Luận văn
Xây dựng hệ thống điều khiển đo và giám sát
nhiệt độ dựa trên mô phỏng ứng dụng của phần
mềm Win CC
Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội Bài Tập Lớn Môn: Hệ Thu Thập DLDK & TSL
Lời Nói Đầu
Trong quá trình phát triển đất nước vấn đề công nghiệp hóa hiện đại hóa
đất nước được đặt lên hang đầu. Do đó khoa học có một vị trí quan trọng.
Những thành tựu của nó đã được ứng dụng vào phục vụ đời sống của con
người hang ngày. Và nghành đo lường điều khiển cũng được nâng lên một
tầm mới. Bởi trong hệ thống sản xuất nó chính là khâu kiểm tra giám sát, lấy
tín hiệu phản hồi, và điều khiển các bộ chấp hành hoạt động.
Trong các nhu cầu của chúng ta, điện năng đóng vai trò quan trọng và
nó như là một phần không thể thiếu của con người. Nó đóng vai trò chủ đạo
và được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực từ nhu cầu cuộc sống tới các
lĩnh vực như kinh tế, chính trị, văn hóa…
Từ khi con người biết tới điện và sử dụng nó như là một nhu cầu cần
thiết của cuộc sống thì càng có nhiều phát minh liên quan đến việc sử dụng
điện, cùng với đó các hệ thống sản xuất, dây truyền sản xuất ra đời, các hệ
thống thông minh cũng lần lượt ra đời. Điều đó giúp giải quyết các nhu cầu
của con người, của cuộc sống. Với sự thay đổi của khí hậu, nhiệt độ cũng
thay đổi theo. Để chống lại sự thay đổi đó thì con người đã sử dụng ứng
dụng của điện năng vào việc này. Đó chính là phát minh ra hệ thống điều
khiển nhiệt độ.
Trong bài báo cáo này em sẽ thực hiện việc xây dựng hệ thống điều
khiển đo và giám sát nhiệt độ dựa trên mô phỏng ứng dụng của phần mềm
Win CC. Và phần mềm S7-200 của hãng siemens.
TRƯƠNG THẾ HẢI ĐIỆN 1 - K 4 Page 2
Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội Bài Tập Lớn Môn: Hệ Thu Thập DLDK & TSL
I. Tổng quan về kiến thức và yêu cầu
1. Các vấn đề cơ bản của kỹ thuật đo lường
Thời gian là giây (s)
Cường độ dòng điện là ampe (A)
Nhiệt độ là Kenvin (K)
Cường độ ánh sang là Candela (cd)
Số lượng vật chất là mol (mol)
TRƯƠNG THẾ HẢI ĐIỆN 1 - K 4 Page 3
Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội Bài Tập Lớn Môn: Hệ Thu Thập DLDK & TSL
1.5 Thiết bị đo và các phương pháp đo
A, Thiết bị đo
Là thiết bị kỹ thuật dùng để gia công tín hiệu mang thông tin đo
thành dạng tiện lợi cho người quan sát
Để thực hiện phép đo cần có: - Thiết bị tạo mẫu đây là thiết bị đo
để khôi phục một đại lượng vật lý nhất định. Thiết bị mẫu phải đạt độ
chính xác cao
- Dụng cụ đo: là thiết bị để gia công các thông tin đo lường và thể hiện
kết quả đo dưới dạng con số, đồ thị hoặc bảng sô, tùy theo cách biến
đổi tín hiệu và chỉ thị, dụng cụ đo được chia thành dụng cụ đo analog
và digital.
- So sánh: gồm có thiết bị tự động hoặc người điều khiển
- Biến đổi
Kết quả đo trình cơ bản của phép đo, nó chỉ rõ sự so sánh đại lượng cần
đo với mẫu và cho kết quả bằng số
- Các thao tác cơ bản về đo lường: thao tác xác định mẫu và thành lập
mẫu; thao tác so sánh ; thao tác biến đổi; thao tác thể hiện kết quả hay chỉ
thị
B, Các phương pháp đo
- Đo trực tiếp: là cách đo mà kết quả nhận được trực tiếp từ 1 phép đo duy
nhất.
- Đo gián tiếp: là cách đo mà kết quả được suy ra từ phép đo, từ sự
phối hợp của nhiều phương pháp đo trực tiếp.
với X
đo
do các dụng cụ đo được;
X
thực
là giá trị mẫu
- Sai số tương đối: ᵞ% = *100%
- Sai số quy đổi: X% thể hiện cấp chính xác của dụng cụ đo
ᵞ
qđ
% = *100%
: sai số lớn nhất của thang đo
sai số tuyệt đối cảu thang đo
- Độ nhạy S:là độ biến thiên tương đối giữa đại lượng ra và vào.
S = nếu là tuyến tính
TRƯƠNG THẾ HẢI ĐIỆN 1 - K 4 Page 5
Chỉ thịMạch đoChuyển.
đổi
Chuyển đổi
ngược
Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội Bài Tập Lớn Môn: Hệ Thu Thập DLDK & TSL
S = nếu là phi tuyến
Với x là đại lượng vào; y là đại lượng ra
- Ngoài ra còn tổng trở vào ra của dụng cụ.
3. Các vấn đề cơ bản của kỹ thuật điều khiển
-Điều khiển là tác động lên đối tượng để đối tượng làm việc theo một đích nào
đó
-Hệ thống điều khiển: là một tập hợp các thành phần vật lý co liên hệ tác động
qua lại với nhau để chỉ huy hoặc hiệu chỉnh bản thân đối tượng hay một hệ
thống khác.
Các mô hình diễn tả hệ thống điều khiển được sử dụng phổ biến và thuận
tiện như:
- Hệ thống các phương trình vi phân
- Sơ đồ khối
- Graph tín hiệu
- Hàm truyền đạt
- Không gian trạng thái
Về mặt lý thuyết mỗi hệ thống điều khiển đều có thể diễn tả bằng
các phương trình toán. Giải các phương trình này và nghiệp của chúng sẽ
diễn tả trạng thái của hệ thống. Tuy nhiên việc giải phương trình thường
khó tìm nghiệm, lúc đó cần đặt các giả thuyết để đơn giản hóa nhằm dẫn
tới các phương trình vi phân thường-Hệ điều khiển tuyến tính liên tục.
Ta dựa vào mô hình toán học để nghiên cứa các tính chất của hệ
thống.
Phương trình vi phân
Các nội dung cơ bản của phương trình vi phân
x(t) và y(t) là các biến phụ thuộ còn t là biến độc lập, ta có:
TRƯƠNG THẾ HẢI ĐIỆN 1 - K 4 Page 7
Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội Bài Tập Lớn Môn: Hệ Thu Thập DLDK & TSL
Xét phương trình vi phân trên ta có:
Nghiệm của phương trình đặc trưng này rất có ý ngĩa khi ta xét đến
tính ổn định của hệ thống.
Sơ đồ khối
-Sơ đồ khối được biểu diễn bằng các khối liên kết với nhau để diễn tả mối
quan hệ đầu vào và đầu ra của một hệ thống vật lý.
-Sơ đồ khối thuận tiện để diễn tả mối quan hệ giữa các phần tử của hệ thống
điều khiển.
Ta có sơ đồ khối:
TRƯƠNG THẾ HẢI ĐIỆN 1 - K 4 Page 8
Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội Bài Tập Lớn Môn: Hệ Thu Thập DLDK & TSL
PLC được xếp vào trong họ máy tính, được sử dụng trong các ứng dụng
công nghiệp và thương mại. PLC có đầy đủ chức năng và tính toán như vi
xử lý. Ngoài ra, PLC có tích hợp thêm một số hàm chuyên dùng như bộ
điều khiển PID, dịch chuyển khối dữ liệu, khối truyền thông…
PLC có những ưu điểm:
- Có kích thước nhỏ, được thiết kế và tăng bền để chịu được rung
động, nhiệt, ẩm và tiếng ồn, đáng tin cậy.
- Rẻ tiền đối với các ứng dụng điều khiển cho hệ thống phức tạp.
- Dễ dàng và nhanh chống thay đổi cấu trúc của mạch điều khiển.
- PLC có các chức năng kiểm tra lỗi, chẩn đoán lỗi.
- Có thể nhân đôi các ứng dụng nhanh và ít tốn kém.
Một PLC gồm có những phần cơ bản sau:
- Bộ nguồn: cung cấp nguồn thiết bị và các module mở rộng được kết nối
vào.
- CPU: thực hiện chương trình và dữ liệu để điều khiển tự động các
tác vụ hoặc quá trình.
- Vùng nhớ.
- Các ngõ vào/ra: gồm có các ngõ vào/ra số, vào/ra tương tự. Các ngõ
vào dùng để quan sát tín hiệu từ bên ngoài đưa vào (cảm biến, công tắc), ngõ
ra dùng để điều khiển các thiết bị ngoại vi trong quá trình.
- Các cổng/module truyền thông (CP: Communication Professor): dùng
để nối CPU với các thiết bị khác để kết nối thành mạng, xử lý thực hiện
truyền thông giữa các trạm trong mạng.
TRƯƠNG THẾ HẢI ĐIỆN 1 - K 4 Page 10
Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội Bài Tập Lớn Môn: Hệ Thu Thập DLDK & TSL
- Các loại module chức năng (FM: Function Module). Ví dụ các module
điều khiển vòng kín, các module thực hiện logic mờ…
Cấu trúc bên trong của PLC
TRƯƠNG THẾ HẢI ĐIỆN 1 - K 4 Page 11
Cách đấu nối ngõ vào ra PLC:
Hình 2.6: Sơ đồ đấu nối ngõ vào ra của PLC S7-200 CPU224
AC/DC/RELAY
b) Cảm biển nhiệt độ
TRƯƠNG THẾ HẢI ĐIỆN 1 - K 4 Page 14
Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội Bài Tập Lớn Môn: Hệ Thu Thập DLDK & TSL
Ngày nay với trình độ công nghệ kỹ thuật cao đã tao ra được các cảm
biến điện trở chia ra làm 3 nhóm: kim loại, bán dẫn và nhiệt điện trở; ưu
điểm của cảm biển điện trở là đơn giản, độ nhạy cao, ổn định dài hạn.
d) Cảm biến nhiệt độ điện trở kim loại
Nguyên lý làm việc của hệ thống đo nhiệt độ này là dựa trên sự thay
đổi điện trở của kim loại làm điện trở khi nhiệt độ môi trường đo thay đổi
so với trị số điện trở ở nhiệt độ tiêu chuẩn.Ví dụ về điện trở của dây đồng
thay đổi theo nhiệt độ:
Với R
Cu0
là điện trở của dây đồng làm cảm biến ở nhiệt độ t
0
. Nhiệt độ
t
0
trong thực tế người ta thường lấy ở 0
0
C, t là nhiệt độ của môi trường đo
là hệ số tăng điện trở của đồng trên 1
0
C
Các điện trở bằng kim loại thường là các dây tròn, được quấn trên lõi
cách điện và được lắp đặt trong ống kim loại bảo vệ và đã bịt kín đầu
3
là các điện trở có trị số thay đổi
theo điện trở là rất nhỏ; R
t
là cảm biến điện trở đặt trong vùng cần đo nhiệt
độ. Sơ đồ cầu được cấp điện bởi nguồn điện một chiều E có độ ổn định cao.
Giả sử thang chia độ của mV được chia từ 0
0
C thì muốn kim milivon-
mV chỉ 0
0
C thì điện thế ở điển 1 và điển 2 trên sơ đồ phải bằng nhau tức là:
=
Và U
1-2
= -
TRƯƠNG THẾ HẢI ĐIỆN 1 - K 4 Page 16
Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội Bài Tập Lớn Môn: Hệ Thu Thập DLDK & TSL
Nế chọn R
1
= R
2
và R
0
= R
to
; với R
to
là tri số của cảm biến điện trở ở
nhiệt độ 0
1. Sơ đồ khối của hệ thống
a) Sơ đồ tổng quát
Trong đó các hệ thống này được nối với nhan thông qua cáp truyền thông.
TRƯƠNG THẾ HẢI ĐIỆN 1 - K 4 Page 17
Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội Bài Tập Lớn Môn: Hệ Thu Thập DLDK & TSL
b) sơ đồ khối chi tiết
Chức năng của các khối và từng phần tử trong khối:
Khối cảm biến
- Đây chính là bộ phận cảm biến nhiệt độ dùng để biến tín hiệu
không điện thành tín hiệu điện
Ở đây ta sử dụng đo nhiệt độ bằng điện trở vì:
- Sai số nhỏ
- Đơn giản, gọn nhẹ, dễ hiểu
- Độ nhạy cao
- Tính lặp lại cao
Thiết kế cảm biến
Để đo nhiệt độ ta có thể dùng các loại cảm biền thông dụng như
LM35,Themocouple, PT100. Nhưng do LM35 là cảm biến được chế tạo
bằng bán dẫn tầm đo max là 125
0
C chỉ thích hợp đo nhiệt độ môi trường.
Themocouple độ phi tuyến cao. PT100 độ tuyến tính cao, sai số 0.04%
trên 100
0
C. Do đó, Trong luận văn nàyem dùng PT100 để đo nhiệt độ lò.
Để đo nhiệt độ được chính xác, tất nhiên cần có một đầu dò thích hợp.
TRƯƠNG THẾ HẢI ĐIỆN 1 - K 4 Page 18
Khối
nguồn
cấp
dùng phương pháp đo bằng Pt100loại 3 dây.
- Ở 0
0
C thì Rt =100 ohm, Pt 100 có nhiều loại( 2 dây, 3 dây, 4 dây), sau đây
là sơ đồ Pt100 3 dây, tầm biến thiên điện áp theo nhiệt độ là 20mV/
0
C, tầm
đo 0-250
0
C. U16 có chức năng là mạch trừ, U17 khuếch đại đảo.
R
T
= R
o
. (1 0.385%T)
Yêu cầu chung: thông tin phản ánh nhiệt độ được truyền tuần tự, chính
xác và liên tục theo thời gian; tạo điện áp biến thiên tuyến tính với nhiệt
độ.
Ta có sơ đồ như hình vẽ:
TRƯƠNG THẾ HẢI ĐIỆN 1 - K 4 Page 19
Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội Bài Tập Lớn Môn: Hệ Thu Thập DLDK & TSL
Ở 0
0
C thì Rt = 100 ohm cầu cân bằng V1 = 0, ở 250
0
C thì
Rt = 196.25 ohm V1=300mV, để Vo = 5V ta có hệ số khuếch đại bằng
16,67(R16).
Khối khuyếch đại trung gian
- Bộ phận này có nhiệm vụ khuyếch đạtín hiêụ từ Sensor, (các cảm
đó sẽ chỉ thị đo và cho biết kênh nào đang được đọc và nhiệt độ của nó.
Việc chuyển kênh có thể được thực hiện theo nhiều cách, nhưng tổng
quát có thể chia ra làm hai cách là dùng mạch có tiếp điểm (điều khiển
bằng cơ) và dùng mạch không tiếp điểm. Hiện nay người ta thường dùng
mạch không tiếp điểm vì mạch có tiếp điểm:
- Có tuổi thọ không cao do sự đóng mở các tiếp điểm nên có sự hao mòn về
điện hồ quang và về cơ khí
- Không đáp ứng được yêu cầu cần các hệ tác động nhanh
- Kích thước và không gian chiếm chỗ khá lớn, hệ thống điều khiển phức
tạp cồng kềnh và kém tin cậy
Bên cạnh đó thì dùng mạch không tiếp điểm có nhiều ưu điểm như:
- Có thể tác động nhanh
- Kích thước nhỏ, dễ điều khiển
- Độ tin cậy cao
Với ý do đó ta chọn mạch không tiếp điểm, dùng IC 4051B tức là
loại HEF4051B của Nhật Bản:
- IC HEF4051B bao gồm mạch đa/giả đa hợp với 3 ngõ vào cho
phép (A
0
– A
2
), một ngõ vào cho phép hoạt động mức thấp (E), 8
ngõ vào/ra độc lập và một ngoc vào/ra chung (z)
- IC gồm 8 khóa 2 chiều một phía được nối với các ngõ vào/ra độc
lập (Y
0
–A
7
), phía còn lại được nối với ngõ chung(Z)
TRƯƠNG THẾ HẢI ĐIỆN 1 - K 4 Page 21
– A
2
các ngõ vào địa chỉ
E ngõ vào cho phép tac động mức thấp
Z chân chung vào/ra
b. Khối so sánh
Khối này lấy tín hiệu từ khối khuyếch, có nhiệm so sánh tín hiệu vào
(tín hiệu đo) với tín hiệu chuẩn (tín hiệu đặt) để cho ra khối chấp hành.
Khâu so sánh tín hiệu thường dùng khuyếch đại thuật toán ký hiệu OA
- OA có hai cổng vào: (+) U
+
là cổng vào không đảo dấu
(+) U
-
là cổng vào đảo dấu
- S cổng ra
-M là điểm nối đất của sơ đồ, là điểm chuẩn để đo điện thế của các điểm
khác nhau trong sơ đồ
- Vp
+
,Vp
-
là nguồn nuôi OA
TRƯƠNG THẾ HẢI ĐIỆN 1 - K 4 Page 22
Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội Bài Tập Lớn Môn: Hệ Thu Thập DLDK & TSL
c. Khối xung nhịp
Khối này có nhiệm vụ tạo ra tín hiệu điều khiển khối chuyển kênh.
a) Cấu tạo:
-cấp phân áp gồm 3 điện trở 5kV nối từ nguồn xuống mát cho ra 2 điện áp
chuẩn 1/3V
> V
-
i
nên ngõ ra V
01
ở mức cao (H), (P
2
=H)
OA
2
có V
+
i
< V
-
i
nên ngõ ra V
02
ở mức cao (L), (S
2
=L)
Do => S = H (mức cao) chân ra (3) ở mức cao, hay
U
ra
U
nguồn
Mặt khác cùng thời điểm này do S = H (mức cao) R
3
=S=H (mức
cao)
Nhưng do lúc này OA
1
chưa thay đổi do điện áp trên tụ vẫn nhỏ hơn
2/3U
N
R=L (mức thấp)
S vẫn ở mức cao, tức là tụ vẫn nạp bình thường.
Khi điện áp trên tụ bằng 2/3U
N
thì OA
1
lật trạng thái tức là
V
0
= L do biểu thức logic ở trên nên ta có R = H (mức cao)
Do R = B = H mức cao, nên tranzitor T được mở thông. Tụ không
được nạp điện và chuyển sang xả điện vào chân 7 qua T ra chân 1 nối đất,
tụ xả theo hằng số thời gian t = 0,693R
A
.C.
TRƯƠNG THẾ HẢI ĐIỆN 1 - K 4 Page 24
Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội Bài Tập Lớn Môn: Hệ Thu Thập DLDK & TSL
Tụ xả đến khi điện áp trên tụ nhỏ hơn 2/3 U
N
thì OA
1
đổi lại trạng thái
tức là có V
0
= H (mức cao).
N
mà không nạp từ 0 như ban đầu
Ta có sơ đồ như trên
TRƯƠNG THẾ HẢI ĐIỆN 1 - K 4 Page 25
Copyright: Tài liệu đại học ©