Tài liệu ứng dụng plc điều khiển và ổn định lò nhiệt (link bản vẽ ở trang cuối)

i TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HÓA -----o0o----- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ỨNG DỤNG PLC ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH LÒ NHIỆT TP. HỒ CHÍ MINH – 09/2011 ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT ii Đại học GTVT TP HCM Khoa Điện - ĐTVT Bộ môn Tự động hóa CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc TP Hồ Chí Minh, ngày …tháng …năm 2011 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1. TÊN ĐỒ ÁN : - Ứng dụng PLC điều khiển và ổn định lò nhiệt 2. YÊU CẨU CỦA ĐỒ ÁN: - Tìm hiểu PLC S7-300. Tìm hiểu cách lập trình giao diện. Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của lò nhiệt. Tìm hiểu phần cứng của lò nhiệt. Tìm hiểu nguyên lý điều khiển và ổn định lò nhiệt. Thi công mạch điều khiển, mạch động lực lò nhiệt. Lập trình điều khiển lò nhiệt. Lập trình giao diện. Kết nối với phần cứng. 3. NGÀY GIAO ĐỒ ÁN: 01/06/2011. 4. NGÀY HOÀN THÀNH ĐỒ ÁN : 30/08/2011. 5. HỌ VÀ TÊN NGƯỜI HƯỚNG DẪN PHẦN HƯỚNG DẪN Ths. Đặng Hữu Thọ. Nội dung và yêu cầu của đồ án tốt nghiệp đã được Bộ môn thông qua. Tp. HCM, ngày …tháng …năm 2011 TRƯỞNG BỘ MÔN (Ký và ghi rõ họ tên) Ths. Đặng Hữu Thọ NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH (Ký và ghi rõ họ tên) Ths. Đặng Hữu Thọ ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT iii Đại học GTVT TP HCM Khoa Điện - ĐTVT Bộ môn Tự động hóa CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc TP Hồ Chí Minh, ngày …tháng …năm 2011 BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1. NỘI DUNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: • Tìm hiểu đối tượng lò nhiệt và các phương pháp điều khiển lò nhiệt (một đối tượng thường gặp trong công nghiệp có quán tính lớn và tầm hoạt động rộng). • Thiết kế mạch điều khiển, mạch công suất để điều khiển công suất lò nhiệt (sử dụng phương pháp điều áp xoay chiều dùng van bán dẫn thyristor hay còn gọi là phương pháp điều khiển pha). • Ứng dụng các hàm thư viện đặc biệt, các module analog chuyên dụng của PLC S7-300 để điều khiển và ổn định lò nhiệt. • Thiết kế giao diện để giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu hoạt động của lò nhiệt thông qua phần mềm WinCC. 2. NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: ........................................................................................................................................................................ ........................................................................................................................................................................ ........................................................................................................................................................................ ........................................................................................................................................................................ ........................................................................................................................................................................ ........................................................................................................................................................................ ........................................................................................................................................................................ ........................................................................................................................................................................ 3. ĐÁNH GIÁ ĐỒ ÁN THUỘC LOẠI : ........................................................... ĐIỂM : ................................. ....................................................................................................................................................................... Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2011 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ tên) Ths. Đặng Hữu Thọ ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT iv Đại học GTVT TP HCM Khoa Điện - ĐTVT Bộ môn Tự động hóa CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc TP Hồ Chí Minh, ngày …tháng …năm 2011 BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1. NỘI DUNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: • Tìm hiểu đối tượng lò nhiệt và các phương pháp điều khiển lò nhiệt (một đối tượng thường gặp trong công nghiệp có quán tính lớn và tầm hoạt động rộng). • Thiết kế mạch điều khiển, mạch công suất để điều khiển công suất lò nhiệt (sử dụng phương pháp điều áp xoay chiều dùng van bán dẫn thyristor hay còn gọi là phương pháp điều khiển pha). • Ứng dụng các hàm thư viện đặc biệt, các module analog chuyên dụng của PLC S7-300 để điều khiển và ổn định lò nhiệt. • Thiết kế giao diện để giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu hoạt động của lò nhiệt thông qua phần mềm WinCC. 2. NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN: ........................................................................................................................................................................ ........................................................................................................................................................................ ........................................................................................................................................................................ ........................................................................................................................................................................ 3. CÂU HỎI CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN: ........................................................................................................................................................................ ........................................................................................................................................................................ ........................................................................................................................................................................ ........................................................................................................................................................................ 4. ĐÁNH GIÁ ĐỒ ÁN THUỘC LOẠI : ........................................................... ĐIỂM : ................................. ....................................................................................................................................................................... Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2011 GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN (Ký và ghi rõ họ tên) ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT v LỜI CẢM ƠN  Để đạt được thành quả này, chúng em xin chân thành cảm ơn toàn thể thầy cô giáo khoa Điện – Điện Tử Viễn Thông, đặc biệt là các thầy cô giáo bộ môn Tự Động Hóa của trường Đại học Giao Thông Vận Tải Thành Phố Hồ Chí Minh đã tận tình chỉ dạy và trang bị cho chúng em những kiến thức cơ bản về chuyên ngành. Đó là nền tảng để chúng em thực hiện đồ án này và là cũng là một nền tảng vững chắc phục vụ cho công việc của chúng em sau khi ra trường. Xin chân thành cảm ơn thầy Đặng Hữu Thọ là người hướng dẫn chính đã tận tình giúp đỡ, định hướng, góp ý và cung cấp những ý tưởng quý báu cũng như cung cấp tài liệu tham khảo cho chúng em trong suốt quá trình làm đồ án. Xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Huy, cô Đoàn Diễm Vương, cùng một số thầy cô khác đã hướng dẫn, góp ý và tạo điều kiện thuận lợi để chúng em hoàn thành đồ án này. Chúng em cũng xin cảm ơn bạn bè và người thân đã tạo cơ hội và giúp đỡ chúng em hoàn thành tốt đồ án này. Vì kinh nghiệm thực tế còn hạn chế nên trong quá trình thực hiện đồ án chúng em không tránh khỏi những thiếu sót và sai lầm, chúng em mong được sự chỉ bảo, góp ý tận tình từ phía các thầy cô để đồ án của chúng em được hoàn thiện hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn! ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT vi TÓM TẮT Trong quá trình hoàn thành đồ án tốt nghiệp, chúng em đã được củng cố các kiến thức thực tiễn cũng như chuyên ngành. Đồng thời đã tìm hiểu, thực nghiệm, thiết kế và điều khiển đối tượng lò nhiệt. Nhiệm vụ của đồ án là tìm hiểu, thực hiện các mục tiêu sau: ▪ Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của lò nhiệt, một đối tượng thường gặp trong công nghiệp với công suất lớn, độ quán tính nhiệt lớn và tầm hoạt động rộng. ▪ Tìm hiểu các phương pháp điều khiển nhiệt độ cổ điển và thiết kế bộ điều khiển PID theo phương pháp thực nghiệm của Ziegler – Nichols và phương pháp đại số. ▪ Thiết kế mạch công suất điều khiển đối tượng lò nhiệt theo phương pháp điều khiển pha (thay đổi góc mở van bán dẫn – trong đồ án chọn van bán dẫn là hai thyristor đấu song song ngược trên một pha). Đồng thời thiết kế mạch điều khiển van bán dẫn theo phương pháp điều khiển thẳng đứng tuyến tính. ▪ Sử dụng các hàm thư viện chuẩn trong PLC S7-300 để thu thập và điều khiển nhiệt độ như: hàm scale AI, hàm PID, hàm unscale AO,…. Và sử dụng các module chuyên dụng để đọc tín hiệu nhiệt độ từ cảm biến RTD,…. ▪ Giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu hoạt động của lò nhiệt sử dụng phần mềm WinCC (Windows Control Center) của công ty Siemens. ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT vii MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ....................................................................................... ii BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .............................................................................iii BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ............................................................................. iv LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................................... v TÓM TẮT ................................................................................................................................ vi MỤC LỤC ............................................................................................................................... vii DANH SÁCH HÌNH VẼ .......................................................................................................... x DANH SÁCH BẢNG BIỂU ..................................................................................................... x DANH SÁCH CÔNG THỨC ...............................................................................................xiii CHƯƠNG 1 ............................................................................................................................... 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI ..................................................................................... 1 1.1 Giới thiệu về đối tượng và phương pháp điều khiển ........................................................ 1 1.2 Nhiệm vụ đồ án: ................................................................................................................ 2 CHƯƠNG 2 ............................................................................................................................... 4 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT .................................................................... 4 2.1 Lò nhiệt ( lò điện trở)........................................................................................................ 4 2.1.1 Giới thiệu chung về lò nhiệt .................................................................................... 4 2.1.1.1 Định nghĩa .......................................................................................................... 4 2.1.1.2 Ưu điểm của lò điện............................................................................................ 5 2.1.1.3 Nhược điểm của lò điện ...................................................................................... 5 2.1.2 Những yêu cầu cơ bản đối với cấu tạo của lò điện trở ......................................... 5 2.1.3 Cấu tạo của lò điện trở ............................................................................................ 7 2.1.3.1 Vật nung, dây nung ............................................................................................. 7 2.1.3.2 Vỏ lò điện trở ...................................................................................................... 9 2.1.3.3 Lớp lót ................................................................................................................ 9 2.1.4 Đối tượng lò nhiệt được sử dụng trong luận văn ................................................ 10 2.2 Cảm biến nhiệt độ ........................................................................................................... 11 2.2.1Thermocoupble (cặp nhiệt điện) ........................................................................... 11 2.2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý đo ................................................................................... 11 2.2.1.2 Một số loại cặp nhiệt thông dụng ..................................................................... 12 2.2.1.3 Ưu và nhược điểm của Thermocouple ............................................................. 13 2.2.1.4 Bù nhiệt độ môi trường..................................................................................... 14 2.2.2 RTD (Thermal Resistor) ....................................................................................... 14 2.2.3 Thermitor(thermally sensitive resistor)............................................................... 17 ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT viii 2.2.4 IC cảm biến ............................................................................................................ 18 2.3 Các phương pháp điều khiển nhiệt độ ............................................................................ 19 2.3.1 Điều khiển ON-OFF .............................................................................................. 19 2.3.2 Điều khiển bằng khâu tỉ lệ (P) .............................................................................. 21 2.3.3 Điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ (PD) ............................................................. 22 2.3.4 Điều khiển bằng khâu tích phân tỉ lệ (PI) ........................................................... 23 2.3.5 Điều khiển bằng khâu vi tích phân tỉ lệ (PID) .................................................... 24 2.4 Thư viện hàm S7-300 sử dụng trong luận văn................................................................ 27 2.4.1 Hàm chuyển đổi Sacle FC105 ............................................................................... 27 2.4.2 Module analog SM331 của S7-300 ....................................................................... 29 2.4.3 Hàm chuyển đổi Unscale FC106........................................................................... 31 2.4.4 Module mềm PID ................................................................................................... 34 2.4.5 Hàm PID FB41 “CON_C” .................................................................................... 39 CHƯƠNG 3 ............................................................................................................................. 51 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THI CÔNG MẠCH ĐỘNG LỰC ............................................. 51 3.1 Nguyên lý làm việc của lò điện trở ................................................................................. 51 3.2 Yêu cầu của mạch động lực ............................................................................................ 51 3.3 Tính toán chọn van bán dẫn ........................................................................................... 53 3.4 Tính toán bảo vệ van bán dẫn ........................................................................................ 56 3.4.1 Bảo vệ quá dòng ..................................................................................................... 56 3.4.2 Bảo vệ quá áp ......................................................................................................... 57 3.5 Thi công thực tế .............................................................................................................. 60 CHƯƠNG 4 ............................................................................................................................. 61 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THI CÔNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN THYRISTOR .................. 61 4.1 Nguyên tắc điều khiển thyristor ...................................................................................... 61 4.1.1 Nguyên tắc mở van thyristor ................................................................................ 61 4.1.2 Cấu trúc mạch điều khiển thyristor..................................................................... 62 4.1.3 Nguyên tắc điều khiển thyristor ........................................................................... 62 4.2 Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển ..................................................................... 64 4.3 Vi mạch TCA 785 ............................................................................................................ 68 4.3.1 Giới thiệu TCA 785: .............................................................................................. 68 4.3.2 Chức năng và ký hiệu các chân của TCA 785 ..................................................... 68 4.4 Tính toán mạch điều khiển.............................................................................................. 75 4.5 Thi công thực tế .............................................................................................................. 79 CHƯƠNG 5 ............................................................................................................................. 83 THIẾT KẾ KHÂU HIỆU CHỈNH PID ................................................................................ 83 5.1 Khảo sát vòng hở lò nhiệt ............................................................................................... 83 5.2 Điều khiển vòng kín ........................................................................................................ 86 ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT ix 5.3 Thiết kế bộ điều khiển PID bằng phương pháp Ziegler-Nichols .................................... 88 5.4 Thiết kế bộ điều khiển PID bằng phương pháp đại số .............................................................. 90 5.5 Đặc trưng của các bộ điều khiển P,I,D .......................................................................... 96 CHƯƠNG 6 ............................................................................................................................. 97 GIẢI THUẬT VÀ CHƯƠNG TRÌNH .................................................................................. 97 6.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống ................................................................................................ 97 6.1.1 Giao tiếp giữa PC và PLC ..................................................................................... 97 6.1.2 Cảm biến và PLC................................................................................................... 98 6.1.3 Lò nhiệt và PLC ..................................................................................................... 98 6.2 Chương trình chính......................................................................................................... 99 6.3 Chương trình con .......................................................................................................... 101 6.3.1 Chế độ 1 ................................................................................................................ 102 6.3.2 Chế độ 2 ................................................................................................................ 104 6.4 Giải thích giao diện điều khiển..................................................................................... 107 CHƯƠNG 7 ........................................................................................................................... 112 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ............................... 112 7.1 Kết quả thực nghiệm ..................................................................................................... 112 7.1.1 Kết quả thực nghiệm với phương pháp đại số .................................................. 112 7.1.2 Kết quả thực nghiệm với phương pháp Ziegler – Nichol................................. 114 7.1.3 Những khó khăn gặp phải................................................................................... 117 7.2 Hướng phát triển đề tài ................................................................................................ 117 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................... 119 PHỤ LỤC .............................................................................................................................. 119 ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT x DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1: Dạng tổng quát của một hệ thống hồi tiếp ......................................................2 Hình 2.1: Cặp nhiệt điện thực tế ....................................................................................11 Hình 2.2: Cấu tạo của cặp nhiệt điện .............................................................................12 Hình 2.3: Kết nối cặp nhiệt điện với dụng cụ đo ...........................................................13 Hình 2.4: Cấu tạo RTD ..................................................................................................15 Hình 2.5: Một số loại Thermitor ....................................................................................17 Hình 2.6: Cấu tạo cảm biến IC bán dẫn.........................................................................18 Hình 2.7: Sơ đồ điều khiển lò nhiệt ...............................................................................20 Hình 2.8: Đặc tính điều khiển của điều khiển ON – OFF .............................................20 Hình 2.9:Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu tỉ lệ (P) ...............................................21 Hình 2.10: Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ (PD) với P = 1 ............22 Hình 2.11 : Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ (PI) với P = 1 .............23 Hình 2.12: Sơ đồ điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID ..............................................25 Hình 2.13: So sánh đáp ứng của hệ thống so với các bộ điều khiển. ............................27 Hình 2.14: Đồ thị mô tả hàm scale AI ...........................................................................28 Hình 2.15: Cú pháp hàm FC105 dạng LAD ..................................................................28 Hình 2.16: Sơ đồ nối dây của module SM331 AI/AO 2x12 bit ....................................29 Hình 2.17: Sơ đồ kết nối cảm biến RTD với module analog input ...............................31 Hình 2.18: Cú pháp hàm FC106 dạng LAD ..................................................................32 Hình 2.19: Sơ đồ kết nối ngõ ra analog output với tải ..................................................33 Hình 2.20: Sơ đồ điều khiển PID ..................................................................................34 Hình 2.21: Cửa sổ cài đặt các thông số cho bộ PID mềm .............................................37 Hình 2.22: Sơ đồ cấu trúc module PID .........................................................................39 Hình 2.23: Sử dụng module PID ...................................................................................43 Hình 3.1: Nguyên lý mạch động lực..............................................................................52 Hình 3.2: Dạng điện áp ngõ ra khi qua thyristor ...........................................................52 Hình 3.3: Nguyên lý mạch động lực có cuộn dây L bảo vệ ..........................................57 Hình 3.4: Đồ thị quá trình biến thiên điện áp và dòng điện ..........................................58 Hình 3.5: Nguyên lý mạch động lực có thêm R, C bảo vệ ............................................58 Hình 3.6: Nguyên lý mạch động lực hoàn chỉnh ...........................................................60 Hình 3.7: Mạch nguyên lý trên orcad của mạch động lực.............................................60 Hình 4.4: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos” .................................................63 Hình 4.5: Đồ thị các xung điều khiển thyristor .............................................................65 Hình 4.6: Đồ thị quá trình điều khiển thyristor .............................................................66 Hình 4.7: Nguyên lý mạch điều khiển thyristor ............................................................67 Hình 4.8: Hình dạng vi mạch TCA 785 ........................................................................68 Hình 4.9: Sơ đồ khối TCA 785......................................................................................71 Hình 4.10: Đồ thị tạo xung ngõ ra TCA 785 .................................................................72 Hình 4.11: Sơ đồ mạch điều khiển thyristor bằng TCA 785 (theo datasheet) ..............74 Hình 4.12: Khối khuếch đại xung và biến áp xung .......................................................76 Hình 4.13: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển trên orcad ..............................................81 Hình 4.14: Layout của mạch điều khiển và mạch động lực ..........................................82 Hình 5.1: Đáp ứng nấc của lò nhiệt ...............................................................................84 ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT xi Hình 5.2: Đáp ứng nấc thực tế của lò nhiệt ...................................................................85 Hình 5.3: Sơ đồ điều khiển vòng kín .............................................................................86 Hình 5.4: Sơ đồ khối điều khiển vòng kín .....................................................................86 Hình 5.5: Sơ đồ tóm tắt hệ thống...................................................................................88 Hình 5.6: Sơ đồ điều khiển hệ thống dùng cho phương pháp đại số .............................91 Hình 6.1: Sơ đồ tổng quát hệ thống ...............................................................................97 Hình 6.2: Lưu đồ chương trình chính ............................................................................99 Hình 6.3: Lưu đồ thuật toán chế độ 1 ..........................................................................102 Hình 6.4: Lưu đồ thuật toán chế độ 2 ..........................................................................104 Hình 6.5: Đặc tuyến nhiệt độ - thời gian .....................................................................105 Hình 6.6: Giao diện điều khiển chính ..........................................................................107 Hình 6.7: Đồ thị thu thập nhiệt độ ...............................................................................110 Hình 6.8: Bảng thu thập thông số nhiệt độ ..................................................................110 Hình 6.9: Đồ thị công suất ...........................................................................................111 Hình 7.1: Đáp ứng ngõ ra ở chế độ 1 với phương pháp đại số....................................113 Hình 7.2: Giá trị nhiệt độ được thu thập ở chế độ 1 phương pháp đại số ...................113 Hình 7.3: Đáp ứng ngõ ra ở chế độ 2 phương pháp đại số ..........................................114 Hình 7.4: Đáp ứng ra thực tế ở chế độ 1 phương pháp Ziegler – Nichol ....................115 Hình 7.5: Đáp ứng ra thực tế ở chế độ 2 phương pháp Ziegler – Nichol ....................116 ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT xii DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Phân loại cặp nhiệt điện ................................................................................12 Bảng 2.2: So sánh các phương pháp điều khiển ............................................................26 Bảng 2.3: Giá trị chuyển đổi module analog ngõ vào đối với cảm biến Pt 100, 200, 500, 1000 dạng tiêu chuẩn (giá trị %). ..........................................................................30 Bảng 2.4: Quan hệ giữa giá trị số PLC quy đổi và dãi nhiệt độ ngõ vào. .....................30 Bảng 2.5:Quan hệ giữa giá trị số PLC và dãi điện áp ngõ ra ±10V ..............................33 Bảng 2.6: Khai báo tham số cho module PID ...............................................................38 Bảng 2.7: Mô tả các tín hiệu đầu vào khối PID.............................................................43 Bảng 2.8: Mô tả các tín hiệu đầu ra ...............................................................................49 Bảng 4.1: Chức năng các chân của vi mạch TCA 785 ..................................................69 Bảng 5.1: Các thông số của bộ điều khiển PID được xác định theo cách 1 ..................89 Bảng 5.2: Các thông số của bộ điều khiển PID được xác định theo cách 2 ..................89 Bảng 5.3: Các thông số bộ điều khiển PID của lò nhiệt dùng trong luận văn ..............90 Bảng 5.4: Đặc trưng của các thông số bộ điều khiển PID .............................................96 ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT xiii DANH SÁCH CÔNG THỨC 2.1 Quan hệ giữa điện áp với độ biến thiên nhiệt độ trong cặp nhiệt điện ........................... 12 2.2 Quan hệ giữa điện áp với độ biến thiên nhiệt độ được tuyến tính hóa ........................... 12 2.3 Quan hệ giữa điện trở với nhiệt độ trong RTD............................................................... 15 2.4 Quan hệ giữa điện trở với nhiệt độ với vật liệu làm bằng kim loại ................................ 15 2.5 Quan hệ giữa điện trở với nhiệt độ với vật liệu làm bằng oxit bán dẫn ......................... 15 2.6 Độ nhạy nhiệt với cảm biến RTD ................................................................................... 16 2.7 Hàm truyền khâu điều khiển tỉ lệ.................................................................................... 21 2.8 Hàm truyền khâu điều khiển vi phân tỉ lệ ....................................................................... 22 2.9 Hàm truyền khâu điều khiển tích phân tỉ lệ .................................................................... 23 2.10 Hàm truyền trong bộ điều khiển PID.............................................................................. 25 2.11 Mối quan hệ giữa tín hiệu ra u(t) với tín hiệu sai lệch e(t) trong bộ PID ....................... 25 2.12 Giá trị ngõ ra của hàm FC105 ........................................................................................ 27 2.13 Giá trị ngõ ra của hàm FC106 ........................................................................................ 31 2.14 Phương trình điều khiển của khối PID mềm .................................................................. 34 3.1 Định luất Jun-Len-xơ ...................................................................................................... 51 3.2 Công suất tác dụng của lò nhiệt ...................................................................................... 51 3.3 Điện áp làm việc của Thyristor....................................................................................... 54 3.4 Điện áp ngưỡng của Thyristor ........................................................................................ 54 3.5 Dòng điện trung bình qua Thyristor ............................................................................... 55 3.6 Hệ số quá áp của mạch cầu Thyristor ............................................................................. 59 3.7 Xác định giá trị tụ bảo vệ (C) ......................................................................................... 59 3.8 Xác định giá trị điện trở bảo vệ quá áp (R) .................................................................... 59 4.1 Tính góc kích của Thyristor............................................................................................ 73 ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT 1 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu về đối tượng và phương pháp điều khiển Nhiệt độ là một đại lượng vật lý hiện diện khắp nơi và trong nhiều lĩnh 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 lĩnh 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 định 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 định và chính xác của nhiệt độ cũng đặt ra các vấn đề cần phải giải quyết. Một điều 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. 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). ▪ Điều khiển hồi tiếp thường được xác định 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 định tuần tự. Một hệ thống muốn chính xác cần phải thực hiện hồi tiếp tín hiệu về so sánh với tín hiệu vào và đầu ra sẽ được gởi đến bộ điều khiển hiệu chỉnh đầu ra. Hệ thống Chương 1: Giới Thiệu Tổng Quan Về Đề Tài 2 điều khiển hồi tiếp có nhiều ưu điểm nên thường được sử dụng 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: Nhiệt độ đặt Bộ điều khiển (ON-OFF, PID,…) Bộ phận gia nhiệt (mạch công suất) Nhiệt độ Cảm biến nhiệt độ Hình 1.1: Dạng tổng quát của một hệ thống hồi tiếp Đây là một hệ thống hồi tiếp qua bộ cảm biến cho tín hiệu đo lường nhiệt độ về so sánh với giá trị 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 đồ án: • Nhiệm vụ của đồ án là tìm hiểu, thực hiện các mục tiêu sau: o Sử dụng PLC SIEMENS S7-300 điều khiển lò nhiệt bằng phương pháp PID. o Thiết kế, thi công mạch công suất điều khiển đóng mở Thyristor cấp điện cho đối tượng lò nhiệt. o Giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu hoạt động của lò nhiệt sử dụng phần mềm WinCC (Windows Control Center). • Phạm vi điều khiển: Do trong khuôn khổ giới hạn của luận văn nên em chỉ giới hạn trong phạm vi như sau : Chương 1: Giới Thiệu Tổng Quan Về Đề Tài 3 ▪ Đối tượng: o PLC S7-300 (CPU 314C-2DP, tích hợp sẵn module AI chuyên dụng có khả năng đọc trực tiếp tín hiệu từ cảm biến RTD: Pt100) và lò nhiệt dân dụng. o Điều khiển công suất lò nhiệt bằng phương pháp điều khiển pha, sử dụng hai thyristor nối song song ngược trên một pha. ▪ Cảm biến: o Sử dụng cảm biến Thermal Resistor (Pt 100). ▪ Phương tiện điều khiển : OP (Operation Panel), tuy nhiên được thay thế bằng PC (Personal Computer) với hệ điều hành Windows XP ▪ Giao tiếp máy tính : thông qua phần mềm WinCC của SIEMENS. ▪ Bộ điều khiển PID : tích hợp trong PLC S7-300 của SIEMENS. Chương 1: Giới Thiệu Tổng Quan Về Đề Tài 4 CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT 2.1 Lò nhiệt ( lò điện trở) 2.1.1 Giới thiệu chung về lò nhiệt 2.1.1.1 Định nghĩa Lò điện là một thiết bị điện biến điện năng thành nhiệt năng dùng trong các quá trình công nghệ khác nhau như nung hoặc nấu luyện các vật liệu, các kim loại và các hợp kim khác nhau,... Lò điện được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật: ▪ Sản xuất thép chất lượng cao. ▪ Sản xuất các hợp kim phe-rô. ▪ Nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện. ▪ Nung các vật phẩm trước khi cán, rèn dập, kéo sợi. ▪ Sản xuất đúc và kim loại bột. Trong các lĩnh vực công nghiệp khác: ▪ Trong công nghiệp nhẹ và thực phẩm, lò điện được dùng để phủ, mạ vật phẩm và chuẩn bị thực phẩm. ▪ Trong các lĩnh vực khác, lò điện được dùng để sản xuất các vật phẩm thuỷ tinh, gốm sứ, các loại vật liệu chịu lửa v.v... Lò điện không những có mặt trong các ngành công nghiệp mà ngày càng được dùng phổ biến trong đời sống sinh hoạt hàng ngày của con người một cách phong phú và đa dạng như: bếp điện, nồi nấu cơm điện, bình đun nước điện, thiết bị nung rắn, sấy điện v.v... Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết 5 2.1.1.2 Ưu điểm của lò điện Lò điện so với các lò sử dụng các nhiên liệu khác có những ưu điểm sau: ▪ Có khả năng tạo được nhiệt độ cao. ▪ Đảm bảo tốc độ nung lớn và năng suất cao. ▪ Đảm bảo nung đều và chính xác do nhiệt độ được điều khiển bằng điện. ▪ Đảm bảo độ kín cần thiết. ▪ Có khả năng cơ khí hóa và tự động hóa trong quá trình chất dỡ nguyên liệu và vận chuyển vật phẩm. ▪ Đảm bảo điều kiện lao động hợp vệ sinh, vận hành thuận tiện, thiết bị gọn nhẹ. 2.1.1.3 Nhược điểm của lò điện Mặc dù lò điện trở có nhiều ưu điểm so với các lò nhiệt khác nhưng cũng không thể tránh được một số nhược điểm sau: ▪ Tiêu thụ nhiều điện năng. ▪ Nếu lò có công suất lớn thì phải có tính toán chọn các thiết bị bảo vệ, vận hành dài hạn hợp lý. ▪ Yêu cầu người vận hành phải có chuyên môn. 2.1.2 Những yêu cầu cơ bản đối với cấu tạo của lò điện trở ➢ Hợp lý về công nghệ Hợp lý về công nghệ có nghĩa là cấu tạo lò không những phù hợp với quá trình công nghệ yêu cầu tại thời điểm chế tạo mà còn tính đến khả năng mở rộng về sau này. Đây là một điều cần thiết đối với bất kì một hệ thống điện nào. Và đảm bảo là không làm phức tạp quá trình gia công và làm tăng giá thành của sản phẩm. ➢ Hiệu quả về kỹ thuật Hiệu quả về kỹ thuật là khả năng thực hiện hiệu suất cực đại của kết cấu khi các thông số của nó là cố định ( kích thước, công suất, trọng lượng, giá thành, …). Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết 6 Đối với một thiết bị hay một vật phẩm sản xuất ra, năng suất trên một đơn vị công suất định mức, sức tiêu hao điện năng để nung,…là các chỉ tiêu cơ bản của hiệu quả kỹ thuật. Còn đối với từng phần riêng biệt của kết cấu hoặc chi tiết, hiệu quả kỹ thuật được đánh giá bằng công suất dẫn động, momen xoắn, lực,…ứng với trọng lượng, kích thước hoặc giá thành kết cấu. ➢ Chắc chắn khi làm việc Chắc chắn khi làm việc là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất của chất lượng kết cấu các lò điện. Thường các lò điện trở là tải hoạt động dài hạn, làm việc liên tục một ca, hai ca hoặc cũng có thể là liên tục ba ca trong một ngày. Nếu trong lúc làm việc, một bộ phận nào đó không hoàn hảo sẽ gây ảnh hưởng đến quá trình sản xuất chung. Điều này đặt biệt quan trọng đối với các lò điện làm việc liên tục trong dây chuyền sản xuất tự động. Ngay cả khi các lò điện làm việc theo chu kỳ, lò ngừng cũng làm thiệt hại rõ rệt cho nhà sản xuất vì khi bị sự cố lò dừng đột ngột hoặc nhiệt độ tăng nhanh và cao quá mức quy định có thể dẫn đến làm hư hỏng sản phẩm, lãng phí nguyên vật liệu, làm tăng giá thành sản phẩm, quán trình sản xuất gián đoạn, phải tiến hành sửa chữa vừa mất thời gian vừa tốn kém. Một chỉ tiêu phụ về sự chắc chắn khi làm việc của một bộ phận đó của lò điện là khả năng thay thế nhanh hoặc khả năng dự trữ lớn khi lò làm việc bình thường. Để đạt được điều này, trong các thiết bị cần chú ý đến các bộ phận quan trọng nhất như: dây nung, băng tải,…quyết định đến sự làm việc liên tục của lò. ➢ Tiện lợi khi sử dụng Phải hội tụ một số đặc điểm sau: ▪ Số nhân viên phục vụ tối thiểu. ▪ Không yêu cầu người vận hành có chuyên môn quá cao, có sức lực và sự dẻo dai. ▪ Số lượng các thiết bị đắt tiền sử dụng nguyên liệu quý hiếm và bị hao mòn nhanh cần phải hạn chế sử dụng đến mức thấp nhất. Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết 7 ▪ Bảo quản, bảo trì dễ dàng, thuận tiện trong việc kiểm tra và sửa chữa thiết bị, hệ thống. ➢ Rẻ và đơn giản khi chế tạo ▪ Tiêu hao vật liệu ít nhất, đặc biệt là các vật liệu quý hiếm. ▪ Công nghệ sản xuất đơn giản, thời gian chế tạo nhanh nhưng vẫn đảm bảo chất lượng. ▪ Sử dụng tối đa các kết cấu giống nhau và cùng loại để thuận tiện trong việc trao đổi và lắp ráp. ➢ Hình dáng bề ngoài đẹp Mỗi kết cấu của thiết bị, vật phẩm, các khâu và các chi tiết phải có hình dáng và kích thước phù hợp dễ coi. Tuy vậy cũng cần chú ý rằng, độ bền của kết cấu khi trọng lượng nhỏ và hình dáng bề ngoài đẹp có quan hệ khăng khít với nhau. Việc gia công lần chót như sơn có vai trò đặc biệt quan trọng đối với hình dáng bề ngoài của lò điện, song cũng cần tránh những trang trí không cần thiết. 2.1.3 Cấu tạo của lò điện trở Thường thì cấu tạo gồm ba thành phần chính: vỏ lò, lớp lót và dây nung. 2.1.3.1 Vật nung, dây nung Trong lò điện trở thành phần quan trọng nhất đó chính là điện trở, đặc trưng cho thành phần điện trở này chính là dây nung (vật nung). ▪ Vật nung: Trường hợp này gọi là nung trực tiếp. Trường hợp này ít gặp vì nó chỉ dùng để nung những vật có hình dạng đơn giản như: tiết diện chữ nhật, vuông, tròn. ▪ Dây nung: Trường hợp này gọi là nung gián tiếp. Khi dây nung được nung nóng nó sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt hoặc phức hợp. Trường hợp này thì ta gặp nhiều trong thực tế. Và đề tài nhóm đang làm cũng là loại lò điện trở này. Vì thế nhóm sẽ làm rõ thêm vấn đề dây nung mà lò điện trở hay sử dụng. Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết