Đồ án giám sát và điều khiển nhiệt độ lò nhiệt

Trong các ngành công nghiệp sản xuất như chế biến thực phẩm, hóa chất, đồ uống, luyện gang, thép, … vấn đề cần điều khiển nhiệt độ lò nhiệt cần đáp ứng với độ chính xác cao để phục vụ quá trình sản xuất đạt hiệu quả tốt hơn, đảm bảo quá trình sản xuất không bị gián đoạn, tăng tuổi thọ thiết bị, người vận hành không cần phải trực tiếp kiểm tra trong các lò nhiệt.

MỤC LỤC Trang LỜI MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ……………….………… 1.1 Thành phần ……………………………………………… … 1.2 Quy trình cơng nghệ sản xuất bia……………………….…… 1.3 Sơ đồ khối công nghệ sản xuất bia…………………….…… Chương 2: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN PLC S7-300 VÀ PHẦN MỀM WINCC……………………………………….…… A Thiết bị PLC S7-300 …………………………………… …… 2.1 Giới thiệu chung ……………………………………… … 2.2 Các module PLC S7-300…………………………………… 2.3 Ngơn ngữ lập trình …………………………………… … 2.4 Tập lệnh …………………………………………………… 2.5 Bộ nhớ ………………………………………….………… 2.6 Trao đổi liệu CPU module mở rộng … … 2.7 Bộ thời gian (Timer) ……………………………………… 2.8 Bộ đếm (Counter) ……………………………….….…… 2.9 Module PID ……………………………………………… 2.10 Khối hàm FC105 ………………………………………… 2.11 Các bước thiết kế hệ thống điều khiển dùng PLC …… 2.12 Soạn thảo Project …………………………………… 2.13 Truyền thông MPI ………………………… ……… B Phần mềm WinCC ………….………………… ………… …… 2.1 Tổng quan hệ SCADA ……………………… ……… 2.2 Tổng quan phần mềm thiết kế WinCC ……….……… 2.3 Truyền thông môi trường WinCC ………….… …… Chương 3: GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TANK NẤU 3.1 Mơ hình tốn học ……………………………… …… … 3.2 u cầu cơng nghệ ……………….…………….………… 3.3 Lưu đồ thuật tốn …………………… ……….………… 3.4 Chương trình phần mềm PLC S7-300 …… …… … 3.5 Chương trình phần mềm WinCC …………………… 4 10 10 10 11 12 13 14 15 15 16 17 22 24 24 24 25 25 26 33 36 36 43 44 45 47 3.6 Kết mô ……………………………………… KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO Chương trình mơ PLC S7-300 48 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, phát triển khoa học kĩ thuật, người đòi hỏi trình độ tự động hóa ngày phát triển để đáp ứng nhu cầu Tự động hóa ngày phát triển mạnh mẽ lĩnh vực kinh tế, đời sống xã hội, tự động hóa trở thành mũi nhọn cho phát triển giới nói chung cơng nghiệp nói riêng Trình độ tự động hóa quốc gia đánh giá phát triển kinh tế quốc gia Chính lẽ mà việc phát triển tự động hóa việc cần thiết Trong ngành công nghiệp sản xuất chế biến thực phẩm, hóa chất, đồ uống, luyện gang, thép, … vấn đề cần điều khiển nhiệt độ lò nhiệt cần đáp ứng với độ xác cao để phục vụ trình sản xuất đạt hiệu tốt hơn, đảm bảo q trình sản xuất khơng bị gián đoạn, tăng tuổi thọ thiết bị, người vận hành không cần phải trực tiếp kiểm tra lò nhiệt Từ thực tế trên, chúng em lựa chọn đề tài “Giám sát điều khiển nhiệt độ lò nhiệt” đồ án Chúng em xin chân thành cảm ơn Th.S Phan Văn Dư hướng dẫn nhiệt tình để em hoàn thành đề tài Trong làm khơng tránh khỏi sai lầm thiếu xót nên em mong nhận đánh giá phê bình thầy để chúng em rút kinh nghiệm bổ sung kiến thức cho Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1.1 Thành phần Nguyên liệu dùng để sản xuất bia bao gồm: gạo, malt, H20, men, hoa hupblon Trong malt hoa hupblon hai nguyên liệu dùng để sản xuất bia, có chất lượng cao hãng cung cấp hàng đầu giới Việc sản xuất dựa tảng công nghệ tiên tiến tuân thủ nghiêm ngặt theo quy trình cơng nghệ tiêu chuẩn Việt Nam -Thế giới Ngoài thay malt nguyên liệu phụ bột mì, gạo ngơ hay malt chưa nảy mầm Tuy bia giới sản xuất chủ yếu với công thức cổ điển: BIA = MALT + HOA HUPBLON + NƯỚC 1.1.1 Gạo Chỉ nguyên liệu phụ (chiếm 30% thành phần nguyên liệu sản xuất bia), nguyên liệu dùng để thay nhằm giảm giá thành sản phẩm Ở nồi gạo, gạo dạng hoà tan nước 770C hỗn hợp hồ hố 1000C 1.1.2 Malt Là loại hạt ngũ cốc hay thường gọi lúa mạch (chiếm 70% thành phần nguyên liệu sản xuất bia) Chất lượng malt đảm bảo theo tiêu chuẩn quy định nguyên liệu sản xuất bia Malt dạng hạt sau xay hoà tan nước 370C cho vào nồi malt (tank nấu malt) 1.1.3 Men Là chất xúc tác có nguồn gốc prơtêin, phân tử có cấu tạo từ axit amin có cấu trúc khơng gian xác định mạch polypeptit 1.1.4 Hoa Hupblon Dùng để tạo vị đắng cho bia Cây hupblon loại dây leo, thích hợp khí hậu ơn đới, trồng nhiều Anh, Mỹ Có loại hupblon là: hupblon bittermiss hupblon Aroma 1.1.5 Nước Nguồn nước sử dụng bia lấy từ nhà máy nước, phải đảm bảo số kỹ thuật phù hợp cho việc sản xuất bia 1.2 Quy trình cơng nghệ sản xuất Bia Hình 1.1: Quy trình cơng nghệ sản xuất Bia Trên thực tế, sản xuất bia điều khiển theo hình thức sau: + Bằng tay + Bán tự động + Tự động hoàn toàn Khi kinh tế phát triển dẫn tới đời sống người dân ngày phát triển, từ yêu cầu người tiêu thụ khắt khe hơn, yêu cầu về chất lượng sản phẩm Chất lượng sản phẩm bia phụ thuộc lớn vào chế độ điều khiển Chẳng hạn điều khiển chế độ tự động, giảm đáng kể thời gian, giảm bớt số lượng công nhân mà cịn đảm bảo hệ thống làm việc xác với yêu cầu thời gian, nhiệt độ cách đồng theo quy trình cơng nghệ Từ quy trình cơng nghệ sản xuất bia để đơn giản ta khái quát thành sơ đồ khối 1.3 Sơ đồ khối cơng nghệ sản xuất bia Hình 1.2: Sơ đồ khối công nghệ sản xuất Bia Trong đồ án trình bày quy trình cơng nghệ sản xuất bia chế độ tự động hoàn toàn khâu nhà nấu Nhà nấu gồm có hai tank lớn, tank để nấu gạo tank để nấu malt Gạo malt từ nhà nghiền đưa đến hai tank có pha trộn với nước nhờ bơm M2, trình bơm nhiên liệu kết thúc cảm biến báo mức đầy tank có tín hiệu Nhiệt để cung cấp cho nhà nấu nước nóng gia nhiệt khu vực cung cấp nhiệt CO2 Quy trình nấu địi hỏi yêu cầu kỹ thuật thông số nhiệt độ cao, độ xác nhiệt độ tank nấu yếu tố góp phần định chất lượng sản phẩm bia Quá trình trao đổi nhiệt nhờ hệ thống ống dẫn nước nóng, nguyên liệu từ xuống nước nóng theo chiều ngược lại từ lên Hình 1.3: Quá trình trao đổi nhiệt Tank nấu gạo Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý hoạt động Tank nấu Các thiết bị tank nấu : • • • • Ba cảm biến báo mức S1, S2 ( mức thấp mức cao) van: van đưa nguyên liệu vào van xả Thiết bị gia nhiệt Cảm biến đo nhiệt độ b) Nguyên lý hoạt động Yêu cầu công nghệ tank nấu sau: Ấn START hệ thống bắt đầu hoạt động Đầu tiên, van mở cấp nguyên liệu vào bình chứa, nguyên liệu đầy cảm biến S2 báo van cung cấp ngun liệu đóng lại Khi van cung cấp nguyên liệu đóng lại, thiết bị gia nhiệt bật để nấu nguyên liệu, trình điều khiển nhiệt độ lị nhiệt thực Q trình nấu nguyên liệu kết thúc, tắt thiết bị gia nhiệt van xả mở đưa nguyên liệu ngoài, nguyên liệu bình hết cảm biến S1 báo, van xả đóng lại Q trình lặp lại Khi ấn STOP hệ thống dừng Nút RESET dùng để đặt lại mức nguyên liệu bồn Ở đồ án tìm hiểu thiết kế điều khiển ổn định nhiệt độ tank nấu (lị nhiệt) mơ hoạt động tank nấu phần mềm winCC PLC S7-300 10 Hình 3.2: Đường đặc tính lị nhiệt Ở ta thiết kế điều khiển cho tank nấu, việc xác định mơ hình hàm truyền tương tự Xác định hàm truyền gần tank nấu theo định nghĩa: G (s) = Tín hiệu vào hàm nấc đơn vị: R(s) = Tín hiệu gần đúng: c(t) = f (t - ) Trong đó: f (t) = K (1 - ) Suy ra: F (s) = Áp dụng định lý chậm trễ ta được: C (s) = Vậy hàm truyền hệ thống là: G(s) = Hàm truyền lị nhiệt tuyến tính là: G(s) = 40 Hình 3.3: Đặc tính thực nghiệm lò nhiệt Để xác định hàm truyền đối tượng biết đường đặc tính ta sử dụng phương pháp Ziegler - Nichols thứ Ta có khoảng thời gian đầu mà H(t) chưa có phản ứng với kích thích 1(t) đầu vào giá trị = 20 (s) K giá trị giới hạn: K= y(∞) = 100 khoảng thời gian cần thiết sau để tiếp tuyến H(t) điểm = 20 đạt giá trị K Khi = 130 - 20 = 90 (s) Vậy đối tượng lò nhiệt có hàm truyền là: G(s) = = Triển khai Taylor ta được: G(s) = = Dùng lệnh Nyquist vẽ quỹ đạo nghiệm số hệ thống Chương trình MATLAB: >> num=100; >> den=[2200 110 1]; >> nyquist(num,den); Hình 3.4: Quỹ đạo nghiệm số hàm truyền lò nhiệt  Nhân xét: 41 Hàm truyền vịng hở có cực nằm bên trái mặt phẳng phức Biểu đồ Nyquist không bao điểm A (-1+j0) Điểm -1 ký hiệu (+) nằm trục thực âm (Real Axis) , điểm nằm trục ảo (Imaginary Axis)  Kết luân: Hệ thống ổn định 3.1.2 Mô đối tượng phần mềm Matlab & Simulink Hệ thống mô phần mềm Matlab & Simulink Hàm truyền gần hệ thống: : G(s) = Thông số hệ thống dùng để mô phỏng: K = 100 = 20 = 110 Hình 3.3: Mơ hệ thống chưa có điều khiển 42 Hình 3.4: Kết mơ chưa có điều khiển 3.1.3 Bộ điều khiển PID Khái niệm chung điều khiển PID Thực chất điều khiển PID gồm hai điều khiển PI PD nối ghép nối tiếp, khâu PI làm triệt tiêu sai số xác lập PD giúp hệ thống tác động nhanh PID hiệu chỉnh sai lệch tín hiệu ngõ ngõ vào để đưa tín hiệu điều khiển điều chỉnh trình cho phù hợp Dùng phương pháp thực nghiệm Zeigler - Nichols để thiết kế điều khiển PID Xây dựng điều khiển PID Trong đó: w(t): Tín hiệu đặt e(t): Sai lệch điều khiển e(t) = w(t) – y(t) u(t): Tín hiệu điều khiển 43 y(t): Tín hiệu ngõ Ta có hàm truyền điều khiển PID là: (s) = (1 + + s) = + Trong đó: +s : Hệ số tỷ lệ : Hệ số tích phân : Hệ số vi phân Các thơng số cần tìm cho điều khiển PID hệ số: , , Luật chỉnh định PID theo Ziegler-Nichols Bảng 3.1: Luật chỉnh định PID Ta có: = = = 0.066 Khi tìm ta suy được: = = Ta có: Thời gian tích phân: = 2* = 2*20 = 40(s) Thời gian vi phân: = 0.5* = 0.5*20 = 10(s) Suy ra: = = = 0.00165 = = 0.066*10 = 0.66 Vậy hàm truyền điều khiển PID là: (s) = + + s = 0.066 + + 0.66s Mơ hệ thống 44 Hình 3.5: Sơ đồ khối mơ hệ thống có điều khiển PID Hình 3.6: Đáp ứng hệ thống dùng điều khiển PID Nhận xét: • • • Thời gian độ: 150s Độ vọt lố: 17% Thời gian xác lập: 200s 45 3.2 Yêu cầu công nghệ Ấn START hệ thống bắt đầu hoạt động Đầu tiên, van mở cấp nguyên liệu vào bình chứa, nguyên liệu đầy cảm biến S2 báo van cung cấp nguyên liệu đóng lại Khi van cung cấp nguyên liệu đóng lại, thiết bị gia nhiệt bật để nấu nguyên liệu, trình điều khiển nhiệt độ lị nhiệt thực Q trình nấu nguyên liệu kết thúc, tắt thiết bị gia nhiệt van xả mở đưa nguyên liệu ngoài, nguyên liệu bình hết cảm biến S1 báo, van xả đóng lại Q trình lặp lại Khi ấn STOP hệ thống dừng Nút RESET dùng để đặt lại mức nguyên liệu bồn 3.3 Lưu đồ thuật toán START VAN CẢM BIẾN S2 GIA NHIỆT STOP VAN46XẢ NGẮT VAN CẢM BIẾN S1 ĐÓNG VAN XẢ Hình 3.7: Lưu đồ thuật tốn hệ thống 3.4 Chương trình phần mềm PLC S7-300  Tạo dự án mới, cấu hình cho phần cứng Mở phần mềm Step 7, tạo dự án cách vào file -> new project wizard Sau đặt tên cho dự án, chọn đường dẫn lưu, chọn kiểu ngơn ngữ lập trình Ladder nhấn Finish Hình 3.8: Tạo dự án S7-300 47  Xử lí tín hiệu Analog Module analog cơng cụ để xử lý tín hiệu tương tự thơng qua việc xử lý tín hiệu số Trong S7-300, ta dùng hàm SCALE để biến đổi giá trị nhận từ đầu vào Analog sang giá trị nhiệt độ Ta lấy hàm theo đường dẫn: Libraries -> Standard Library -> TI-S7 Converting Blocks Hình 3.9: Khối hàm FC105  Khối hàm PID Trong S7-300, ta dùng khối hàm PID cách: cửa sổ chương trình chính, ta nhấp chuột phải, chọn Insert New Object -> Organization Block Hình 3.10: Tạo khối OB35 Tiếp đến vào khối OB35, ta tạo network mới, lấy hàm FB41 theo đường dẫn Libraries -> Standard Library -> PID Control Blocks 48 Hình 3.10: Khối PID Hình 3.11: Các khối hàm chương trình 3.5 Chương trình phần mềm WinCC 49 Hình 3.12: Giao diện dự án Hình 3.13 Bảng quy định tagbit 50 Hình 3.14: Giao diện thiết kế WinCC 3.6 Kết mơ Hình 3.15: Giao diện mơ S7-300 Hình 3.16: Kết mơ WinCC 51 Hình 3.17: Bộ điều khiển PID đồ thị 52 KẾT LUẬN Trong khuôn khổ đồ án chúng em hồn thành vấn đề sau: - Tìm hiểu tổng quan hệ thống điều khiển ổn định nhiệt độ - Cơ sở PLC S7-300, WinCC thuật tốn PID - Lập trình S7-300, WinCC - Thực mô kiểm chứng Tuy nhiên, kết thu mang tính chất tương đối, đáp ứng phần yêu cầu điều khiển đặt Quá trình thực đồ án hướng dẫn tận tình Th.S Phan Văn Dư cố gắng nỗ lực thân, em hoàn thành đồ án Trong trình thực em củng cố học hỏi thêm nhiều kiến thức kinh nghiệm cho thân Với kiến thức thời gian có hạn nên đồ án chúng em khơng tránh khỏi sai sót Do chúng em mong nhận góp ý đánh giá quý thầy cô để đồ án em hoàn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn! 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lí thuyết điều khiển tuyến tính Nguyễn Dỗn Phước, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2009 [2] Tự động hóa cơng nghiệp với Wincc, Trần Thu Hà, Phạm Quang Huy, Nhà xuất Hồng Đức [3] Tự động hóa với SIMATIC S7-300, Nguyễn Dỗn Phước, Phan Xn Minh, Vũ Văn Hà, Nhà xuất khoa học kỹ thuật 2007 [4] Siemens – Manual PLC S7 – 300, SIEMENS [5] Siemens – WinCC V 7.4, SIEMENS 54 ... lao động người Lò nhiệt có nhiệt độ phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhiệt lượng cung cấp cho lị, nhiệt độ mơi trường, độ cách nhiệt lị Có nhiều phương pháp để điều khiển nhiệt độ lò nhiệt sử dụng điều. .. bày hệ ổn định lò nhiệt độ ta sử dụng diều khiển PID Bộ điều khiển có nhiệm vụ điều khiển nhiệt độ bám theo giá trị nhiệt độ mẫu mà ta đặt trước 3.1.1 Mơ hình tốn học Hàm truyền lò nhiệt xác định... hành, điều khiển, trạm máy tính điều khiển giám sát, trạm máy tính điều hành quản lý cơng ty Các chức hệ SCADA: 27 - Giám sát (Supervisory): Chức cho phép giám sát liên tục hoạt động hệ thống điều