nghiên cứu và ứng dụng màn hình panelview600 compactlogix trong điều khiển lò nhiệt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP SINH VIÊN NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG MÀN HÌNH PANELVIEW600 & COMPACTLOGIX TRONG ĐIỀU KHIỂN LÒ NHIỆT S K C 0 9 MÃ SỐ: SV2010 - 94 S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, 2010 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH Đề tài: NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG MÀN HÌNH PANELVIEW 600 & COMPACTLOGIX TRONG ĐIỀU KHIỂN LÒ NHIỆT Mã số: SV2010-94 Thuộc nhóm ngành : Khoa học kỹ thuật Người chủ trì : Phạm Quốc Đạt Người tham gia : Phú Anh Quốc Đơn vị : Khoa Điện – Điện tử Tp Hồ Chí Minh, 02/2011 i Tóm tắt đề tài Trong công nghiệp, với thiết bị điều khiển Siemens, Panasonic, Omron, Mitsubishi, thiết bị Allen-Bradley sử dụng rộng rãi dây chuyền sản xuất Đề tài sử dụng PLC CompactLogix L32E hình PanelView 600 liên kết với mạng Ethernet/IP để thực điều khiển giám sát nhiệt độ lò nhiệt PLC CompactLogix 1769-L32E Allen-Bradley làm thiết bị điều khiển hệ thống PLC nhận tín hiệu nhiệt độ lò nhiệt module analog 1769-IF4 tín hiệu điều khiển từ hình PanelView 600 PLC thực thuật toán PID để điều khiển nhiệt độ lò nhiệt, phương pháp PWM thông qua module 1769-OB32 mạch kích công suất Các thông số Kp, Ki, Kd thuật toán PID lựa chọn theo ngõ tối ưu Đối tượng điều khiển hệ thống mô hình lò nhiệt Mô hình lò nhiệt sử dụng điện trở nhiệt khô 220V/1000W để gia nhiệt, truyền nhiệt môi trường không khí Ngoài ra, lò nhiệt có quạt làm mát Nhiệt độ lò đo cảm biến nhiệt độ LM35, tín hiệu khuếch đại đưa vào module analog Màn hình PanelView 600 đóng vai trò hình HMI hệ thống Thông qua hình này, người vận hành giám sát trạng thái lò nhiệt điều khiển lò nhiệt theo hai chế độ: manual automatic Chế độ manual cho phép người vận hành nhập giá trị (từ 25OC đến 150OC) Chế độ automatic cho phép người vận hành chọn lựa quy trình định sẵn CompactLogix thực điều khiển nhiệt độ lò theo quy trình nhiệt độ thời gian định trước ii Mục lục Tóm tắt đề tài i Mục lục ii Danh mục hình vẽ iii Danh mục từ viết tắt iv Chương 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Đối tượng khách thể nghiên cứu 1.2 Tình hình nghiên cứu nước .1 1.3 Những vấn đề tồn Chương 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 2.1 Mục tiêu nghiên cứu 2.2 Phương pháp nghiên cứu 2.3 Nội dung 2.3.1 Sơ đồ khối hệ thống 2.3.2 Tổng quan mạng Ethernet/IP .5 2.3.3 Thiết kế mô hình lò nhiệt 2.3.4 Giao diện HMI 10 2.3.5 Thuật toán điều khiển lò nhiệt 14 2.3.6 Sơ đồ kết nối hệ thống thực tế 15 2.3.7 Phân tích đáp ứng lò nhiệt 15 2.3.8 Hoạt động hệ thống 17 2.4 Kết đạt 22 2.4.1 Tính khoa học 22 2.4.2 Khả triển khai ứng dụng vào thực tế 22 2.4.3 Hiệu kinh tế - xã hội 22 Chương 3: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 23 3.1 Kết luận 23 3.2 Kiến nghị 24 Tài liệu tham khảo 25 iii Danh mục hình vẽ Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống Hình 2.2 Mô hình mạng ba lớp hãng Rockwel Automation Hình 2.3 Liên kết thiết bị mạng Ethernet/IP Hình 2.4 Thanh phát nhiệt Hình 2.5 Mạch nguyên lý khối điều khiển công suất Hình 2.6 Đồ thị kích dẫn triac Hình 2.7 Cảm biến nhiệt độ LM35 Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý tín hiệu Hình 2.9 Mô hình lò nhiệt Hình 2.10 Màn hình PanelView Hình 2.11 Màn hình điều khiển PanelView Hình 2.12 Màn hình điều khiển chế độ Manual PanelView Hình 2.13 Màn điều khiển chế độ Automatic PanelView Hình 2.14 Màn hình trạng thái PanelView Hình 2.15 Màn hình cảnh báo PanelView Hình 2.16 Thuật toán điều khiển lò nhiệt Hình 2.17 Sơ đồ kết nối hệ thống thực tế Hình 2.18 Đáp ứng nhiệt SP=80OC Hình 2.19 Đáp ứng ngõ 80OC có giá trị bias Hình 2.20 Đáp ứng với giá trị setpoint thay đổi Hình 2.21 Thiết lập chế độ manual PanelView Hình 2.22 Trạng thái lò nhiệt chế độ manual hình PanelView Hình 2.23 Trạng thái lò nhiệt chế độ manual SCADA Hình 2.24 Đáp ứng ngõ lò nhiệt chế độ manual SCADA Hình 2.25 Thiết lập chế độ automatic PanelView Hình 2.26 Thiết lập cho RECIPE SCADA Hình 2.27 Đáp ứng lò nhiệt chế độ automatic Hình 2.28 Cảnh báo hình PanelView iv Danh mục từ viết tắt HMI Human Machine Interface IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IP Industrical Protocol ODVA Open DeviceNet Vendors Asociation PID Proportional Integral Derivative PLC Programmable Logic Controller PWM Pulse Width Modulation SCADA Supervisory Control And Data Acquisition Tp.HCM Thành phố Hồ Chí Minh Chương 1: Đặt vấn đề Chương 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Đối tượng khách thể nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu đề tài ứng dụng hình PanelView CompactLogix điều khiển giám sát nhiệt độ lò nhiệt Để thiết lập ứng dụng hình PanelView CompactLogix, đề tài cần nghiên cứu khách thể sau:  Màn hình PanelView, PLC CompactLogix, mạng EtherNet/IP,  Các phần mềm thiết lập chương trình cho PLC RSLink, RSLogix5000, PanelBuilder32,  Các linh kiện điện tử dùng để thiết lập mô hình lò nhiệt Triac, điện trở phát nhiệt, LM35, Opamp… 1.2 Tình hình nghiên cứu nước Trong công nghiệp, với thiết bị điều khiển Siemens, Panasonic, Omron, Mitsubishi, thiết bị Allen-Bradley sử dụng rộng rãi dây chuyền sản xuất Các thiết bị hãng này, đặc biệt hình HMI thiết bị điều khiển, sử dụng việc thiết kế hệ thống tự động công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, cung cấp xử lý nước, tiết kiệm lượng… Ở Việt Nam, công ty, xí nghiệp lớn P&G, MyLan Group, nhà máy xi măng Hà Tiên, nhà máy nhiệt điện Bà Rịa… trang bị dòng sản phẩm Allen-Bradley (ControlLogix, FlexLogix, CompactLogix, PLC5, SLC500, Micrologix Panelview…) vào dây chuyền sản xuất, tủ điều khiển cách phổ biến Vì vậy, việc nghiên cứu thiết bị điều khiển Allen-Bradley có ý nghĩa thực tiễn trong công nghiệp Ở trường đại học kỹ thuật Việt Nam, thiết bị điều khiển Allen-Bradley chưa phổ biến đào tạo Trong khuôn khổ chương trình hợp tác với Chương 1: Đặt vấn đề trường đai học Việt Nam (UPP) Rockwell Automation, tập đoàn tài trợ thiết bị điều khiển, module I/O, PanelView, biến tần… cho phòng thí nghiệm tự động hóa trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Vì vậy, việc nghiên cứu ứng dụng thiết bị điều khiển có ý nghĩa đào tạo, giúp cho sinh viên tiếp cận với công nghệ lĩnh vực tự động hóa Nhiệt độ đại lượng quen thuộc sinh hoạt công nghiệp, giá trị nhiệt độ khác gây trình tượng sinh, lý, hóa đặc trưng Trong công nghệ sấy (sấy gỗ, nông sản, hải sản, làm khô bề mặt ….) đòi hỏi nhiệt độ phải ổn định điểm xác định Mỗi giai đoạn sấy, cần có nhiệt độ khác dựa vào trình biến đổi sinh, lý, hóa nguyên liệu Không công nghệ sấy, mà số công nghệ khác đòi hỏi ổn định nhiệt độ gia nhiệt Quá trình tự điều chỉnh thiết bị gia nhiệt chi phối người vận hành đáp ứng yêu cầu công nghiệp Trải qua gần 400 năm kể từ Cornelis Drebbel (người Hà Lan) phát triển hệ thống điều khiển nhiệt độ tự động dùng cho lò sưởi lịch sử loài người có dịp chứng kiến hưởng thụ nhiều công nghệ đại áp dụng vào mục đích kiểm soát nhiệt độ Đi đầu công nghệ thuộc lĩnh vực điều khiển tự động Ngày nay, nhiều phương pháp điều khiển ổn định đời dựa giải thuật khác từ đơn giản đến đại thông minh, tất phục vụ cho việc ổn định hệ thống xa cải thiện chất lượng đáp ứng; ra, có thêm thiết bị công nghiệp hỗ trợ cho trình điều khiển giám sát hệ thống PLC, cảm biến, hình HMI, hệ thống SCADA 1.3 Những vấn đề tồn Tự động hóa có bước tiến công nghệ, cụ thể thiết bị điều khiển Allen-Bradley sử dụng rộng rãi công nghiệp, đặc biệt tập đoàn sản xuất lớn Tuy nhiên, việc trang bị thiết bị đào tạo chưa phổ biến Siemens Sinh viên chưa tiếp xúc nhiều với công nghệ này, có hình PanelView Nhiệt độ đối tượng điều khiển điển hình lý thuyết điều khiển, đối tượng phổ biến ngành công nghiệp Việc xây dựng mô hình lò nhiệt phục vụ cho thí nghiệm chưa đáp ứng yêu cầu độ bền học, thẩm mỹ, an toàn Các chương trình điều khiển giám sát nhiệt độ chưa hiệu quả, khó áp dụng vào thực tiễn Chương 2: Giải vấn đề Chương 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ Chương trình bày mục tiêu nghiên cứu đề tài, phương pháp nghiên cứu để đạt mục tiêu đề Sau đó, chương trình bày nội dung nghiên cứu kết đạt đề tài Nội dung nghiên cứu bao gồm sơ đồ khối hệ thống, điều khiển hệ thống, lựa chọn linh kiện xây dựng mô hình lò nhiệt, kết thực nghiệm hoạt động thực tế hệ thống 2.1 Mục tiêu nghiên cứu Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng hình PanelView CompactLogix điều khiển giám sát lò nhiệt” đề mục tiêu nghiên cứu cần đạt sau:  Điều khiển giám sát lò nhiệt CompactLogix L32E hình PanelView thông qua việc xây dựng chương trình cho PLC CompactLogix thiết lập giao diện người máy hình PanelView  Nâng cao chất lượng điều khiển giám sát nhiệt độ phương pháp điều khiển PID quen thuộc giám sát hình HMI SCADA,  Giúp tiết kiệm nhân lực tính tiện dụng chế độ vận hành 2.2 Phương pháp nghiên cứu Để đạt mục tiêu nghiên cứu trên, đề tài thực nghiên cứu dựa vào hai phương pháp chính, là:  Phương pháp nghiên cứu lý thuyết  Phương pháp thực nghiệm Hai phương pháp thực song hành Phương pháp nghiên cứu lý thuyết làm sở cho thực nghiệm, phương pháp thực nghiệm dùng để kiểm định lý thuyết chọn hướng giải tối ưu cho hệ thống Chương 2: Giải vấn đề 2.3 Nội dung 2.3.1 Sơ đồ khối hệ thống Hình 2.1 sơ đồ khối hệ thống Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống Màn hình PanelView, PLC CompactLogix L32E máy tính kết nối với mạng EtherNet/IP qua địa IP Màn hình PanelView thực điều khiển giám sát cấp độ vận hành; hệ thống SCADA thiết lập máy tính có nhiệm vụ thu thập liệu, điều khiển giám sát cấp độ quản lý công nghệ CompactLogix L32E kết nối với modul analog 1769-IF4 modul digital 1769-OB32 để điều khiển nhiệt độ lò nhiệt Màn hình PanelView PLC CompactLogix liên kết trao đổi liệu với nhau; nhờ vậy, thông số trình lò nhiệt xử lý, lưu trữ CompactLogix trao đổi với hình PanelView để hiển thị tác động ngõ vào vận hành Ngoài ra, hệ thống SCADA thiết lập nhờ vào phần mềm Wonderware Intouch, Kepware OPCLink Chương 2: Giải vấn đề 12 Hình 2.12 Màn hình điều khiển chế độ Manual PanelView Màn hình điều khiển chế độ Automatic (hình 2.13) cho phép người vận hành chọn lựa quy trình định sẵn Chế độ bắt đầu hoạt động nhấn “START” Các nút “STOP” hai chế độ dùng để dừng hoạt động lò nhiệt Tuy nhiên, quạt hoạt động nhiệt độ lò lớn nhiệt độ đặt Hình 2.13 Màn điều khiển chế độ Automatic PanelView Màn hình trạng thái (hình 2.14) cho phép người vận hành giám sát trạng thái lò nhiệt (nhiệt độ đặt, nhiệt độ lò, trạng thái quạt, phát nhiệt, chế độ hoạt động) Chương 2: Giải vấn đề 13 Hình 2.14 Màn hình trạng thái PanelView Màn hình cảnh báo (hình 2.15) hiển thị cảnh báo như: nhiệt độ lò cao, giá trị nhiệt độ đặt không phù hợp, hoàn tất quy trình chế độ tự động … Hình 2.15 Màn hình cảnh báo PanelView Chương 2: Giải vấn đề 2.3.5 14 Thuật toán điều khiển lò nhiệt Bộ điều khiển CompactLogix làm hai nhiệm vụ chính: điều khiển nhiệt độ lò nhiệt giao tiếp với máy tính, hình PanelView để giao tiếp với người dùng Bộ điều khiển nhận tín hiệu ngõ vào từ máy tính (các thông số chế độ automatic), hình PanelView (các nút nhấn điều khiển, chọn chế độ…), module analog 1769-IF4 xuất tín hiệu điều khiển cho khối điều khiển công suất thông qua module 1769-OB32 Hình 2.16 lưu đồ thuật toán điều khiển cho PLC 1769-L32E Thuật toán thể ngôn ngữ ladder chương trình (main program) Ngoài ra, chương trình điều khiển có chương trình con: Manual mode, Alarm, Auto mode, PID process & PWM Hình 2.16 Thuật toán điều khiển lò nhiệt Chương 2: Giải vấn đề 2.3.6 15 Sơ đồ kết nối hệ thống thực tế Các thành phần hệ thống mạng kết nối thực tế hình 2.17 Vị trí tên gọi khối chức thể rõ hình Hình 2.17 Sơ đồ kết nối hệ thống thực tế 2.3.7 Phân tích đáp ứng lò nhiệt Một bước quan trọng việc thiết kế hệ thống phân tích đáp ứng Thông thường có hai cách để đánh giá đồ thị so sánh lần thí nghiệm hệ thống đối chiếu kết thực tiễn với lý thuyết Thông qua việc phân tích đáp ứng, ta chọn tham số PID theo đáp ứng ngõ tối ưu Đề tài chọn ba tham số PID sau: Kp=75, Ki=0.00008, Kd=50 Bộ ba tham số ảnh hưởng đến đáp ứng nhiệt ngõ thông qua việc tác động đến duty cycle PWM Tại nhiệt độ đặt 80OC, đáp ứng ngõ hình 2.18 Thời gian tăng trưởng 100s, vọt lố 3OC, sai số xác lập Chương 2: Giải vấn đề 16 Hình 2.18 Đáp ứng nhiệt SP=80OC Đáp ứng nhiệt ngõ cải thiện vọt lố đặt nhiệt độ ban đầu SP’ lân cận giá trị SP (SP’[...]... nhiệt, quá trình giảm nhiệt độ của lò mất nhiều thời gian và chưa hiệu quả, 3.2 Kiến nghị Dựa vào kết quả nghiên cứu đạt được, đề tài Nghiên cứu và ứng dụng màn hình PanelView và CompactLogix trong điều khiển và giám sát lò nhiệt kiến nghị một số hướng phát triển và mở rộng như sau:  Ứng dụng màn hình PanelView trong các ứng dụng khác cao hơn Liên kết điều khiển giữa nhiều màn hình PanelView với một... dụng màn hình PanelView và CompactLogix trong điều khiển và giám sát lò nhiệt đã ứng dụng thành công màn hình PanelView trong việc điều khiển nhiệt độ lò nhiệt bằng cách kết nối màn hình này với PLC CompactLogix qua mạng Ethernet/IP Những thành công này được coi là những đóng góp mới của đề tài, cụ thể:  Nghiên cứu thành công việc thiết lập ứng dụng trên màn hình PanelView và CompactLogix qua mạng... dụng trong quá trình xây dựng mô hình lò nhiệt Nhờ đó, lò nhiệt được vận hành ổn định, cách ly điện, nhiệt tốt Khi sử dụng thuật toán điều khiển PID trong việc điều khiển nhiệt độ, đề tài dựa vào đặc trưng của các khâu P, I, D và sự phối hợp của ba khâu này để tìm ra được ba thông số Kp, Ki, Kd tối ưu 2.4.2 Khả năng triển khai ứng dụng vào thực tế Việc ứng dụng màn hình PanelView và CompactLogix L32E trong. .. quá trình hạ nhiệt nhanh hơn, hai quạt này sẽ hoạt động khi nhiệt độ lò lớn hơn nhiệt độ đặt Hình 2.9 là hình chụp vỏ ngoài của lò nhiệt mặt trước và mặt sau Hình 2.9 Mô hình lò nhiệt 2.3.4 Giao diện HMI Màn hình PanelView được thiết kế bằng phần mềm Panel Builder, và dùng cho cấp vận hành Thông qua màn hình này, người vận hành có thể điều khiển nhiệt độ lò nhiệt theo hai chế độ manual và automatic... Ngoài ra, qua màn hình trạng thái, người vận hành cũng có thể giám sát trạng thái của lò nhiệt Đồng thời, các sự cố và cảnh báo trạng thái của lò nhiệt cũng được thể hiện qua chức năng alarm của màn hình PanelView Các màn hình được thiết kế phù hợp và thuận lợi cho người vận hành Màn hình chính (hình 2.10) hiển thị tên của hệ thống, có các nút chuyển màn hình đến màn hình điều khiển và màn hình trạng... khi nhiệt độ lò lớn hơn nhiệt độ đặt Hình 2.13 Màn điều khiển chế độ Automatic trên PanelView Màn hình trạng thái (hình 2.14) cho phép người vận hành giám sát trạng thái lò nhiệt (nhiệt độ đặt, nhiệt độ lò, trạng thái quạt, thanh phát nhiệt, chế độ hoạt động) Chương 2: Giải quyết vấn đề 13 Hình 2.14 Màn hình trạng thái trên PanelView Màn hình cảnh báo (hình 2.15) hiển thị các cảnh báo như: nhiệt độ lò. .. 2: Giải quyết vấn đề 11 Hình 2.10 Màn hình chính của PanelView Màn hình điều khiển (hình 2.11) cho người vận hành chọn chế độ vận hành “Manual” hoặc “Automatic” Nút “STOP” cho phép lò nhiệt ngừng hoạt động, quạt sẽ ngừng hoạt động khi nhấn nút này (ngay cả khi nhiệt độ lò lớn hơn nhiệt độ đặt) Hình 2.11 Màn hình điều khiển trên PanelView Màn hình điều khiển chế độ “Manual” (hình 2.12) cho phép người... lò quá cao, giá trị nhiệt độ đặt không phù hợp, hoàn tất quy trình ở chế độ tự động … Hình 2.15 Màn hình cảnh báo trên PanelView Chương 2: Giải quyết vấn đề 2.3.5 14 Thuật toán điều khiển lò nhiệt Bộ điều khiển CompactLogix làm hai nhiệm vụ chính: điều khiển nhiệt độ lò nhiệt và giao tiếp với máy tính, màn hình PanelView để giao tiếp với người dùng Bộ điều khiển nhận tín hiệu ngõ vào từ máy tính (các... trên PanelView Sau khi đặt nhiệt độ mong muốn, nhấn nút “START” để hệ thống hoạt động Màn hình PanelView khi giá trị đạt đến xác lập như hình 2.22 Hình 2.22 Trạng thái lò nhiệt ở chế độ manual trên màn hình PanelView Chương 2: Giải quyết vấn đề 19 Trên màn hình SCADA có thể quan sát trạng thái của lò nhiệt và thông số điều khiển PID như hình 2.23 Hình 2.23 Trạng thái lò nhiệt ở chế độ manual trên SCADA... (hình 2.3) Hình 2.3 Liên kết thiết bị trên mạng Ethernet/IP Chương 2: Giải quyết vấn đề 2.3.3 7 Thiết kế mô hình lò nhiệt Lò nhiệt là đối tượng điều khiển của hệ thống, được thiết kế với công suất nhỏ Lò nhiệt gồm vỏ lò, thiết bị phát nhiệt, mạch công suất, cảm biến nhiệt độ, mạch đo nhiệt độ, quạt, khối nguồn 2.3.3.1 Thiết bị phát nhiệt Lò nhiệt dùng thanh điện trở nhiệt khô 220VAC/ 1000W (hình 2.4)