Lời nói đầu.
Ngày nay, sự phát triển vợt bậc của khoa học kỹ thuật đã mang lại cho các ngành
kỹ thuật nói chung và ngành điều khiển học nói riêng một khuôn mặt mới.
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật ,việc ứng dụng các thành
tựu khoa học kỹ thuật vào trong lĩnh vực tự động hoá đã mang lại những chuyển
biến rõ rệt ,ghóp phần thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của nhiều lĩnh vực công
nghệ ,đáp ứng đợc các chỉ tiêu về chất lợng và giá thành sản phẩm ... nâng cao chất
lợng cuộc sống .
Chính nhờ những đóng góp của kỹ thuật hiện đại mà ngày càng có nhiều loại
máy móc ,thiết bị hiện đại đợc đa vào ứng dụng trong thực tế mang lại không ít
thành quả về kinh tế, y học, quân sự...
Trong các hệ thống công nghiệp , một trong những bài toán thờng gặp nhất đó là
điều khiển nhiệt độ. Hiện nay trên thế giới có rất nhiều thiết bị đã đợc đa vào ứng
dụng để điều khiển nhiệt độ, một trong những thiết bị đem lại hiệu quả cao đó là
thiết bị điều chỉnh nhiệt độ TCU(Temperature Control Unit ).
TCU là một thiết bị điều khiển quen thuộc trên thế giới, tuy nhiên đối với Việt
Nam nó vẫn còn rất mới mẻ, ít đợc ứng dụng trong thực tế sản xuất.
Nhằm mục đích tìm hiều để thấy đợc u nhợc điểm của thiết bị này thông qua đó
phổ biến ứng dụng thiết bị trong thực tế,đồng thời củng cố kiến thức đã đợc trang
bị trong suốt thời gian học tập tại trờng, em đã chọn đề tài tốt nghiệp:
Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ sử dụng thiết bị TCU.
Nội dung của đồ án bao gồm các vấn đề sau:
Chơng 1. Khái quát chung về thiết bị điều chỉnh nhiệt độ TCU .
Trình bày những vấn đề chung về thiết bị điều chỉnh nhiệt độ TCU.
Chơng 2. Cấu trúc và kết nối vào ra.
Trình bày về cấu trúc phần cứng của thiết bị ,khả năng phối ghép giữa thiết
bị TCU và các thiết bị đo khác .
Chơng 3. Sự hoạt động của thiết bị điều chỉnh nhiệt độ TCU trong các hệ
thống công nghiệp.
Trình bày các chế độ hoạt động của thiết bị TCU.
Chơng 4. Các phơng pháp điều khiển trong thiết bị điều chỉnh nhiệt độ
g
Chơng 1. Khái quát chung về thiết bị điều chỉnh nhiệt độ TCU.
...................................................................................................................
1
Chơng 2. Cấu trúc và kết nối vào ra................................................
3
2.1. Bảng điều khiển ..........................................................................................
3
2.1.1. Hai dãy hiển thị.................................................................................
3
2.1.2. Sáu đèn báo chế độ hoạt động......................................................... 4
2.1.3. Bốn nút điều khiển............................................................................
4
2.2. Cấu trúc bên trong thiết bị điều chỉnhTCU .............................................
5
2.2.1. Khoá chọn nguồn và chân chọn thiết bị đo nhiệt độ.....................
6
2.2.2. Các modul đầu ra............................................................................... 6
2.3. Lựa chọn và kết nối đầu vào ,đầu ra.......................................................
8
Chơng 3. hoạt động của thiết bị TCU.
12
3.1 Chế độ thờng ........................................................................................
13
3.2 Chế độ không bảo vệ thông số ............................................................
13
3.3 Chế độ bảo vệ thông số.........................................................................
13
3.4 Chế độ ẩn.................................................................................................
14
38
4.3. Điều khiển Cascade....................................................................................
40
4.3.1. Mô hình điều khiển External Cascade...............................................
41
4.3.2. Mô hình điều khiển Internal Cascade................................................
42
4.4. Vấn đề tự chỉnh của TCU...........................................................................
43
Chơng 5. kết nối truyền thông rs-485.
48
5.1. Chuẩn truyền thông RS-485........................................................................
48
5.2. Truyền câu lệnh và dữ liệu .........................................................................
49
5.2.1. Truyền câu lệnh ...................................................................................
49
5.2.2. Nhận dữ liệu .........................................................................................
50
chơng 6. ứng dụng thiết bị điều chỉnh nhiệt độ vào các hệ thống công nghiệp .
55
6.1. Điều khiển giám sát dòng cấp nhiệt .........................................................
55
6.2. Điều khiển nung nóng/làm mát..................................................................
56
6.3. Điều khiển vị trí van....................................................................................
57
6.4. Điều khiển Internal Cascade......................................................................
59
6.5. Điều khiển External Cascade......................................................................
7.5.2. Hệ thống Cascade dùng hai vòng điều khiển ...................................
89
7.6. Cài đặt thông số cho các bộ điều khiển của TCU....................................
92
Kết luận .
Tài liệu tham khảo.
Kết luận
Trong các dây truyền công nghệ hiện đại ngày nay, thiết bị điều chỉnh nhiệt độ
TCU với các u điểm nổi bật nh thiết bị nhỏ gọn có thể tích hợp vào các hệ thống
điều khiển giám sát dòng cấp nhiệt ,điều khiển quá trình nung nóng/làm mát, điều
khiển Internal Cascade ,điều khiển External Cascade và có thể dùng máy tính đặt
giá trị từ các trung tâm điều khiển ,thờng đợc sử dụng.
Đây là một thiết bị điều khiển quen thuộc trên thế giới, tuy nhiên đối với Việt Nam
nó vẫn còn rất mới mẻ, cha đợc ứng dụng trong thực tế sản xuất.
Với mục đích tìm hiểu để thấy đợc tính năng của thiết bị này thông qua đó phổ
biến ứng dụng thiết bị trong thực tế,đồng thời củng cố kiến thức đã đợc trang bị
trong suốt thời gian học tập tại trờng, đồ án đã đi sâu vào tìm hiểu thiết bị và đã đạt
đợc một số kết quả sau:
+Xác định cấu trúc phần cứng của thiết bị và khả năng phối ghép giữa thiết
bị TCU với các thiết bị đo khác.
+Thiết bị TCU hoạt động nh thế nào trong các hệ thống công nghiệp.
+Xác định các phơng pháp điều khiển của thiết bị TCU.
+Khả năng kết nối của thiết bị với các thiết bị ngoại vi,có sử dụng chuẩn
truyền thông RS-485.
+Khả năng ứng dụng thiết bị vào các hệ thống điều chỉnh nhiệt độ.
+Thực nghiệm xây dựng hệ thống điều khiển sử dụng thiết bị TCU.
Tuy nhiên do hạn chế về thời gian và trình độ ,cũng nh hạn chế khi tiếp xúc thực
tế sản xuất nên chắc chắn đồ án không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong đợc
các thầy các cô nhận xét chỉ bảo. Chắc chắn đó sẽ là những kinh nghiệm quý báu
giúp chúng em trong hành trang vào cuộc sống .
Tín hiệu đầu ra đợc số hoá và lựa chọn để truyền đi một trong các thông số: % đầu
ra, giá trị nhiệt độ quá trình, giá trị điểm đặt.
Đầu vào giám sát dòng nhiệt đợc dùng nh một đồng hồ số đo và giám sát dòng
cấp nhiệt cho sợi đốt, lấy đầu vào trực tiếp từ bộ biến dòng ( ví dụ loại CT 005001
của hãng Red Lion ). Một đầu ra cảnh báo theo sự kiện đợc lập trình để phát tín
hiệu cảnh báo dây đốt hay thiết bị nào đó bị hỏng, trớc khi sự cố đó xảy ra gây
thiệt hại vật chất cho quá trình. Sự kiện báo động sẽ xuất hiện khi thoả mãn hai
điều kiện sau:
1.Đầu ra chính OP1 ở trạng thái tích cực và dòng cấp nhiệt thấp hơn giá trị
cảnh báo, đây là dấu hiệu của sự kiện dây đốt bị hỏng.
2.Đầu ra chính OP1 không tích cực và dòng cấp nhiệt vợt quá 10% giá trị cảnh
báo , cho biết thiết bị điều khiển có thể bị ngắn mạch hoặc một số vấn đề khác.
Đầu ra điều khiển van : trực tiếp điều khiển vị trí của van bằng cặp đầu ra
( đóng, mở van ) để điều khiển hớng mở van. Vị trí của động cơ xác định vị trí mở
van. Có hai chế độ cho van: điều khiển vị trí van (có sử dụng vòng phản hồi ) và
điều khiển tốc độ. Một đầu ra cảnh báo sự kiện đợc dùng khi mất tín hiệu phản hồi
hay phát hiện hỏng van.
Đầu vào tơng tự thứ hai (0 ữ 20 mA DC ) dùng làm điểm đặt từ xa hoặc tín hiệu
vào cho quá trình của vòng trong ( trong mô hình Internal Cascade ). Nếu là kiểu
giá trị đặt từ xa: cho phép thiết lập hệ thống mà chỉ có một TCU Master cung cấp
giá trị đặt cho nhiều TCU Slave hoặc dùng cho hệ thống External Cascade. Khi là
tín hiệu vào của quá trình trong sẽ tạo ra một hệ Cascade trong một thiết bị TCU
( Internal Cascade ).
Giao diện kết nối truyền thông RS485 cung cấp một kết nối giữa TCU với các
thiết bị khác ( ví dụ: máy in , PC, bộ điều khiển khả trình ...). Với khoảng địa chỉ
khá rộng từ 0 ữ 99 cho phép kết nối tới 32 thiết bị trên một cặp dây truyền. Các
thông số của bộ điều khiển nh giá trị điểm đặt, % đầu ra.... đợc thay đổi gián tiếp
từ thiết bị ngoài thông qua kết nối truyền thông RS485 tới TCU.
Chơng 2
cấu trúc phần cứng và kết nối .
Đ6Đ5Đ4
Hình 2: Sáu đèn báo chế độ hoạt động.
Hình 3: Cấu trúc bên trong của TCU.
- Đèn Đ5: Sáng liên tục OP1 khi đầu ra điều chỉnh chính tích cực. Sáng liên tục
AL1 khi đầu ra báo động 1 tích cực.
- Đèn Đ6: Sáng liên tục AL2 khi có cài đặt đầu ra báo động ra. Sáng liên tục khi
đầu ra chính đặt lựa chọn làm mát. Sáng liên tục CLS khi van ở vị trí đóng.
2.1.3. Bốn nút điều khiển.
- Nút DSP: Khi TCU đang ở trong chế độ thờng ( xem phần 3.1 ) dùng nút DSP để
lựa chọn một trong các thông số hoạt động trên hiển thị dới hay đơn vị đo nhiệt độ.
- Nút PAR: Nút PAR đợc dùng để truy cập, thay đổi và cuốn qua các thông số ở
bất kì chế độ nào ( khi thông số đó đợc phép truy cập ).
- Nút UP và DOWN: Nút UP trên bảng điều khiển có hình mũi tên hớng lên,
nút DOWN có hình mũi tên hớng xuống. Hai nút này đợc dùng để trực tiếp thay
đổi giá trị ( tăng hoặc giảm ) điểm đặt hay phần trăm đầu ra ( chỉ dùng khi TCU
đang ở chế độ điều chỉnh tay ) khi nhìn thấy biến nhớ của thông số đó xuất hiện
trên hiển thị dới. Đối với các thông số khác khi muốn cập nhật thì cần phải tìm tới
biến nhớ của nó trớc khi thay đổi giá trị.
2.2. Cấu trúc bên trong TCU.
Quan sát hình 3 ta thấy có ba bộ phận quan trọng cần phải cài đặt: khoá chọn
nguồn, chân chọn thiết bị đo nhiệt độ và các Modul ra.
2.2.1. Khoá chọn nguồn và chân chọn thiết bị đo nhiệt độ.
Đây là khoá rất quan trọng cần đặt đúng vị trí phù hợp với nguồn cấp cho TCU
nếu đặt sai có thể dẫn tới hỏng TCU: Vị trí trên cho nguồn 220 V, vị trí dới cho
nguồn 110 V. Sai số nguồn cho phép +10v,-15v nghĩa là có 2 dải điện áp đợc phép
dùng là 100
ữ
125 V và 215
ữ
B
C
Hình 4: Kết nối Modul Rơle.
Tải
240
Hình 5: Kết nối Modul Triac.
A
B
Không nối
C
Thiết bị
Rơle hay
Triac
Nguồn
* Modul Logic/SSR.
Modul Logic/SSR là loại modul thờng sử dụng cho điều khiển logic ON/OFF:
đóng mở van, ngắt nguồn cho thiết bị...
Modul này là loại không phân cực, áp một chiều 12VDC .
Dòng tải cực đại 45mA.
Có thể dùng để điều khiển nhiều SSR sau nó.
Chú ý: ở ba hình vẽ trên các chân A,B,C tuỳ thuộc vào loại thiết bị, trên bảng hớng
dẫn kết nối của TCU lôn có hớng dẫn cách nối chân.
2.3. Lựa chọn và kết nối đầu vào, đầu ra.
Trớc khi nối dây, quan sát kĩ hớng dẫn ở mặt cạnh của TCU về chức năng của
từng chân. Chuẩn bị các dây nối, đa đầu dây cần nối vào chân tơng ứng sau đó vặn
chặt vít. Khi đợc phép đấu chung dây thì có thể kết các dây thành khối để nối với
TCU.
* Nối dây đo tín hiệu vào.
Hình 6: Kết nối Modul Logic/SSR
Không nối
11
12
Đầu vào cặp
nhiệt điện
+
-
Hình 7: Nối dây cho cặp nhiệt điện
Hình 8: Nối dây cho thiết bị đo nhiệt độ RTD
7
8
9
10
11
đầu vào RTD
+ Không dùng chung ống cách điện với: dây dẫn động cơ, cuộn cảm, dây nung,
rơle... mà nên đặt dây đo trong ống cách điện riêng.
+ Khi sử dụng loại dây có vỏ bảo vệ, nối vỏ bảo vệ với chân số 10, đầu còn lại
không nối.
+ Bố trí địa điểm đặt TCU ở khoảng cách ngắn nhất có thể với đối tợng đo.
+ Dây đo cần phải đợc cách điện hoàn toàn với các thiết bị điện.
* Cách nối dây cho ứng dụng điều khiển vị trí van.
1
2
3
4
5
Hình 9: Nối dây cho điều khiển van.
*
*
*
đầu vào tơng tự thứ hai.
*Nối dây cho đầu vào tơng tự thứ hai.
Nếu version có đầu vào tơng tự thứ hai nó sẽ có hai chân đầu vào để nhận tín
hiệu dòng 4 ữ 20 mA. Số thứ tự chân phụ thuộc version.
*Nối dây cho đầu vào ngời dùng.
Một số version có chân số 7 dành để cho đầu vào ngời dùng, khi nối chân này
với nguồn 0.7 V thì một trong các chức năng khoá ( đã đợc lựa chọn trong Modul
đầu vào 1_IN xem 4.5.1 ) sẽ đợc kích hoạt.
chơng 3
hoạt động của thiết bị TCU.
Sự hoạt động và cấu hình bộ điều khiển đợc phân chia thành 5 chế độ hoạt động /
lập trình riêng biệt nhằm đơn giản hoá sự hoạt động của bộ điều khiển:
Chế độ thờng, chế độ không bảo vệ thông số, chế độ bảo vệ thông số, chế độ ẩn
chức năng, chế độ lập cấu hình. Ngoại trừ chế độ thờng ra các chế độ còn lại đều
có cách truy cập riêng ( xem hình vẽ 10 ).
3.1. Chế độ thờng (Normal Display Mode).
Tại chế độ thờng, nhiệt độ quá trình luôn đợc hiển thị tại dãy hiển thị trên. Khi ta
ấn nút DSP thì 1 trong các thông số hoạt động sau sẽ xuất hiện tại dãy hiển thị dới:
PAR
giữ 3s
Chế độ th-ờng
Chế độ không
bảo vệ thông
số
Các modul lập
cấu hình thông
số
Chế độ bảo vệ
thông số
Chế độ ẩn
xa, các giá trị ngỡng cảnh báo. Khi tới cuối danh sách, cho phép ngời vận hành
nhập vào các modul cấu hình.
Các modul này cho phép truy cập tới các thông số thiết lập cơ bản của bộ điều
khiển. Sau khi danh sách các thông số đã đợc duyệt qua hết thì dãy hiển thị dới
hiện END và quay trở lại chế độ thờng. Bộ điểu khiển tự động quay trở lại chế
độ thờng nếu không có một tác động nào đợc đa ra.
3.3. Chế độ bảo vệ thông số (Protected Parameter Mode ).
Xem hình 10 ta thấy chế độ bảo vệ thông số đợc truy cập bởi việc ấn nút PAR từ
chế độ thờng (khi đã có đầu vào ngời dùng). Chế độ này cho phép thay đổi các
thông số hoạt động của TCU nh: thông số của hai bộ điều khiển PID, các hệ số
của điểm đặt từ xa, các giá trị ngỡng cảnh báo ( khi không bị khoá ) và mã số truy
cập tới chế độ không bảo vệ thông số. Sự khác nhau cơ bản nhất giữa chế độ bảo
vệ thông số với chế độ không bảo vệ thông số là: ở chế độ bảo vệ thông số có thể
khoá không cho phép truy cập tới các thông số của hai bộ điều khiển PID và các
giá trị ngỡng cảnh báo (các thông số này bị khoá ở modul khoá - xem phần 3.5.3 ).
Phụ thuộc vào sự trùng khớp giữa mã số nhập tại đây và mã số ở modul khoá mà
TCU có thể cho phép chuyển sang chế độ không bảo vệ thông số. Bộ điều khiển
quay trở lại chế độ thờng nếu không truy cập tiếp tới chế độ không bảo vệ thông số
và các modul cấu hình thông số.
3.4. Chế độ ẩn chức năng( Hidden Function Mode).
Chế độ ẩn chỉ đợc truy cập từ chế độ thờng bởi việc ấn và giữ nút PAR ba giây
(xem hình 10). Ngời vận hành sử dụng chế độ này để chuyển đổi kiểu hoạt động
cho các chức năng cơ bản:
+ SPSL: Lựa chọn kiểu điểm đặt ( từ xa hay địa phơng ).
+ trnF: Lựa chọn kiểu hoạt động cho bộ điều khiển TCU (điều chỉnh bằng tay hay
tự động).
+ tUNE: Lựa chọn kiểu tự chỉnh.
+ ALrS: Reset đầu ra cảnh báo, nút UP sẽ reset cảnh báo Alarm1, nút DOWN reset
cảnh báo Alarm2.
Các chức năng này chỉ hiện lên khi nó không bị khoá trong Modul khoá.
+ Đầu vào ngời dùng: lựa chọn một trong số các hàm đợc liệt kê. Sử dụng đầu vào
ngời dùng để chuyển hoạt động cho TCU hoặc thực hiện khoá một số chức năng.
Khi nối đầu vào ngời dùng với mức điện áp cao thì sẽ kích hoạt hàm đợc lựa chọn.
+ Hệ số chuyển đổi tín hiệu dòng cấp nhiệt (HCur): là hệ số chuyển đổi giữa dòng
(tính bằng ampe ) từ bộ biến dòng và dòng qua dây đốt.
3.5.2. Modul ra (2-OP).
Tại modul này các lựa chọn sẽ ảnh hởng tới đầu ra điều khiển: thay đổi mức phụ
thuộc của đầu ra vào sự thay đổi nhiệt độ của quá trình và sai lệch của thiết bị đo
nhiệt độ.
+ Chu kì thời gian (CYCt)
Chọn chu kì thời gian phụ thuộc vào hằng số thời gian quá trình và sử dụng
modul đầu ra dạng nào .
CYCt-0 tới 250s
Tốt nhất nên lựa chọn chu kì thời gian bằng 1/10 hằng số thời gian quá trình hay
nhỏ hơn tuỳ theo lựa chọn. Nếu chọn chu kì thời gian lớn hơn thì có thể làm suy
giảm nhiệt độ điều khiển, còn nếu chọn chu kì thời gian nhỏ hơn thì sẽ có đợc một
số thuận lợi .
Khi sử dụng modul đầu ra dang Triac hay Logic/SSR drive với SSR Power Unit thì
chu kì thời gian ngắn có thể đợc chọn.
Nếu điểm đặt bằng 0 thì sẽ khiến cho đầu ra điều khiển chính và bộ chỉ thị bị ngắt.
Do đó nếu sử đầu ra tơng tự để điều khiển thì đầu ra chính và bộ chỉ có thể bị vô
hiệu hoá. Điều này không áp dụng với dạng điều khiển van.
+ Lựa chọn kiểu tác động điều khiển đầu ra (OPAC).
Trong những ứng dụng dùng cả hai chức năng nung nóng và làm mát thì cần phải
lựa chọn kiểu điều khiển ( nung nóng hay làm mát ) cho hai đầu ra OP1 và OP2.
Đầu ra chính (OP1) thờng đợc sử dụng cho việc nung nóng (tác động ngợc ) và đầu
ra làm mát (OP2) đợc sử dụng để làm mát (tác động thuận).
+ Chọn phạm vi cho phép của giá trị % đầu ra (OPLO&OPHI): lựa chọn khoảng
giới an toàn ( chỉ cho phép đầu ra thay đổi trong khoảng này )của đầu ra cho quá
trình.
Chọn chế độ truy cập cho thông số hoạt động. Các thông số hoạt động của TCU
có thể đặt ở 1 trong 3 lựa chọn sau:
LOC ( lookout ) : không cho thông số hiển thị tại hiển thị dới.
rEd (read only ): thông số xuất hiện nhng không thể sửa đổi.
Ent (entry ) : hiển thị và đợc phép sửa.
* Khoá chế độ bảo vệ thông số.
Các thông số trong chế độ bảo vệ thông số có thể đặt 1 trong các giá trị sau:
LOC ( lookout ) : không cho thông số hiển thị.
rEd (read only ): thông số xuất hiện nhng không thể sửa đổi.
Ent (entry ) : hiển thị và đợc phép sửa.
Các thông số bao gồm:
Code: mã truy cập chế độ không bảo vệ thông số ( 0 -> 250 ).
PID: cho phép truy cập các thông số của bộ PID chính ( PID 1 ).
PID2: cho phép truy cập các thông số của bộ PID phụ ( PID 2 ).
RtbS: cho phép truy cập hệ số tỉ lệ và hệ số dịch của điểm đặt từ xa.
AL: cho phép truy cập các giá trị cảnh báo.
*Khoá chế độ ẩn.
Các chức năng có thể đặt ở 2 giá trị :
- LOC ( lookout ): không cho thông số hiển thị .
- Enbl (enable ): cho phép ngời dùng thực hiện chức năng của chế độ ẩn.
Các chức năng hợp lệ trong chế độ ẩn chức năng đợc truy cập độc lập với trạng thái
của đầu vào ngời dùng.
Các thông số khoá của chế độ ẩn chức năng gồm:
AlrS: reset đầu ra cảnh báo.
SPSL: chọn điểm đặt địa phơng hoặc điểm đặt từ xa.
trnf: chọn hoạt động ( tự động, điều chỉnh tay ).
tUNE: chọn hoặc bỏ tự chỉnh.
3.5.4. Modul cảnh báo (4_AL).
Bộ điều khiển TCU có hai đầu ra cảnh báo AL1 và AL2 có thể hoạt động song
song hoặc hoạt động độc lập một trong hai loại (AL1 hoặc AL2). Khi dùng đầu ra
Copyright: Tài liệu đại học ©