyến tính cao, sai số 0.04% trên 1000C Do đó, Trong đồ

án này chúng em dùng PT100 để đo nhiệt độ lò Để đo nhiệt độ được chính xác, tấtnhiên cần có một đầu dò thích hợp Đầu dò là một cảm biến nhiệt độ có nhiệm vụvận chuyển từ nhiệt độ từ tín hiệu không điện qua tín hiệu điện Có rất nhiều loạicảm biến như giới thiệu ở trên Nhưng dựa vào lý thuyết và thực tế của mạch cầnthiết kế ta dùng phương pháp đo bằng Pt100 loại 3 dây

Ở 00 C thì Rt =100 Ohm, Pt 100 có nhiều loại( 2 dây, 3 dây, 4 dây), sau đây là sơ

đồ Pt100 3 dây, tầm biến thiên điện áp theo nhiệt độ là 20mV/0C, tầm đo 0-2500 C.U16 có chức năng là mạch trừ, U17 khuếch đại đảo

Yêu cầu chung: thông tin phản ánh nhiệt độ được truyền tuần tự, chính xác và liêntục theo thời gian; tạo điện áp biến thiên tuyến tính với nhiệt độ

Hình 2.3: Cảm biến PT100

Thông số kĩ thuật biến nhiệt điện trở Pt100

- Cảm biến nhiệt độ E52MY-PT100C

- Dải đo: 0-400oC

- Loại can: DIN PT 100W.

- Chiều dài can: 10cm

- Cấp chính xác: B

- Cách điện cho dây dẫn bên trong: ceramic

- Vật liệu đầu bao dây: khuôn nhôm đúc màu xanh

- Vật liệu ống bảo vệ: Sứ 316 ống đúc

- Nhiệt độ môi trường cho đáu dây: 0-80oC

- Loại dây dẫn: hệ thống 3 dây dẫn

- Tiếp xúc nhiệt: loại không nối đất

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Là cảm biến nhiệt độ, PT100 có câu tạo là một nhiệt điện trở RTD (ResistanceTemperature Detector)

Điện trở này là một dây kim lợi có bọc các đoạn sứ bao quanh toàn bộ dây kimloại Phần bao bọc nay lại được đặt trong một ống bảo vệ thường có dạng hìnhtròn, chỉ đưa 2 đầu dây kim loại ra để kết nối với thiết bị chuyển đổi Phần ốngbảo vệ sẽ được đặt ở nơi cần đo nhiệt độ

Hai đầu dây kim loại để chừa ra ở phần ống bảo vệ được kết nối tới một thiết bịgọi là bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt thành tín hiệu điện phục vụ cho việc truyềntới phòng điều khiển để giám sát Thiết bị chuyển đổi có cấu tạo là một cầu điệntrở có 1 nhánh chính là Pt100

R 0=100Ω điện trở ở 0oC

α: hệ số nhiệt độ ở T=0oC ( kiểu +0,00385 Ω/ Ω/oC)

δ=1,499(kiểu +0,00385 Ω/ Ω/oC)

+ cảm biến Pt100 hoạt động ở 0oC thì điện trở là 100Ω

+ trong khoảng nhiệt độ từ 0-100oc ta tính như sau:

Rt = R0(1+0,385%T) với sai số nhiệt độ là ±0,5oC tức là cứ tăng 1oC thì điệntrở Pt100 tăng 0,385 Ω

2.4 Bộ biến đổi điện áp.

Chúng em chọn mạch chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển với các đặc điểm sau

Ưu điểm:

- Sơ đồ mạch lực, mạch điều khiển đơn giản

- Không cần sử dụng bộ đổi nguồn 3 pha

- Điện áp ra sau chỉnh lưu tương đối ổn định, có tính liên tục

Nhược điểm:

- Điện áp sau khi chỉnh lưu nhỏ (U1/Ud lớn)

- Sử dụng không hiệu quả công suất MBA

- Sử dụng các mạch chỉnh lưu công suất nhỏ

a Sơ đồ nguyên lý:

Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lí mạch chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển

b Nguyên lý làm việc:

Giả sử Ld = ∞ điện áp phía thứ cấp u2 = √2 U2 sin ω t với góc điềukhiển α Xét mạch đang làm việc ở chế độ xác lập Khi van dẫn sụt áp trên nóbằng 0

Trước thời điểm ω t= v1 cặp van T1 vàT3 dẫn điện khi đó ta có:

uT2 = uT3 = 0; utải = - u2 ; uT1 = uT4 = u2; iT2 = iT3 = itải ; iT1 = iT4 = 0

Đến thời điểm ω t= v1 cấp xung điều khiển mở cặp van T1 và T4 lúc nàycặp van T1 và T4 sẽ dẫn điện, cặp van T1 vàT3 bị phân cực ngược nên không dẫnđiện, khi đó ta có: uT1 = uT4 = 0; utải = u2; uT2 = uT3 = - u2; iT1= iT4= itải; iT2 = iT3 = 0

Đến thời điểm ω t = , u2 = 0 có xu hướng âm dần và - u2 = 0 có xu hướngdương dần Tuy nhiên điện áp nguồn lúc này tác động ngược chiều với chiều dẫndòng của dòng điện qua tải, cho nên suất điện động cảm ứng do Ld tạo ra cho cặpvan T1 và T4 tiếp tục dẫn điện, còn cặp van T1 vàT3 chưa dẫn do chưa có xung điềukhiển kích mở Lúc này ta có:

uT1= uT4= 0; utải = u2 < 0; uT2 = uT3 = - u2> 0; iT1 = iT4= itải; iT2 = iT3= 0

Đến thời điểm ω t =+ α phát xung điều khiển mở cặp van T2 và T3, lúcnày cặp van T2 và T3 sẽ dẫn điện còn cặp van T1 và T4 bị phân cực ngược nênkhông dẫn điện Ta có: uT2= uT3 = 0; uT1 = uT4 = u2 < 0; utải = - u2; iT2 = iT3 = itải; iT1=iT4= 0.

Đến thời điểm ω t =2, u2= 0 và có xu hướng dương dần, còn - u2 = 0 có

xu hướng âm dần, tuy nhiên cặp van T2 và T3 sẽ tiếp tục dẫn do suất điện động củacuộn cảm tải tạo ra để chống lại sự biến thiên của dòng điện Cặp van T1 và T4 chưadẫn điện do chưa có xung điều khiển kích mở ta có:

UT2= uT3 = 0; uT1 = uT4= u2 > 0; utải = - u2; iT2 = iT3 = itải; iT1= iT4= 0

Các chu kỳ sau nguyên lý hoạt động tương tự như trên

c Giản đồ dòng điện, điện áp:

Hình 2.4: Giản đồ

CHƯƠNG III : XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM

3.1 Tổng quan về mạng truyền thông công nghiệp Mudbus

3.1.1Giao thức truyền thông

- Giao thức truyền thông: là những quy định trong việc truyền thông tin giữa cácthiết bị trong một hệ thống công nghiệp

- Trong công nghiệp, thì các bộ phận trong hệ thống được cấu trúc theo sơ đồ phâncấp

Hình 3.1: Mô hình phân cấp chức năng công ty sản xuất công nghiệp

- Điều này có nghĩa là các thiết bị trong một hệ thống công nghiệp có mối liênquan với nhau Các thiết bị cơ cấu chấp hành: như motor, cảm biến…nằm ở cấpthấp nhất (được gọi là cấp trường), nó chịu sự điều khiển của các thiết bị ở cấp trên

nó - cấp điều khiển Các thiết bị ở cấp điều khiển như: PLC, PC… thì chịu sự điều

khiển và giám sát ở cấp cao hơn…Và cứ thế, một hệ thống trong công nghiệpthông thường có 5 cấp.

- Điều cần quan tâm ở đây, là việc liên lạc và truyền tín hiệu giữa các thiết bị trongcác cấp được thực hiện nhờ các đường dây bus tín hiệu (bao gồm 4 loại bus: bustrường, bus hệ thống, mạng xí nghiệp và mạng công ty ) Để tín hiệu truyền đượctrên các bus thì cần có những tiêu chuẩn để truyền Tiêu chuẩn này phải đảm bảo cảthiết bị ở cấp trên và cấp dưới đều hỗ trợ Tiêu chuẩn này được gọi là giao thứctruyền thông

- Ứng với mỗi đường dây bus cho việc kết nối giữa 2 cấp thì có một giao thứctruyền thông riêng Đối với bus trường: thông thường người ta sử dụng các giaothức: profibus, Modbus…

- Tuy các giao thức truyền thông giữa các cấp là khác nhau, thế nhưng chúng đều

có chung một đặc điểm là tuân theo một mô hình giao thức nhất định Đó là môhình mạng OSI

- Mô hình mạng OSI quy định trình tự để truyền một đoạn tin giữa 2 thiết bị

Hình 3.2: Mô hình qui chiếu ISO/OSI

- Đoạn tin được truyền sẽ đi qua 7 lớp từ máy gửi đưa đến bus truyền thông, sau

đó đoạn tin này sẽ được nhận từ máy tương ứng Các lớp trong mô hình giúp xácđịnh những đặc tính cần thiết cho đoạn tin truyền Ví dụ như: lớp Presentation quyđịnh cu pháp của đoạn tin truyền, lớp Session quy định thời gian truyền tin…

- Ở Việt Nam hiện nay, thông thường ở để liên lạc giữa cấp trường và cấp điềukhiển, các nhà máy thường sử dụng giao thức mạng truyền thông Profibus Ngoàigiao thức Profibus thì giao thức mạng Modbus cũng là một sự lựa chọn khá tốt choviệc truyền thông ở bus trường Trong bài viết này sẽ tập trung vào giao thức mạngtruyền thông Modbus

3.1.2 Các chuẩn truyền trong công nghiệp

Có 2 tiêu chuẩn phổ biến trong việc truyền dữ liệu nối tiếp: đó là chuẩn RS232 vàchuẩn RS485

a Chuẩn RS232

- Việc truyền dữ liệu được thực hiện nhờ 3 dây TxD, RxD và mass Tín hiệu đượctruyền đi bằng cách: tín hiệu được so sánh với mass để phát hiện sự sai lệch Điềunày khiến cho dữ liệu khó có thể khôi phục lại ở trạm phát Một điều nữa là chuẩntruyền RS232 chỉ được sử dụng để truyền tín hiệu giữa 2 trạm được kết nối trựctiếp, việc mở rộng số lượng trạm sử dụng chuẩn truyền RS232 là không khả thi

- Hình bên dưới trình bày sơ đồ kết nối dây giữa 1 trạm PLC và 1 trạm PC theochuẩn truyền RS232 Việc truyền tín hiệu giữa 2 thiết bị có cổng COM dùngchuẩn truyền RS232 cũng có cách đấu nối tương tự

Hình 3.3: Sơ đồ kết nối giữa PLC và PC theo chuẩn truyền RS232

- Nhược điểm của chuẩn truyền RS232 là tín hiệu không thể truyền đi xa, do việcmất mát tín hiệu không thể phục hồi được, và việc kết nối theo chuẩn RS232 chỉđược thực hiện giao tiếp giữa 2 thiết bị (point - to - point) nên hạn chế số lượngthiết bị có trong mạng

- Một số đặc điểm của chuẩn truyền RS232 là: khoảng cách truyền tối đa là 15m,tốc độ truyền là 20Kbps, hỗ trợ kết nối điểm – điểm trên một mạng

b Chuẩn RS485

- Việc truyền dữ liệu được thực hiện trên 2 dây A,B Chuẩn này truyền tín hiệutheo phương pháp lấy vi sai cân bằng Có nghĩa là tín hiệu truyền đi nhờ cả 2 dây

Và dữ liệu nhận được được căn cứ theo sự sai lệch giữa 2 tín hiệu này

- Hình bên dưới trình bày rõ hơn về cách truyền dữ liệu theo chuẩn truyền RS485

Hình 3.4: Cách truyền dữ liệu theo chuẩn RS485

Giả sử khi A = 0, B = 1 thì dữ liệu được nhận biết đó là data = 1, và khi A = 1, B=0thì dữ liệu được nhận biết là data = 0 Nhờ việc so sánh như trên, nên khi có nhiễuxảy ra, thì cả 2 tín hiệu A, B điều bị suy giảm như nhau, thế nên độ chênh lệchđiện áp giữa chúng là không đổi, vì vậy ở thiết bị nhận vẫn có thể nhận được tínhiệu một cách chính xác

+ Khi sự chênh lệch điện áp giữa A và B nằm trong khoảng -1,6V đến -6V thì dữ

liệu được nhận tương ứng với mức 1

+ Khi sự chênh lệch điện áp giữa A và B nằm trong khoảng +1,5 đến +6V thì dữ

liệu được nhận tương ứng với mức 0

- Ưu điểm của chuẩn truyền RS485 là giảm đi sự sai lệch dữ liệu ở thiết bị nhận,

và việc truyền thông tin đi được xa hơn Ngoài ra, ta còn có thể kết nối được nhiềuthiết bị trên cùng một mạng, (chuẩn truyền RS485 sử dụng cách kết nối multidrop:kết nối đa điểm ) sử dụng chuẩn truyền RS485 này

- Một số đặc tính của chuẩn truyền RS485: Khoảng cách truyền lên đến 1200m,tốc độ truyền có thể lên đến 10Mbps, số lượng thiết bị tối đa có thể kết nối là 32thiết bị phát và 32 thiết bị thu.

3.2 Mạng truyền thông MODBUS

Modbus bắt nguồn trong cuối những năm 70 thế kỷ trước Năm 1979 khi nhàsản xuất PLC Modicon giờ là tập đoàn Schneider Electric's Telemecanique pháthành giao diện truyền thông Modbus cho mạng multidrop(đa điểm) dựa trên kiếntrúc Master/client(Chủ - tớ ) Truyền thông giữa các Modbus node( các điểm) cóđược bằng các thông điệp Nó là một chuẩn mở mà được mô tả bằng cấu trúc thôngđiệp Tầng vật lý của Modbus interface là tự do chọn lựa Modbus interface banđầu chạy trên RS-232, nhưng các thực hiện Modbus sau nhất dùng RS-485 vì nócho phép khoảng cách lớn, tốc độ cao và khả năng của một mạng multi-drop thực

sự Trong thời gian ngắn hàng trăm nhà sản xuất thực hiện hệ thống thông điệpModbus trong thiết bị của họ và Modbus trở thành chuẩn de-facto cho các mạngtruyền thông công nghiệp

Ưu điểm của chuẩn Modbus là sự linh hoạt, và sự dễ thực hiện của nó Không chỉcác thiết bị thông minh như các microcontroller, PLC có thể truyền thông vớiModbus, mà còn các sensor thông minh trang bị Modbus interface gửi data củachúng đến các host system Trong khi Modbus được chinh chính trước đây trên cácđường truyền thông dây dẫn, cũng có các mở rộng cho các chuẩn truyền thôngkhông dây và các mạng TCP/IP

3.2.1.Khái niệm tổng quát về mạng truyền thông Modbus

a Khái niệm tổng quát

- Modbus là một giao thức mạng truyền dữ liệu theo kiểu nối tiếp Nó hỗ trợ cả 2chuẩn truyền RS232 và RS485 Việc truyền dữ liệu được thực hiện theo cơ chế 1Master/ nhiều Slave

Sơ đồ bên dưới trình bày sự tham chiếu giao thức Modbus lên mô hình chuẩnOSI.Theo đó thì giao thức Modbus nằm ở lớp thứ 7, thứ 2, và thứ 1 của mô hìnhOSI Lớp thứ 7 này ( lớp ứng dụng ) giúp hỗ trợ phương thức truyền thông

Hình 3.5: Giao thức Modbus và mô hình OSI

- Server/client giữa các thiết bị kết nối trên bus hoặc trên mạng không dây Lớp thứ

2 và lớp thứ 1 quy định hình thức truyền dữ liệu theo kiểu nối tiếp và chuẩn truyềnvật lý là EIA/TIA – 485 (hoặc EIA/TIA – 232 )

Giao thức Modbus và mô hình OSI

Giao thức Modbus được sử dụng rộng rãi nhờ tính đơn giản, linh hoạt và đáng tincậy của nó Nó có thể truyền dữ liệu rời rạc hoặc tương tự Thế nhưng giao thứcModbus bị giới hạn bởi cách thức giao tiếp theo chuẩn RS485 Tốc độ truyền củachuẩn này trong khoảng 0.010Mbps đến 0.115Mbps Trong khi ngày nay, các mạng

hỗ trợ tốc độ truyền trong khoảng từ 5Mbps đến 16Mbps, thậm chí đối với cácmạng Ethernet nó còn cung cấp tốc độ truyền lên đến 100Mbps, 1Gbps và 10Gbps

Hình3.6:Modbus RTU

Modbus ASCII: dữ liệu được truyền trên bus nối tiếp Dữ liệu truyền được địnhdạng dưới dạng mã ASCII.Modbus ASCII có ưu điểm là có thể dễ dàng để ngườidùng hiểu được dữ liệu đang truyền Thông thường thì giao thức Modbus ASCIIđược sử dụng trong việc kiểm tra và giới thiệu cho giao thức mạng Modbus

Hình 3.7: Modbus ASCII

Modbus TCP/IP: Dữ liệu có thể được truyền trên mạng LAN hoặc mạng ở trên mộtkhu vực rộng Dữ liệu được định dạng theo mã hexadecimal

Hình 3.8: Modbus TCP/IP

c Ứng dụng của giao thức Modbus

- Modbus là một giao thức truyền thông mở, nó là phương pháp truyền thông phổbiến nhật được sử dụng để kết nối các thiết bị điện tử công nghiệp

- Modbus thường được dùng để truyền các tín hiệu từ các thiết bị đo, thiết bị điềukhiển trở về bộ điều khiển chính hay hệ thống thu thập dữ liệu

- Mosbus thường dùng để kết nối máy tính giám sát với một thiết bị điều khiển(RTU: remote terminal unit ) trong hệ thống Scada (hệ thống điều khiển và thu thập

dữ liệu )

d Modbus làm việc như thế nào

- Modbus truyền tin thông qua dây nối tiếp giữa các thiết bị Cách cài đặt đơn giảnnhất là dùng 1 cáp nối tiếp kết nối giữa 2 port nối tiếp của 2 thiết bị Master – Slave

- Dữ liệu được truyền đi dưới dạng bit Mỗi bit được thể hiện dưới dạng điện áp.Mức 0 ứng với điện áp dương và bit 1 ứng với điện áp âm Các bit này được gửivới tốc độ rất nhanh Tốc độ truyền thông thường là 9600 baud

3.2.2 Cấu trúc đoạn tin trong giao thức mạng Modbus

- Hình dưới đây trình bày cấu trúc của một đoạn tin truyền trong giao thức mạngModbus

a Byte 1: address field

- Có độ dài 1 byte Byte này cung cấp địa chỉ của Slave mà Master sẽ tác động đến.Trong cả đoạn tin yêu cầu gửi từ Master và đoạn tin đáp ứng nhận từ Slave thì byte

này có giá trị giống nhau Mỗi một Slave trong mạng có một địa chỉ Modbus riêng(địa chỉ được chọn trong khoảng từ 1 đến 247 ).

- Bằng cách này, sau 1 byte đầu tiên mỗi một Slave sẽ biết được nó có nhận đoạntin hay không

b Byte 2: function field

- Byte thứ 2 mà Master gửi đi là function code ( mã nhiệm vụ ) Mã này giúp Slavebiết được nhiệm vụ mà Master muốn Slave phải làm

- Điểm đặc biệt của Modbus là nó cung cấp một bảng mã hàm chung cho tất cả cácthiết bị

- Bảng dưới đây trình bày các mã hàm được hỗ trợ bởi giao thức Modbus

Read dícrete inputsRead coils

0201

0201Weite single coil

Write multiple coils

Internal registers

OrPhysical outputregisters

Read input register

Read holding register

04

03

04

03

Write multiple registersRead/write multiple registersMask write register

162322

101716