Đồ án điều khiển và giám sát lò nhiệt

Đồ án điều khiển và giám sát lò nhiệt

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN & GIÁM SÁT LÒ NHIỆT PHẦN 1 GIỚI THIỆU CÁC ĐỐI TƯNG LIÊN QUAN LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN & GIÁM SÁT LÒ NHIỆT CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ VÀ NHIỆM VỤ LUẬN VĂN 1.1. Giới thiệu về nhiệt độ và phương pháp điều khiển : Nhiệt độ là một đại lượng vật lý hiện diện khắp nơi và trong nhiều lónh vực, trong công nghiệp cũng như trong sinh hoạt. Nhiệt độ trở nên là mối quan tâm hàng đầu cho các nhà thiết kế máy và điều khiển nhiệt độ trở thành một trong những mục tiêu của ngành Điều Khiển Tự Động. Trong nhiều lónh vực của nền kinh tế, vấn đề đo và kiểm soát nhiệt độ là một quá trình không thể thiếu được, nhất là trong công nghiệp. Đo nhiệt độ trong công nghiệp luôn gắn liền với quy trình công nghệ của sản xuất , việc đo và kiểm soát nhiệt độ tốt quyết đònh rất nhiều đến chất lượng của sản phẩm trong các ngành công nghiệp thực phẩm, luyện kim, xi măng, gốm sứ, công nghiệp chế tạo động cơ đốt trong . Tùy theo tính chất , yêu cầu của quá trình mà nó đòi hỏi các phương pháp điều khiển thích hợp. Tính ổn đònh và chính xác của nhiệt độ cũng được đòi hỏi ở đây đặt ra các vấn đề cần phải giải quyết. Một điều thực sự cần thiết là ta phải khảo sát kỹ đối tượng cung cấp nhiệt mà ta cần phải điều khiển để dẫn đến mô hình toán học cụ thể. Từ đó chúng ta sẽ giải quyết bài toán điều khiển trên cơ sở lý thuyết đã nghiên cứu sẳn . Hệ thống điều khiển nhiệt độ có thể phân làm hai loại : hệ thống điều khiển hồi tiếp (feedback control system) và hệ thống điều khiển tuần tự (sequence control system) . LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN & GIÁM SÁT LÒ NHIỆT  Điều khiển hồi tiếp thường được xác đònh và giám sát kết quả điều khiển , so sánh nó với yêu cầu thực thi (ví dụ điểm đặt) và tự động điều chỉnh đúng .  Điều khiển tuần tự thực hiện từng bước điều khiển tùy theo hoạt động điều khiển trước khi xác đònh tuần tự . Một hệ thống muốn chính xác cần phải thực hiện hồi tiếp tín hiệu về so sánh với tín hiệu vào và ra sẽ được gởi đến bộ điều khiển hiệu chỉnh đầu ra . Hệ thống điều khiển hồi tiếp có nhiều ưu điểm nên thường được thấy trong các hệ thống tự động . Các phương pháp điều khiển khác nhau nhưng nguyên tắc điều khiển là giống nhau . Một hệ thống điều khiển nhiệt độ dựa trên nguyên tắc hệ thống hồi tiếp có dạng tổng quát như hình dưới đây : Đây là một hệ thống hồi tiếp qua bộ cảm biến cho tín hiệu đo lường nhiệt độ về so sánh với giá trò đặt , sai lệch giữa tín hiệu đặt và đo sẽ được đưa tới bộ điều khiển tạo tín hiệu điều khiển công suất cấp cho bộ phận gia nhiệt . Như vậy các phương pháp điều khiển khác nhau về bản chất là do các bộ điều khiển khác nhau tạo nên . 1.2.Nhiệm vụ luận văn : 1.2.1.Nhiệm vụ của luận văn là tìm hiểu thực hiện các mục tiêu sau : 1. Sử dụng PLC SIEMENS S7-300 điều khiển lò nhiệt bằng phương pháp mờ lai 2. Giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu hoạt động của lò nhiệt sử dụng phần mềm WinCC (Windows Control Center) 1.2.2.Phạm vi điều khiển : do trong khuôn khổ giới hạn của luận văn nên em chỉ giới hạn trong phạm vi như sau : X Bộ điều khiển Bộ phận gia nhiệt Cảm biến nhiệt độ Giá trò đặt Nhiệt độ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN & GIÁM SÁT LÒ NHIỆT • Đối tượng : PLC S7-300 (CPU 314IFM), modun AI SM331 chuyên dụng có khả năng đọc trực tiếp tín hiệu từ các cảm biến như Thermocoup, PT . và lò nhiệt dân dụng • Cảm biến : Thermocoup TC loại K có độ nhạy nhiệt 40µV/1 0 C • Phương tiện điều khiển : OP (Operation Panel), tuy nhiên được thay thế bằng PC ( Personal Computer ) với hệ điều hành Windows 98 • Giao tiếp máy tính : thông qua phần mềm WInCC của công ty SIEMENS • Bộ điều khiển mờ và PID : tích hợp trong PLC S7-300 của công ty SIEMENS • Chương trình điều khiển : soạn thảo bằng phần mềm Step7 của công ty SIEMENS LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN & GIÁM SÁT LÒ NHIỆT CHƯƠNG 2 : GIỚI THIỆU PLC SIEMEN VÀ PHẦN MỀM STEP7 1. GIỚI THIỆU PLC PLC (Programmable Logic Control): thiết bò điều khiển logic khả trình là loại thiết bò cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình, thay cho việc phải thể hiện thuật toán đó bằng mạch logic. 1.1. Vài nét về lòch sử của PLC: PLC bắt đầu phát triển từ năm 1968 để đáp ứng một yêu cầu của hãng Hydraumatic Division of General Motors (GM). Thời gian này, GM thường mất nhiều thời gian để thay thế hệ thống điều khiển dựa trên relay mỗi khi cần hiệu chỉnh hay thay đổi mẫu mã của xe hơi. Để giảm chi phí cao về việc nối lại dây, kỹ thuật điều khiển của GM gọi hệ thống điện tử có sự linh động của máy tính, có thể lập trình và bảo dưỡng bởi các kỹ sư và các chuyên gia trong xí nghiệp. Nó cũng có thể chòu đựng được bụi bẩn của không khí, sự rung, nhiễu điện, độ ẩm và nhiệt độ cao trong các môi trường công nghiệp. PLC đầu tiên được lắp đặt vào năm 1969 và thành công nhanh chóng. Những chức năng giống như relay được thay thế, thậm chí những PLC đầu tiên cũng có độ tin cậy hơn hệ thống relay, lý do là thành phần điện tử của nó đơn giản so với các phần chuyển động của các relay điện cơ. Nó chiếm ít không gian hơn các counters, timers và các thành phần điều khiển khác mà nó thay thế. Khả năng lập trình lại của nó rất lớn khi có sự thay đổi về kế hoạch điều khiển. Có lẽ chìa khóa lớn nhất để PLC có thể chấp nhận được trong công nghiệp là ngôn ngữ lập trình đầu tiên dựa trên giản đồ hình thang (ladder diagram) và các ký hiệu thường dùng của thợ điện. Hầu hết các nhân viên trong xí nghiệp được huấn luyện theo mức logic hình thang nên họ dễ dàng chấp nhận nó trong PLC. Thực ra mức logic hình thang có vai trò LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN & GIÁM SÁT LÒ NHIỆT chung trong việc lập trình và sửa chữa, cho dù ngôn ngữ lập trình tân tiến hơn đã được phát triển. 1.2 . Đặc điểm của PLC : Một hệ điều khiển được gọi là điều khiển lập trình được khi các ngõ ra và các ngõ vào được nối kết với nhau thông qua một bộ điều khiển có thể lập trình được. Chức năng của một hệ điều khiển được chuyển đổi thành một chương trình và được nạp vào bộ điều khiển. Bộ điều khiển dựa theo chương trình này để thực hiện quá trình điều khiển các ngõ ra và các thông số ngõ vào. Chúng ta có nên dùng một ngôn ngữ có thể lập trình ? Trong những năm 1970 và đầu thập kỷ 80 nhiều kỹ sư, nhà điều hành sản xuất và những người thiết kế hệ thống đã tốn nhiều thời gian để tranh luận về đề tài này song song đó là chi phí cho PLC. Ngày nay, người ta chấp nhận PLC vì nó trở nên kinh tế và có hiệu quả trong hệ thống điều khiển cần từ ba đến bốn relay hay nhiều hơn trong khi đó chi phí cho một PLC nhỏ chỉ vài trăm dollars. Các nhà sản xuất đặt hiệu suất và chất lượng lên hàng đầu nên chi phí trở nên không quan trọng. Với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật máy tính nhưng chúng ta vẫn dùng PLC để điều khiển máy trong công nghiệp là vì:  Một PLC đơn giản có thể dùng trong nhiều lónh vực công nghiệp, từ việc điểu khiển lặp đi lặp lại một tác vụ đơn giản nào đó cho đến việc điều khiển để chạy chỉ một tác vụ phức tạp.  Các chương trình điểu khiển có thể được thay đổi một cách dể dàng, cải tiến để phù hợp với hoạt động mới.  Chương trình điều khiển có thể dể dàng nạp vào nhiều PLC, dể dàng trao đổi chương trình.  Thời gian đáp ứng nhanh trở thành một tiêu chuẩn đối với PLC. Điều này là cần thiết bởi vì trong điều khiển công nghiệp, các tín hiệu từ các cảm biến thay đổi rất nhanh.  Trong PLC có sẳn các bộ đếm, bộ đònh thì có thể sử dụng với nhiều độ chính xác khác nhau, khi trong quá trình điều khiển có cần thêm.  Có thể chấp nhận được về tính kinh tế khi PLC được sử dụng trong các hệ thống điều khiển có 4 relay hay nhiều hơn. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN & GIÁM SÁT LÒ NHIỆT  Khi dùng PLC có thể giao tiếp với các thiết bò như đèn LED 7 đoạn, bộ chọn nhấn ( thumbwheels), các chức năng về xử lý tín hiệu analog, xử lý tín hiệu tần số cao .  Cho phép có thể hiển thò đồ hoạ trên một hệ thống.  Truyền thông: Những hoạt động giao tiếp với những PLC khác hay mạng máy tính giúp cho việc thu thập dữ liệu và trao đổi thông tin được dể dàng. Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay thế cho phần cứng các relay dây nối và các logic thời gian. Tuy nhiên, bên cạnh đó việc đòi hỏi tăng cường dung lượng nhớ và tính dễ dàng cho PLC mà vẫn đảm bảo được tốc độ xử lý cũng như giá cả . Chính những điều này đã gây ra sự quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC trong công nghiệp. Các tập lệnh nhanh chóng đi từ các lệnh logic đơn giản đến các lệnh đếm, đònh thời, thanh ghi dòch . sau đó là các chức năng làm toán trên các máy lớn . Sự phát triển của máy tính dẫn đến các bộ PLC có dung lượng nhớ lớn hơn, số lượng I/O nhiều hơn. PLC sử dụng bộ nhớ có thể lập trình được để lưu trữ các lệnh và thực thi các chức năng đặc biệt gồm có điều khiển ON/OFF, đònh thời, đếm, thứ tự, số học và xử lý dữ liệu. Với mọi hệ điều khiển, các tín hiệu đầu vào, đầu ra được nối vào PLC. PLC hoạt động bằng cách kiểm tra lại tín hiệu các lệnh (đã được lập trình trong bộ nhớ), sau đó ghi kết quả vào ngõ ra đưa đến các thiết bò điều khiển. Trong PLC, phần cứng CPU và chương trình là hai đơn vò cơ bản cho quá trình điều khiển hoặc xử lý hệ thống. Chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện sẽ được xác đònh bởi một chương trình. Chương trình này được nạp sẵn vào bộ nhớ của PLC, PLC sẽ thực hiện việc điều khiển dựa vào chương trình này. Như vậy nếu muốn thay đổi hay mở rộng chức năng của quy trình công nghệ, ta chỉ cần thay đổi chương trình bên trong bộ nhớ của PLC. Việc thay đổi hay mở rộng chức năng sẽ được thực hiện một cách dễ dàng mà không cần một sự can thiệp mang tính vật lý nào so với các bộ điều khiển dùng dây nối và relay. Nhiều PLC giúp gia tăng sự cạnh tranh. Các quá trình thường sử dụng PLC bao gồm: đóng gói, đóng chai và vận chuyển, xử lý vật liệu, vận hành máy, phát năng lượng, những hệ thống điều khiển xây dựng, hệ thống bảo vệ, dây chuyền tự động, vẽ đường và xử lý nước. PLC ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp bao gồm thức ăn và đồ uống, chuyển động tự động, hóa học, nhựa, LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN & GIÁM SÁT LÒ NHIỆT bột giấy và giấy, dược và vật liệu. Thực ra, bất kỳ một ứng dụng nào cần đến điện đều có thể sử dụng PLC. So sánh PLC với một số hệ thống khác: Chỉ tiêu so sánh Rơ-le Mạch số Máy tính PLC Giá thành từng chức năng Khá thấp Thấp Cao Thấp Kích thước vất lý Lớn Rất gọn Khá gọn Rất gọn Tốc độ điều khiển Chậm Rất nhanh Khá nhanh Nhanh Khả năng chống nhiễu Xuất sắc Tốt Khá tốt Tốt Lắp đặt Mất thời gian thiết kế và lắp đặt Mất thời gian thiết kế Mất nhiều thời gian lập trình Lập trình và lắp đặt đơn giản Khả năng điều khiển tác vụ phức tạp Không Có Có Có Dễ thay đổi điều khiển Rất khó Khó Khó Đơn giản Công tác bảo trì Kém-có rất nhiều công tác Kém- nếu IC được hàn Kém- có rất nhiều mạch điện từ chuyên dùng Tốt- các module được tiêu chuẩn hóa 1.3. Một vài ưu điểm của PLC trong tự động: Ưu điểm : - Thời gian lắp đặt công trình ngắn gọn. - Dễ dàng thay đổi mà không tổn thất tài chính. - Có thể tính toán được chính xác giá thành. - Cần ít thời gian huấn luyện. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN & GIÁM SÁT LÒ NHIỆT - Dễ dàng thay đổi thiết kế nhờ phần mềm. - Ứng dụng trong phạm vi rộng. - Dễ bảo trì, các chỉ thò ra vào giúp xử lý sự cố dễ hơn và nhanh hơn. - Độ tin cậy cao. - Chuẩn hóa được phần cứng điều khiển. - Thích ứng trong môi trường khắc nghiệt: nhiệt độ, độ ẩm, điện áp dao động, tiếng ồn . 1.3.1. Điều khiển giám sát: - Thay cho điều khiển Relay. - Thời gian đếm. - Thay cho các panels điều khiển mạch in. - Điều khiển tự động và bán tự động bằng tay,các máy và các quá trình. 1.3.2 Điều khiển dãy: Các phép toán số học. - Cung cấp thông tin. - Điều khiển liện tục: nhiệt độ, áp suất . - Điều khiển P.I.D. - Điều khiển động cơ chấp hành. - Điều khiển động cơ bước. 1.3.3 Điều khiển mềm dẻo: - Điều khiển quá trình và báo động. - Phát hiện lỗi và điều hành. - Ghép nối qua máy tính. - Ghép nối với máy in. - Mạng tự động hóa xí nghiệp. - Mạng cục bộ. - Mạng mở rộng. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN & GIÁM SÁT LÒ NHIỆT 1.4. Cấu trúc của một PLC : - Một hệ thống lập trình cơ bản phải gồm có hai phần: khối xử lý trung tâm (CPU: Central Processing Unit) và hệ thống giao tiếp vào/ra (I/O) Hình 1.4.a-Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển lập trình - Khối điều khiển trung tâm (CPU) gồm 3 phần: bộ xử lý, hệ thống bộ nhớ và hệ thống nguồn cung cấp Hình 1.4.b-Sơ đồ khối tổng quát của CPU 2. Giới thiệu PLC SIEMEN 2.1. Cấu trúc , chức năng 1- Các khối của S7-300 - Khối tín hiệu (SM) + Khối ngõ vào digital: 24V DC, 120/230V AC + Khối ngõ ra digital: 24V DC, ngắt từ + Khối ngõ vào analog: Áp, dòng, điện trở, cặp nhiệt + Khối ngõ vào digital: 24V DC, Áp, dòng - Khối giao tiếp (IM): Khối IM360/IM365 và IM365 dùng để nối nhiều cấu hình. Chúng điều khiển thanh ghi của hệ thống. Processcor Memory Power Supply CENTRAL PROCESSING UNIT IN PUT OUT PUT