Nâng cao hiệu quả của quá trình điều khiển nhiệt độ trong khuôn phun ép bằng phương pháp điều khiển PID

Nâng cao hiệu quả của quá trình điều khiển nhiệt độ trong khuôn phun ép bằng phương pháp điều khiển PID Nâng cao hiệu quả của quá trình điều khiển nhiệt độ trong khuôn phun ép bằng phương pháp điều khiển PID Nâng cao hiệu quả của quá trình điều khiển nhiệt độ trong khuôn phun ép bằng phương pháp điều khiển PID

Luân Vũ thực đề tài “Nâng cao hiệu trình điều khiển nhiệt độ khuôn phun ép phương pháp điều khiển PID” Để hồn thành khóa luận này, tơi xin chân thành cảm ơn Thầy, Cơ giáo tận tình hướng dẫn, giảng dạy suốt trình học tập, nghiên cứu rèn luyện Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Xin chân thành cảm ơn Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS.Trương Nguyễn Luân Vũ tận tình, chu đáo hướng dẫn tơi thực đề tài cách hồn chỉnh Song buổi đầu làm quen với công tác nghiên cứu khoa học, tiếp cận với thực tế sản xuất hạn chế kiến thức kinh nghiệm nên khơng tránh khỏi thiếu sót định mà thân chưa thấy Tôi mong góp ý q thầy, giáo bạn đồng nghiệp để khóa luận hồn chỉnh Tơi xin chân thành cảm ơn! Tp.Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 09 năm 2016 Học viên thực Nguyễn Văn Sơn TÓM TẮT Nhiệt độ đại lượng vật lý xuất nhiều lĩnh vực công nghiệp, đời sống ngày Nhiệt độ trở nên mối quan tâm hàng đầu cho nhà thiết kế máy điều khiển nhiệt độ ngành Cơ khí nói riêng iii cơng nghiệp nói chung Trong nhiều lĩnh vực, đo kiểm sốt nhiệt độ q trình khơng thể thiếu Nhiệt độ khn đóng vai trị quan trọng hình thành chất lượng sản phẩm Kiểm sốt điểu khiển nhiệt độ khuôn cần thiết để đạt chất lượng sản phẩm tốt Vì thế, kỹ thuật nghiên cứu áp dụng thành công cho sản phẩm địi hỏi cao độ xác tính, phương pháp gia nhiệt điện trở điều khiển PID Một hệ thống muốn xác cần phải hồi tiếp tín hiệu so sánh với tín hiệu vào gửi đến điều khiển đầu Hệ thống điều khiển hồi tiếp có nhiều ưu điểm nên thường thấy hệ thống tự động Đây hệ thống hồi tiếp qua cảm biến cho tín hiệu đo lường nhiệt độ so sánh với giá trị đặt, sai lệch tín hiệu đặt đo đưa tới điều khiển tạo tín hiệu điều khiển cơng suất cấp cho gia nhiệt ABSTRACT Temperature is a physical quantity that it is become one of the most important process in engineering phenomenons There fore, temperature becomes the important things for designers and temperature control of the goals of industry Manufacturing In many fields of the economy, the issue of measuring and controlling temperature is a the process can not replace, especially in industry Mold temperature known as one of the most important role in the formation of product quality The temperature control of molds is essential to achieve the best quality Therefore, a modified technique has been studied and applied successfully iv to provide the products requiring high accuracy, as well as mechanical properties According,the PID control scheme is utilized The temperature control system is often the feed back control system, so-call the error control for the reason of keeping the stability of temperature Due to its advantanges ,such as simple, easy to understand, and effectivenees in used A system want accurate need feedback signals and compares the input and is sent to the controller output Feedback control system has many advantages, it is often found in the automated system This is a feedback system through sensors for temperature measurement signal comparison with the set value, the difference between the set value and measurement will be sent to the control signal generator for power control heater MỤC LỤC Trang tựa tra ng Quyết định giao đề tài i Lý lịch khoa học ii Lời cam đoan iii Lời cảm ơn iv Tóm tắt v Mục lục CHƯƠNG I- TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung v 1.1.1 Đặt vấn đề 1.1.2 Các cơng trình nghiên cứu nước 1.1.2.1 Kết nghiên cứu nước 1.1.2.2 Kết nghiên cứu nước 1.2 Mục đích đề tài 1.3 Nhiệm vụ đề tài giới hạn đề tài 1.3.1 Nhiệm vụ đề tài 1.3.2 Giới hạn đề tài 1.4 Phương pháp nghiên cứu 1.4.1 Nghiên cứu lý thuyết 1.4.2 Nghiên cứu thực nghiệm CHƯƠNG – CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu công nghệ ép phun 2.1.1 Nhu cầu thực tế hiệu thực tế mà phương pháp mang lại 2.1.2 Khái niệm công nghệ ép phun 2.1.3 Đặc điểm công nghệ ép phun 2.2 Lý thuyết truyền nhiệt 2.2.1 Các phương thức trao đổi nhiệt 2.2.1.1 Dẫn nhiệt 2.2.1.2 Trao đổi nhiệt đối lưu 11 2.2.1.3 Trao đổi xạ 13 2.3 Giới thiệu thuật toán điều khiển 15 2.3.1 Thuật toán điều khiển ON-OFF 15 2.3.2 Thuật toán điều khiển PID 17 2.3.2.1 Khâu P 22 2.3.2.2 Khâu I 23 2.3.2.3 Khâu D 24 2.3.2.4 Tổng hợp ba khâu – điều khiển PID 25 2.4 Giới thiệu PLC 26 vi 2.4.1 Tổng quan PLC 26 2.4.2 Cấu trúc 28 2.4.3 Bộ nhớ 29 2.4.4 Bộ xử lý 31 2.5 Phần mềm TIA Prortal 31 2.6 Tìm hiểu khối hàm PID_Compact TIA Portal 32 2.7 Cách cấu hình sử dụng PID_Compact 34 CHƯƠNG – PHƯƠNG PHÁP TÌM HÀM TRUYỀN HỆ THỐNG 3.1 Sử dụng phương pháp thứ Ziegler – Nichols 41 3.2 Thực nghiệm để tìm hàm truyền hệ thống 43 3.2.1 Một số chi tiết cần cho thực nghiệm 43 3.2.1.1 Cấu tạo khuôn (Đối tượng) 43 3.2.1.2 Cảm biến nhiệt độ (Themorcouple) 43 3.2.1.3 Điện trở gia nhiệt 44 3.2.1.4 Đồng hồ nhiệt độ Omrom E5CW-Q1KT 45 3.2.2 Phương pháp thực 46 CHƯƠNG - THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 4.1 Sơ đồ cấu trúc điều khiển 57 4.2 PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC 57 4.2.1 Giới thiệu 57 4.2.2 CPU S7-1200 58 4.2.3 Module mở rộng PLC S7-1200 60 4.2.4 Phương thức giao tiếp 61 4.2.5 Lập trình 62 4.3 Module mở rông PLC S7-1200 SB 1232 62 4.4 Relay bán dẫn analog (Van CH) 63 4.5 Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ 64 4.6 Kết cấu phần cứng 65 vii CHƯƠNG - LẬP TRÌNH VÀ GIAO DIỆN WIN CC 5.1 Chương trình 67 5.2 Thiết kế giao diện người dung kết đạt 71 5.2.1 Thiết kế giao diện người dung 71 5.2.2 Kết đạt 73 CHƯƠNG - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 6.1 Tóm tắt đánh giá kết 77 6.2 Đề nghị hướng phát triển đề tài 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình Tran g Hình 1.1: So sánh thay đổi nhiệt độ đo cho phương pháp gia nhiệt khí nóng gia nhiệt nước nóng Hình 1.2: So sánh kết mơ thí nghiệm cho khn C45 Hình 1.3: Biểu đồ nhiệt độ tâm bề mặt lịng khn hai insert Al, CT3 Hình 2.1: Nguyên lý dẫn nhiệt 10 Hình 2.2: Tỏa nhiệt đối lưu 11 Hình 2.3a: Truyền nhiệt đối lưu tự nhiên 12 Hình 2.3 b: truyền nhiệt đối lưu cưỡng 12 Hình 2.4: Truyền nhiệt xạ 13 Hình 2.5: Biểu đồ thời gian thuật toán điều khiển ON-OFF 15 viii Hình 2.6: Phương pháp điều khiển theo kiểu PWM 16 Hình 2.7: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vịng kín 17 Hình 2.8: Sơ đồ khối điều khiển PID 18 Hình 2.9: Đặc tính đáp ứng đầu điều khiển 19 Hình 2.10: Cấu trúc PID mắc song song 21 Hình 2.11: Cấu trúc PID mắc nối tiếp 20 Hình 2.12 Sơ đồ khối khâu P 23 Hình 2.13: Đáp ứng khâu P 23 Hình 2.14 Sơ đồ khối khâu I 23 Hình 2.15 Đáp ứng khâu I PI 21 Hình 2.16 Sơ đồ khối khâu D 25 Hình 2.17: Đáp ứng khâu D PD 25 Hình 2.18 Sơ đồ khối điều khiển PID 26 Hình 2.19 Đáp ứng khâu P, PI PID 26 Hình 2.20 Khối hàm PID_Compact TIA Portal 32 Hình 2.21 Cấu hình PID_Conpact 35 Hình 2.22 Chọn Organization block (OB) 35 Hình 2.23 Lấy khối hàm PID_Compact 36 Hình 2.24 Nhập biến khai báo 37 Hình 2.25 Chọn loại điều khiển 37 Hình 2.26 Nhập thơng số scaling 38 Hình 2.27 Nhập thông số KP, KI, KD 39 Hình 2.28 Bắt đầu kích hoạt điều khiển 39 Hình 2.29 Giám sát hệ thống đồ thị 40 Hình 3.1a Đặc tính xác khuôn nhiệt 42 Hình 3.1b Đặc tính gần khn nhiệt 42 Hình 3.2 Đối tượng cần điều khiển 43 Hinh 3.3 Cảm biến nhiệt độ 44 Hình 3.4 Điện trở gia nhiệt 45 ix Hình 3.5 Đồng hồ nhiệt 45 Hình 3.6 Sơ đồ khối thực nghiệm để xác định đặc tính khn 46 Hình 3.7 Sơ đồ phần cứng chuẩn bị cho thực nghiệm 47 Hinh3.8 Đồ thị đặc tính khn thí nghiệm 48 Hinh3.9 Đồ thị đặc tính khn thí nghiệm 50 Hinh3.10 Đồ thị đặc tính khn thí nghiệm 51 Hinh3.11 Đồ thị đặc tính khn thí nghiệm 52 Hinh 3.12 Đồ thị đặc tính khn thí nghiệm 53 Hinh 3.13 Đồ thị đặc tính khn thí nghiệm 54 Hinh 3.14 Đồ thị đặc tính khn thí nghiệm 55 Hình 4.1 Sơ đồ cấu trúc điều khiển 57 Hình 4.2 khối chức S7-1200 59 Hình 4.3 Các module mở rộng PLC S7-1200 61 Hình 4.4 Phương thức giao tiếp PLC S7 1200 62 Hình 4.5 Module mở rộng OA, SB 1232 63 Hình 4.6 Relay bán dẫn Analog 1pha 64 Hình 4.7 Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ sang điện áp 65 Hình 4.8 Sơ đồ phần cứng 65 Hình 4.9 Sơ đồ phần điều khiển 66 Hình 5.1: Chương trình khởi động 67 Hình 5.2: Chương trình khởi động quạt 67 Hình 5.3: Nhiệt độ cài đặt ban đầu 68 Hình 5.4: Phản hồi tín hiệu 68 Hình5.5: Hiển thị nhiệt độ 69 Hình 5.6: Xuất tín hiệu điều khiển 69 Hình 5.7: PID_Compact 70 Hình 5.8: Màn hình 71 Hình 5.9: Màn hình điểu khiển 71 Hình 5.10: Màn hình biểu đồ thực 72 x Hình 5.11: Bảng cập nhập nhiệt độ 72 Hình 5.12 biểu đồ điều khiển phương pháp ON/OFF 73 Hình 5.13 Biểu đồ chưa điều chỉnh điều khiển 73 Hình 5.14 Cài đặt thơng số KP, KI, KD theo tính tốn 74 Hình 5.15 Cài đặt với với nhiệt độ 90oC 74 Hình 5.16: Cài đặt với nhiệt độ 100oC 75 Hình 5.17 Cài đặt nhiệt độ 130oC 76 xi DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng Trang Bảng 2.1 Bảng chiều dài xạ tia xạ 14 Bảng 2.2 Bảng ảnh hưởng thành phần KP, KI, KD lên hệ thống 18 Bảng 2.3 Bảng chi tiết liệu PID_Compact PLC 34 Bảng 3.1 Bảng tính tốn thơng số điều khiển 42 Bảng 3.2 Bảng thông số kỹ thuật đồng hồ nhiệt E5CW-Q1KT .46 Bảng 3.3 Bảng kết thí nghiệm lần 48 Bảng 3.4 Bảng kết thí nghiệm lần 50 Bảng 3.5 Bảng kết thí nghiệm lần 51 Bảng 3.6 Bảng kết thí nghiệm lần 52 Bảng 3.7 Bảng kết thí nghiệm lần 53 Bảng 3.8 Bảng kết thí nghiệm lần 54 Bảng 3.9 Bảng kết thí nghiệm lần 55 Bảng 3.10 Bảng tổng kết qua lần thí nghiệm .56 Bảng 4.1 Bảng thông số kỹ thuật dòng PLC S7-1200 .60 xii + Thời gian đáp ứng: Input to output 20ms + Nhiệt độ hoạt động: -25 đến 70 oC Hình 4.6 Relay bán dẫn Analog 1pha 4.5 Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ Nhận liệu từ cảm biến nhiệt độ chuyển đổi sang tín hiệu dịng điện cho PLC sử lý liệu Thông số kỹ thuật:  Model : M5TS-24-R  Input : Thermocouple loại K ,từ đến 800 oC  Output : Dòng điên/Điện áp : đến 10 VDC  Nguồn cấp : 24VDC 60 Hình 4.7: Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ sang điện áp 4.6 Kết cấu phần cứng Hình 4.8: sơ đồ phần cứng 61 Hình 4.9: Sơ đồ phần điều khiển Chương 62 LẬP TRÌNH VÀ THIẾT KẾ GIAO DIỆN WIN CC 5.1 Chương trình  Network Hình5.1 Chương trình khởi động Khi bấm nút Start nguồn mở, hệ thống bắt đầu hoạt động bấm nút stop nguồn tắt, hệ thống ngừng hoạt động  Network Hình 5.2 chương trình khởi động quạt Khi bấm chạy quạt nguồn quạt tự động bật, quạt bắt đầu chạy, bấm dừng quạt mạch hở, nguồn quạt tắt  Network 63 Hình 4.3: nhiệt độ cài đặt ban đầu Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ sang tín hiệu số PLC hiểu được, nhiệt độ cài đặt điều khiển từ đến 800 oC, tương ứng với từ đến 27648  Network Hình 5.4: phản hồi tín hiệu Đọc giá trị input từ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ sang điện áp từ đến 10VDC, chuyển đổi sang tín hiệu số tương ứng từ đến 10VDC với từ đến 27648  Network 64 Hình5.5: Hiển thị nhiệt độ Chuyển đổi tín hiệu số từ đến 27648 tương ứng với tín hiệu nhiệt độ từ đến 800oC đo sang tín hiệu nhiệt độ để hiển thị lên hình nhiệt độ  Network Hình5.6: Xuất tín hiệu điều khiển Là hàm chuyển đổi tín hiệu out hệ thống sang tín hiệu out Analog thơng qua modun out put analog SB 1232 gắn PLC để xuất tín hiệu từ đến 10 VDC, để điều khiển relay bán dẫn analog  Network 65 Hình 5.7: PID_Compact Là khối PID_Compact, hiển thị tất thông số chạy điều khiển 5.2 Thiết kế giao diện WIN CC kết đạt 5.2.1 Giao diện WIN CC 66 Hình 5.8: Màn hình Hình 4.9: Màn hình điểu khiển 67 Hình 5.10: Màn hình biểu đồ thực Hình 5.11: Bảng cập nhập nhiệt độ 5.2.2 Những kết đạt 5.2.2.1 Kết điều khiển phương pháp ON/OFF 68 Hình 5.12: Biểu đồ điều khiển phương pháp ON/OFF Biểu đồ khơng có điều khiển cho ta thấy nhiệt độ khơng đạt u cầu đặt ban đầu mà có vọt lố lớn 5.2.2.2 kết chưa điều chỉnh thơng số KP,KD,KI Hình 5.13: Biểu đồ chưa điều chỉnh điều khiển Biểu đồ chưa hiệu chỉnh độ vọt lố nhiệt độ lớn tính ổn định khơng có 4.2.2.2 Kết điều chỉnh thông số KP, KD, KI theo tính tốn 69 Hình5.14: Cài đặt thơng số KP, KD, KI theo tính tốn  Thí nghiệm cài đặt nhiệt độ 90oC Hình5.15: Cài đặt với với nhiệt độ 90oC Từ biểu đồ cho ta thấy nhiệt độ cài đặt 90oC , khoảng 80s nhiệt độ đạt tới mức 90oC nhiệt nên vọt lố 105oC , hệ thống ổn định nhiệt độ trì mức từ 89oC đến 93oC 70 Qua thí nghiệm ta thấy hệ thống hoạt động ổn định sau vọt lố nhiệt, thời gian để hệ thống vào ổn định cịn dài khơng có phận giải nhiệt cho khn  Thí nghiệm nhiệt độ cài đặt 100oC Hình 5.16: Cài đặt với nhiệt độ 100oC Từ biểu đồ ta thấy nhiệt độ đặt 100oC sau thời gian khoảng 100s hệ thống đạt mức nhiệt độ 100oC nhiệt nên hệ thống vọt lố lên 115oC , Sau hệ thống ổn định nhiệt độ bắt đầu trì 99oC tới 104oC, hệ thống hoạt động dải nhiệt  Thí nghiệm nhiệt độ đặt 130oC 71 Hình 5.17: Cài đặt nhiệt độ 130oC Ban đầu thay đổi thơng số KP, KI, KD thấy độ ổn định khơng có độ vọt lố nhiều sau thấy tình hình khơng khả nên thay đổi thơng số số ban đầu thấy hệ thống hoạt động ổn định trở lại với mức cài đặt nhiệt độ ban đầu 130oC nhiệt độ thực tế đo bám sát với nhiệt độ đặt tương ứng từ 129oC tới 133oC Qua thí nghiệm ta thấy thơng số KP, KI, KD quan trọng cần thay đổi thống số hệ thống hoạt động không ổn định thông số ta thực nghiệm nhiều lần tính tốn thông số CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 6.1 Tóm tắt đánh giá kết 72 Đề tài “Nâng cao hiệu trình điều khiển nhiệt độ khuôn phun ép phương pháp điều khiển PID” thực nghiêm túc thời gian dài Trong khoảng thời gian đó, nghiên cứu,ứng dụng tài liệu, cơng trình nghiên cứu khoa học nước để hoàn thành đề tài với mục tiêu đề Kết cuối đề tài cho thấy sư hiệu phương pháp điều khiển PID, nhiệt độ đặt nhiệt độ thực tế mà khuôn đạt không vượt mức cho phép 4%, hệ thống đạt độ ổn định cao, không bị ảnh hưởng nhiều tác động nhiễu, hệ thống giám sát điều khiển hình HIM, từ làm chủ trình điều khiển nhiệt độ góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm Đã ứng dụng phần mềm chuyên nghành TIA Portal, Win CC, PLC để điều khiển lập trình hệ thống Tuy nhiên, có hạn chế hệ thống giải nhiệt chưa có nên bắt đầu trình hệ thống xảy tượng nhiệt, nên thời gian để hệ thống đạt giá trị xác lập bị kéo dài 6.2 Đề nghị hướng phát triển đề tài Với kết thực nghiệm mà đề tài đạt xem hướng nghiên cứu việc điều khiển nhiệt độ khuôn phun ép, tương lai số hướng phát triển đề tài sau:  Nghiên cứu phát triển lắp đặt thêm hệ thống giải nhiệt khuôn phun ép để thời gian lên điều khiển nhiệt độ nhanh thời gian độ nhanh  Ngồi khn khổ áp dụng phương pháp cho khn phun ép, phương pháp cịn áp dụng cho hệ thống lò nhiệt, lò hơi, lò nung …… 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT [1] TS.Phạm Sơn Minh, Giáo trình “thiết kế chế tạo khn ép nhựa”, NXB Đại Học Quốc Gia TP.HCM [2] TS Huỳnh Thái Hồng, giáo trình “Lý thuyết điều khiển tự động”, Đại Học Bách Khoa TP.HCM [3] TS Nguyễn Đức Thành “Đo lường điều khiển máy tính”, NXB Đại Học Quốc Gia Tp.HCM [4]Th.s Phùng Huy Dũng, đề tài “Gia nhiệt cục cho lịng khn ép nhựa khn nóng”Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM [5]KS Nguyễn Tấn Phùng, Đề tài “Tối ưu hóa hệ thống điều khiển nhiệt độ điện trở nước cho khuôn dương” Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM [6]KS Nguyễn Văn Dũng, đề tài “Nghiên cứu phân bố nhiệt độ khuôn dương với phương pháp gia nhiệt điện trở” Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM TIẾNG NƯỚC NGOÀI [7] Feasibility evaluation of gas-assisted heating for mold surface temperature control during injection molding process Shia-Chung Chen, Rean-Der Chien, SuHsia Lin, Ming-Chung Lin, Jen- An Chang Department of Mechanical Engineering, Chung Yuan Christian University, Chung-Li 32023, Taiwan, ROC [8] Truong Nguyen Luan Vu and Moonyong Lee “An Extended Method of Simplied Decoupling for Multivariab le Processes with Multiple Time Delays” JCEJ [9] Truong Nguyen Luan Vu and Moonyong Lee “A unified approach to the design of advanced proportional-integral-derivative controllers for time-delay processes” 74 ... chọn đề tài ? ?Nâng cao hiệu trình điều khiển nhiệt độ khuôn phun ép phương pháp PID? ?? với mục đích tìm phương pháp để khắc phục tượng không ổn định nhiệt độ khuôn phun ép nhằm nâng cao chất lượng... điểu khiển nhiệt độ khuôn cần thiết để đạt chất lượng sản phẩm tốt Chính tác giả chọn đề tài ? ?Nâng cao hiệu trình điều khiển nhiệt độ khuôn phun ép phương pháp PID? ?? với mục đích sau: - Gia nhiệt. .. cho khuôn phun ép - Điều khiển giám sát hệ thống qua hình - Kiểm sốt q trình gia nhiệt cho khuôn phun ép - Nâng cao hiệu suất gia nhiệt cho khn từ nâng cao chất lượng tăng suất việc phun ép nhựa