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
i
Đại học GTVT TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Khoa Điện - ĐTVT Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
Bộ môn Tự động hóa
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 : 30/08/2011.3. 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
iii
Đại học GTVT TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Khoa Điện - ĐTVT Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
Bộ môn Tự động hóa
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:
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
v
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
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
Bảng 2.1: Phân loại cặp nhiệt điện 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
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
ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT
vii
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
Bảng 2.2: So sánh các phương pháp điều khiển 26
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
Bảng 2.4: Quan hệ giữa giá trị số PLC quy đổi và dãi nhiệt độ ngõ vào 30
2.4.3 Hàm chuyển đổi Unscale FC106 31
Bảng 2.5:Quan hệ giữa giá trị số PLC và dãi điện áp ngõ ra ±10V 33
2.4.4 Module mềm PID 34
Bảng 2.6: Khai báo tham số cho module PID 38
2.4.5 Hàm PID FB41 “CON_C” 39
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 5.2: Các thông số của bộ điều khiển PID được xác định theo cách 2 90
Bảng 5.3: Các thông số bộ điều khiển PID của lò nhiệt dùng trong luận văn 91
5.4 Thiết kế bộ điều khiển PID bằng phương pháp đại số 91
5.5 Đặc trưng của các bộ điều khiển P,I,D 97
Bảng 5.4: Đặc trưng của các thông số bộ điều khiển PID 97
CHƯƠNG 6 98
GIẢI THUẬT VÀ CHƯƠNG TRÌNH 98
6.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống 98
6.1.1 Giao tiếp giữa PC và PLC 98
6.1.2 Cảm biến và PLC 99
6.1.3 Lò nhiệt và PLC 99
6.3.1 Chế độ 1 103
6.3.2 Chế độ 2 105
6.4 Giải thích giao diện điều khiển 108
CHƯƠNG 7 113
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 113
7.1 Kết quả thực nghiệm 113
7.1.1 Kết quả thực nghiệm với phương pháp đại số 113
7.1.2 Kết quả thực nghiệm với phương pháp Ziegler – Nichol 115
Chế độ 2 116
7.1.3 Những khó khăn gặp phải 118
7.2 Hướng phát triển đề tài 118
PHỤ LỤC 121
ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT
ix
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 4.5: Đồ thị các xung điều khiển thyristor 66
Hình 4.6: Đồ thị quá trình điều khiển thyristor 67
Hình 4.7: Nguyên lý mạch điều khiển thyristor 68
Hình 4.8: Hình dạng vi mạch TCA 785 69
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) 75
Hình 4.12: Khối khuếch đại xung và biến áp xung 77
Hình 4.13: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển trên orcad 82
Hình 4.14: Layout của mạch điều khiển và mạch động lực 83
Hình 5.1: Đáp ứng nấc của lò nhiệt 85
Hình 5.2: Đáp ứng nấc thực tế của lò nhiệt 86
Hình 5.3: Sơ đồ điều khiển vòng kín 87
Hình 5.4: Sơ đồ khối điều khiển vòng kín 87
Hình 5.5: Sơ đồ tóm tắt hệ thống 89
Hình 5.6: Sơ đồ điều khiển hệ thống dùng cho phương pháp đại số 92
Hình 6.1: Sơ đồ tổng quát hệ thống 98
Hình 6.2: Lưu đồ chương trình chính 100
Hình 6.3: Lưu đồ thuật toán chế độ 1 103
Hình 6.4: Lưu đồ thuật toán chế độ 2 105
Hình 6.5: Đặc tuyến nhiệt độ - thời gian 106
Hình 6.6: Giao diện điều khiển chính 108
Hình 6.7: Đồ thị thu thập nhiệt độ 111
Hình 6.8: Bảng thu thập thông số nhiệt độ 111
ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT
xi
Hình 6.9: Đồ thị công suất 112
Hình 7.1: Đáp ứng ngõ ra ở chế độ 1 với phương pháp đại số 114
Hình 7.2: Giá trị nhiệt độ được thu thập ở chế độ 1 phương pháp đại số 114
Hình 7.3: Đáp ứng ngõ ra ở chế độ 2 phương pháp đại số 115
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
xiv
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
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
2
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
3
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
2.1.1.3 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
5
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,
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
7
Yêu cầu của vật liệu dùng làm dây nung: dây nung là bộ phận phát nhiệt của
lò, làm việc trong điều kiện khắc nghiệt (nhiệt độ cao), do đó phải đảm bảo các
yêu cầu sau:
Chịu nóng tốt, ít bị oxy hóa ở nhiệt độ cao.
Phải có độ bền cơ học cao, không bị biến dạng ở nhiệt độ cao.
Điện trở suất phải lớn.
Hệ số nhiệt điện phải nhỏ.
Các tính chất điện phải cố định hoặc ít thay đổi.
Các kích thước phải không thay đổi khi sử dụng.
Dễ gia công, dễ hàn hoặc dễ ép khuôn.
Tùy thuộc vào vật liệu làm dây nung mà ta phân biệt dây nung thành hai loại:
Dây nung kim loại
Để đảm bảo yêu cầu của dây nung, trong hầu hết các lò điện trở công nghiệp,
dây nung kim loại thường được chế tạo bằng các hợp kim Crôm- Nhôm và Crôm-
Lớp lót lò điện trở thường gồm hai phần: phần vật liệu chịu lửa và phần cách
nhiệt.
Phần vật liệu chịu lửa: có thể xây bằng gạch tiêu chuẩn, gạch hình hoặc gạch
hình đặc biệt tuỳ theo hình dáng và kích thước đã cho của buồng lò. Cũng có khi
người ta đầm bằng các loại bột chịu lửa và các chất kết dính gọi là các khối đầm.
Khối đầm có thể tiến hành ngay trong lò và cũng có thể tiến hành ở ngoài nhờ các
khuôn.
Phần vật liệu chịu lửa cần đảm bảo các yêu cầu sau :
Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết
9
Chịu được nhiệt độ làm việc cực đại của lò.
Có độ bền nhiệt đủ lớn khi làm việc.
Có đủ độ bền cơ học khi xếp vật nung và đặt thiết bị vận chuyển trong điều
kiện làm việc.
Đảm bảo khả năng gắn dây nung bền và chắc chắn.
Có đủ độ bền hoá học khi làm việc, chịu được tác dụng của khí quyển lò và
ảnh hưởng của vật nung.
Đảm bảo khả năng tích nhiệt cực tiểu. Điều này đặc biệt quan trọng đối với
lò làm việc theo chu kỳ.
Phần cách nhiệt: thường nằm giữa vỏ lò và phần vật liệu chịu lửa. Mục đích
chủ yếu của phần này là để giảm tổn thất nhiệt đến mức thấp nhất. Riêng đối với
đáy, phần cách nhiệt đòi hỏi phải có độ bền cơ học nhất định còn các phần khác nói
chung không yêu cầu.
Yêu cầu cơ bản của phần cách nhiệt là:
Hệ số dẫn nhiệt cực tiểu
Khả năng tích nhiệt cực tiểu
Ổn định về tính chất lý, nhiệt trong điều kiện làm việc xác định.
Phần cách nhiệt có thể xây bằng gạch cách nhiệt, có thể điền đầy bằng bột cách nhiệt.
2.1.4 Đối tượng lò nhiệt được sử dụng trong luận văn
Thực tế, trong công nghiệp các lò nhiệt thường có công suất rất lớn, quán tính
2.2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý đo
Gồm 2 dây kim loại khác nhau được hàn lại ở 1 đầu được gọi là đầu nối nóng,
hai đầu còn lại gọi là đầu nối lạnh (đầu nối chuẩn).
Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết
11
Copyright: Tài liệu đại học ©