Chương 4 ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ VÀ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
4.1. Đề xuất công nghệ
Để thực hiện mục tiêu đề tài, ta cần thu thập được dữ liệu từ hệ thống thực, phân tích dữ liệu đó để tìm ra hàm truyền mô tả hệ thống, sau đó đưa hàm truyền này vào chương trình điều khiển để viết giải thuật điều khiển cho hệ thống thực.
Để làm được những việc trên, ta cần một hệ thống với các thiết bị và công cụ có thể tương tác và hỗ trợ nhau như: phần cứng thu thập dữ liệu, trung tâm điều khiển (máy tính, PLC, WINCC..), phần mềm và công cụ hỗ trợ ( Matlab, SIMATIC Manager..).
Trong đồ án này nhóm chọn hướng kết hợp giữa phần cứng thu thập dữ liệu là PLC với trung tâm điều khiển là máy tính và phần mềm WINCC.
4.1.1. SIMATIC Manager
SIMATIC Manager là phần mềm cho phép viết các chương trình điều khiển cho các thiết bị trong một dự án. Với các thư viện được Siemens viết sẵn thuộc các loại FC, FB, SFC, SFB giúp cho người dùng dễ dàng lập trình. Có thể liên kết với phần mềm WINCC thông qua các biến địa chỉ để điều khiển và giám sát hệ thống.
- Xử lý tín hiệu analog
- Sơ đồ khối đọc và xử lý tín hiệu analog là dòng hoặc áp:
Hình 4.1 Sơ đồ đọc và xử lý tín hiệu analog và dòng hoặc áp.
17 - Sơ đồ khối đọc và xử lý tín hiệu analog là nhiệt độ lấy trực tiếp từ thermocoupler
hoăc PT:
Hình 4.2 Sơ đồ xử lý tín hiêu analog là nhiệt độ.
- Khối điều khiển PID
Sử dụng khối DB58 để điều khiển PID.
4.1.2. Phần mềm mô phỏng WINCC
Là một phần mềm chuyên dụng để xây dựng giao diện điều khiển HIM ( Human Machine Interface ) trong một hệ thống SCADA ( Supervisory Control And Data Acquisition ) với chức năng chính là thu thập số liệu, giám sát và điều khiển quá trình sản xuất.
Với WINCC có thể tận dụng nhiều giải pháp khác nhau từ thiết kế cho hệ thống có quy mô nhỏ đến quy mô lớn, hệ thống thực hiện sản xuất MES ( Manuafacturing Excution System ). WINCC có thể mô phỏng bằng hình ảnh, các sự kiện xảy ra trong quá trình điều khiển dưới dạng chuổi sự kiện, cung cấp nhiều hàm chức năng cho mục đích hiển thị thông báo, ghi báo cáo, xử lý thông tin đo lường…
WINCC sử dụng chức năng phổ biến sau:
Graphics Designer: Thực hiện dể dàng các chức năng mô phỏng và hoạt động qua các đối tượng đồ họa của chương trình WINCC, I/O , Windows..
TagLogging: Thu thập, lưu trử và xuất ra dưới nhiều dạng khác nhau từ các quá trình đang thực thi.
Alarm Logging: Thực hiện việc hiển thị các thông báo hay các cảnh báo khi hệ thống đang vận hành, nhận thông tin từ các quá trình, hiển thị hồi đáp và lưu trử chúng. Alarm Logging còn giúp chúng ta phát hiện ra nguyên nhân của lỗi.
Report Designer: Tạo ra các thông báo, kết quả và các thông báo này được lưu dưới dạng sự kiện.
User Achivers: Cho phép người dùng lưu trử dữ liệu từ các chương trình ứng dụng và có khả năng trao đỏi dữ liệu với các thiết bị khác.
18 4.1.3. Khối công suất
Khối công suất trong hệ thống giữ một vị trí rất quan trọng vì khối công suất sẽ đảm nhiệm việc điều khiển công suất cho thanh gia nhiệt trong lò nhiệt khi nhận được tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển từ PLC và WINCC. Ở đây do thanh gia nhiệt dùng ở mạng lưới điện xoay chiều 1 pha 220V nên khối công suất G3PX- 220EH đáp ứng được yêu cầu điều khiển được thanh gia nhiệt này.
Tín hiệu điều khiển từ trung tâm điều khiển (máy tính) xuất ra modul AO của PLC là dạng tín hiệu analog ( 4 – 20 mA ), trong khi đối tượng điều khiển (thanh gia nhiệt) là loại dùng điện xoay chiều 220VAC. Do vậy cần có một khối công suất nhằm chuyển đổi tín hiệu từ 4 -20mA thành 0÷220VAC mà vẫn đảm bảo tính liên tục của tín hiệu.
Từ yêu cầu đó, nhóm đã chọn bộ công suất G3PX- 220EH của OMRON.
Hình 4.3 Khối công suất.
Thông số kỹ thuật:
- Tín hiệu điều khiển: 5V - 24V, ON/OFF, 4mA - 20mA . - Khả năng chịu áp: 100 - 240 VAC.
- Khả năng chịu dòng: 20A 50/60 Hz.
- Điện áp cung cấp: 110VAC - 220VAC 50Hz.
19 Sơ đồ đấu dây:
Hình 4.4 Sơ đồ mắc dây khối công suất.
Chân số 1 và 2: kết nối với biến trở để chỉnh ở chế độ bằng tay.
Chân số 3 và số 5: nhận tín hiệu điện áp 5 ÷ 24VDC.
Chân số 4 và số 5: nhận tín hiệu điện áp 1 ÷ 5VDC hoặc tín hiệu dòng từ 4 ÷ 20 mA.
Chân số 6 và số 7: điều chỉnh độ rộng xung.
Chân số 8 và số 10: nguồn cung cấp là 200/220VAC 50/60Hz.
Chân số 9 và số 10: nguồn cung cấp là 100/110VAC 50/60 Hz.
Chân số 11 và số 12: đo dòng ở tải.
Chân số 13 và số 14: reset.
Chân số 15, 16 và 17: alarm Ngõ A và B được nối với tải.
Hình 4.5 Cách mắc dây cho tải.
G3PX-220EH
TẢI TRỞ
Ngõ vào ~
4-20mA Ngõ ra
0-220V
C
20 - Nguyên lý hoạt đông.
- Chế độ ON-OFF:
Khi tín hiệu điều khiển được nối vào chân kích số 3 và 5 thì ngõ ra sẽ là bộ điềukhiển ON-OFF.Tín hiệu điều khiển mức 0 là 0V, mức 1 là 5 ÷ 24VDC.
- Chế độ điều chỉnh dòng điện ngõ ra:
Khi cấp tín hiệu dòng điện từ 4 ÷ 20 mA vào chân kích 4 và 5 thì bộ công suất sẽ xử lý đưa ra góc kích α cho solid state relay (G3PX-220EH) để điều chỉnh điện áp ngõ ra cấp cho thanh gia nhiệt. Ta có đồ thị dạng sóng điện áp trên tải R như sau:
Hình 4.6 Đồ thị dạng sóng điện áp tải R.
Điện áp hiệu dụng tải được tính theo công thức sau:
𝑈𝑅 = √1
2𝜋∫𝛼2𝜋𝑢𝑖2𝑑𝜃 = √1
2𝜋2 ∫ (√2𝑈𝛼𝜋 2𝑠𝑖𝑛𝜃)2𝑑𝜃 (4.1)
= √2𝑈22
𝜋 ∫ 𝑠𝑖𝑛𝛼𝜋 2𝜃𝑑𝜃 = 𝑈2√1 − 𝛼
𝜋+𝑠𝑖𝑛2𝛼
2𝜋
4.1.4. Các module mở rộng PLC Mô hình sử dụng các module:
CPU 312 - 1AE13
Module DI/DO 16 bit – 1BL00
Module AI 8x13 bit – 1KF01
Module AO 2x12 bit – 5HB01