Lời nói đầu.
Ngày nay, sự phát triển vượt 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 được các chỉ tiêu về chất lượng và giá thành sản phẩm ... nâng cao
chất lượng cuộc sống .
Chính nhờ những đóng góp của kỹ thuật hiện đại mà ngày càng có nhiều loại
máy móc ,thiết bị hiện đại được đưa 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 thường gặp nhất đó
là điều khiển nhiệt độ. Hiện nay trên thế giới có rất nhiều thiết bị đã được đưa
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 được ứng dụng trong thực tế sản xuất.
Nhằm mục đích tìm hiều để thấy được ưu nhược điểm của thiết bị này thông
qua đó phổ biến ứng dụng thiết bị trong thực tế,đồng thời củng cố kiến thức đã
được trang bị trong suốt thời gian học tập tại trường, 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:
• Chương 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.
• Chương 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 .
• Chương 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.
L i nói u .ờ đầ
Tran
g
Chương 1. Khái quát chung về thiết bị điều chỉnh nhiệt độ TCU.
...................................................................................................................
1
Chương 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
Chương 3. hoạt động của thiết bị TCU.
12
3.1 Chế độ
thường ........................................................................................
13
4.1.Điều khiển
PID.............................................................................................
33
4.1.1. Khoảng tỉ
lệ ........................................................................................
33
4.1.2. Hằng số tích phân ............................................................................
34
4.1.3. Hằng số vi
phân.................................................................................
35
4.2. Điều khiển
ON/OFF...................................................................................
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
Chương 5. kết nối truyền thông rs-485.
48
5.1. Chuẩn truyền thông RS-
485........................................................................
48
5.2. Truyền câu lệnh và dữ
7.2. Mô hình và sơ đồ mạch kết nối .................................................................
64
7.2.1. Mô
hình .................................................................................................
64
7.2.2. Sơ đồ mạch kết
nối ...............................................................................
65
7.3. Bộ điều khiển công
suất..............................................................................
66
7.3.1. Đặc
điểm ...............................................................................................
67
7.3.2. Nguyên lí làm việc của hệ thống điều chỉnh công suất....................
68
7.4. Xác định đối
tượng ....................................................................................
80
7.4.1. Đặc tính của đối
tượng .........................................................................
80
7.4.2. Xác định hàm truyền đạt của đối tượng ............................................
81
7.5. Dùng Matlab xác định các bộ điều khiển PID.........................................
84
7.5.1. Hệ thống một vòng điều khiển........................................................ ...
84
7.5.2. Hệ thống Cascade dùng hai vòng điều khiển ...................................
89
làm việc và thực hiện hệ thống của đề tài yêu cầu đã tạo điều kiện cho em học
hỏi, tiếp cận với nhiều kiến thức và công nghệ mới trong chuyên ngành của
mình.
Chương 1
Khái quát chung về thiết bị điều chỉnh
nhiệt độ TCU.
Bộ điều khiển TCU nhận tín hiệu từ các sensor đo nhiệt độ, hiển thị nhiệt độ
quá trình và tạo ra một tín hiệu ra ( tỉ lệ thời gian, tuyến tính hay điều khiển
van ) chính xác để điều khiển quá trình. Với tập các thao tác dễ dàng cho phép
bộ điều khiển giải quyết nhiều yêu cầu ứng dụng phức tạp nhất.
Bộ điều khiển có thể hoạt động trong chế độ điều khiển PID cho cả hai kiểu
ứng dụng nung nóng, làm mát. Khi yêu cầu, chức năng tự chỉnh sẽ tự lựa chọn
và thiết lập các hằng số cho bộ điều khiển PID. Sau đó các hằng số này có thể
được tinh chỉnh và sau đó được khoá lại bởi người dùng ở bất kì thời điểm nào.
Với các thông số đã được chỉnh định, bộ điều khiển tạo ra một đáp ứng phù hợp,
nhanh mà không tồn tại quá điều chỉnh. Khi chuyển sang chế độ điều chỉnh tay,
người dùng có thể trực tiếp thay đổi các thông số trên bảng điều khiển cho tới
khi được đáp ứng mong muốn. Ngoài ra , bộ điều khiển TCU còn có thể hoạt
động trong chế độ điều khiển ON/OFF với khoảng trễ cho phép điều chỉnh, thay
đổi.
Hai dãy hiển thị (mỗi dãy có 4 digit – không kể dấu chấm ) hiện đồng thời cả
nhiệt độ quá trình và điểm đặt. Sáu đèn báo chế độ thông báo đầy đủ trạng thái
của hệ thống bao gồm: dạng điểm đặt ( địa phương hay từ xa ), chế độ điều khiển
(tự động hay điều khiển tay ), trạng thái đầu ra cảnh báo...Các modul đầu ra
(Relay, SSR Drive, Triac) dễ dàng tháo lắp và chuyển đổi có thể được cấu hình
là một trong các đầu ra sau: đầu ra chính, đầu ra cảnh báo, đầu ra làm mát, đầu ra
điều chỉnh van.
Đầu ra tuyến tính một chiều cung cấp dòng 4 ÷ 20 mA hoặc áp 0 ÷ 10 VDC
cho các cơ cấu chấp hành, máy ghi đồ thị , hiển thị ngoài hay các bộ điều khiển
cấu trúc phần cứng và kết nối .
2.1. Bảng điều khiển (Front Panel).
Bảng điều khiển có chiều cao 96.5 mm và chiều rộng 49.5 mm gồm hai dãy
hiển thị , sáu đèn báo chế độ hoạt động và bốn nút điều khiển.
2.1.1. Hai dãy hiển thị.
* Dãy trên.
- Cao 10.2 mm, khi hiển thị có màu đỏ.
- Tác dụng: hiển thị nhiệt độ quá trình, đồng thời cũng hiện tên gợi nhớ của các
thông số trong chế độ đặt cấu hình ( xem phần 3.5 ). Mặt khác tuỳ thuộc vào
Hình 1: Bảng điều khiển.
Dãy hiển thị trên
Đèn báo chế độ
Nút điều khiển
Dãy hiển thị dưới
trạng thái hoạt động của thiết bị dãy này có thể hiện một số thông báo trạng
thái.
* Dãy dưới.
- Cao 7.6 mm, khi hiển thị có màu xanh.
- Tác dụng: Hiển thị một trong các biến hoạt động, tên gợi nhớ hay các giá trị
số khi thay đổi thông số.
2.1.2. Sáu đèn báo chế độ hoạt động.
- Đèn Đ1: Sáng liên tục % PW khi dãy 2 đang hiển thị % giá trị đầu ra.
- Đèn Đ2: Nhấp nháy MAN khi TCU đang trong chế độ điều chỉnh tay. Sáng
liên tục REM khi TCU đang trong chế độ điểm đặt ngoài ( điểm đặt này do một
thiết bị khác chẳng hạn PC ). Tắt hoàn toàn khi TCU trong chế độ điểm đặt địa
phương.
- Đèn Đ3: Sáng liên tục AL1 khi đầu ra ( lựa chọn ) cảnh báo 1 được cài đặt.
Sáng liên tục OPN khi đầu ra van đang mở.
- Đèn Đ4: Sáng liên tục DEV khi dãy 2 hiển thị sai lệch quá trình. Sáng liên tục
CUR khi dãy 2 hiển thị dòng nhiệt. Sáng liên tục SEC khi dãy 2 hiển thị đầu vào
÷
125 V và 215
÷
240 V.
Có ba chân và một Jăm chọn thiết bị đo nhiệt độ: khi chọn thiết bị đo là cặp
nhiệt độ thì cắm Jăm vào 2 chân dưới. Khi chọn thiết bị đo là RTD cắm Jăm lên
2 chân bên trên.
2.2.2. Các Modul đầu ra.
Có 3 chân cắm cho Modul ra bao gồm:
- Chân cắm cho đầu ra chính OP1 ( hoặc AL1 - điều khiển van ).
- Chân cắm AL2/ OP2 ( hoặc đầu ra “đóng “ - điều khiển van ).
- Chân cắm AL1 ( hoặc đầu ra “mở ” - điều khiển van ).
Khi cần sử dụng đầu ra nào ta phải cắm Modul vào chân cắm thích hợp.
Dưới đây là các loại Modul ra:
* Modul Rơle.
T¶i
Nguån
5A
220v
A
B
C
H×nh 4: KÕt nèi Modul R¬le.
Modul Rơle là loại rơle 5A-120/240 VAC hay 28 VDC . Tải là đối tượng cần
điều khiển, cần hạn chế tải để không ảnh hưởng tới tuổi thọ thiết bị. Modul này
thường dùng cho điều khiển động cơ.
* Modul Triac.
Modul Triac là loại dùng cho điều khiển xoay chiều đây là loại Triac có phân
cực, điện áp vào 120/240.
- Dòng cực đại: 1A ở 35
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
hướng dẫn kết nối của TCU lưôn có hướng dẫn cách nối chân.
2.3. Lựa chọn và kết nối đầu vào, đầu ra.
Trước khi nối dây, quan sát kĩ hướng dẫn ở mặt cạnh của TCU về chức năng
của từng chân. Chuẩn bị các dây nối, đưa đầu dây cần nối vào chân tương ứng
sau đó vặn chặt vít. Khi được phép đấu chung dây thì có thể kết các dây thành
khối để nối với TCU.
* Nối dây đo tín hiệu vào.
Khi nối dây của cặp nhiệt điện hay RTD, hãy làm sạch và khô đầu dây. Nếu
đối tượng ở quá xa có thể nối thêm dây cho cặp nhiệt độ ( không nên dùng dây
đồng ). Nên tham khảo chỉ dẫn của nhà sản xuất thiết bị đo nhiệt độ để nắm rõ về
phạm vi nhiệt độ đo, cách bảo vệ thiết bị... Đối với các ứng dụng sử dụng nhiều
cặp nhiệt độ lấy nhiệt độ trung bình, hai hay nhiều cặp có thể nối tới TCU ( chú
ý: luôn luôn sử dụng loại cặp nhiệt độ giống nhau ). Không nên dùng một cặp
nhiệt độ cho nhiều TCU. Nhìn chung dây đỏ của cặp nhiệt độ là dây âm, hãy nối
nó với chân đất của TCU.
8
9
10
11
12
§Çu vµo cÆp
nhiÖt ®iÖn
+
-
H×nh 7: Nèi d©y cho cÆp nhiÖt ®iÖn
Thiết bị nhiệt kế điện trở (RTD) thường được sử dụng đối với ứng dụng có yêu
cầu cao về độ chính xác, tin cậy. Phần lớn nhiệt kế điện trở có ba dây, dây thứ ba
nhiễu điện từ của môi trường và tránh được tính chất cơ khí của các Contac đóng
mở.
1
2
3
4
5
H×nh 9: Nèi d©y cho ®iÒu khiÓn van.
*
*
*
M
Nguån
§ãng
Më
CW-closed
CCW-open
Đầu ra vị
trí van
Më hoµn toµn
§ãng hoµn toµn
Đầu vào
hồi tiếp
+ Sử dụng nguồn xoay chiều riêng cho động cơ.
+ Cách li các dây đầu ra điều khiển van với các chân hồi tiếp ( nhiễu ở đầu ra
bị khuyếch đại khi đi qua mạch hồi tiếp ).
Các chân đầu vào hồi tiếp không được đánh số cố định ( phụ thuộc version ).
Chỉ sử dụng ba đầu vào này cho mô hình điều khiển vị trí van ( không cần thiết
với điều khiển vận tốc ).
* Cách nối đầu ra Linear DC.
Chế độ ẩn
PAR (không có đầu
vào ng-ời dùng)
DSP
PAR
PAR
PAR
PAR
(có đầu
vào ng-ời
dùng)
Nhập mã
Mã phù hợp
Mã không phù hợp
Hình 10: Truy cập các chế độ hoạt động của TCU.
3.1. Chế độ thường (Normal Display Mode).
Tại chế độ thường, nhiệt độ quá trình luôn được 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 dưới: Điểm đặt, % đầu ra, dòng cấp nhiệt, đầu vào tương tự thứ hai (giá
trị đặt từ xa ), sai lệch điểm đặt, đơn vị đo nhiệt độ (
0
C hay
0
F ).
Mỗi thông số có hai trạng thái:
+ Khoá: không thể truy cập từ bất kỳ chế độ nào.
+ Được phép truy cập ở chế độ cho phép
Các thông số có tính độc lập cao, khi một thông số này bị khoá không ảnh hưởng
tới trạng thái của thông số khác. Chỉ có từ chế độ thường mới có thể chuyển tới
các chế độ khác.
+ 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.
3.5. chế độ lập cấu hình (Configuration of Parameter Mode).
Chế độ lập cấu hình có thể được truy cập từ chế độ không bảo vệ thông số (xem
hình 10), các modul cấu hình thông số cho phép thiết lập các giới hạn thông số
cho ứng dụng riêng biệt. Có 9 modul cấu hình cần thiết lập.
3.5.1. Modul đầu vào (1-In).
Tất cả mọi thông số liên quan đến đầu vào đều phải được khai báo tại modul
đầu vào. Mỗi thông số thể hiện bởi một biến nhớ gồm bốn Digit.
+ Khai báo loại thiết bị đo nhiệt độ ( type ): chọn ra loại thiết bị đo nhiệt độ dùng
trong quá trình.
+ Lựa chọn đơn vị đo (SCAL): chọn đơn vị đo nhiệt độ là
0
F hay
0
C.
+ Lựa chọn độ phân dải (dCPt): chọn sự biến đổi nhiệt độ là 1 hay 0.1
+ Chọn hệ số lọc tín hiệu (FLtr): sử dụng hệ số này để giảm sự ảnh hưởng của
nhiễu tới tín hiệu đo. Chọn một trong năm giá trị từ 0 ÷ 4, chọn giá trị càng lớn
thì khả năng lọc nhiễu cho tín hiệu vào càng cao nhưng đồng thời tốc độ đáp ứng
của TCU lại càng giảm.
+ Các hệ số tham chiếu (SPAN&SHFt): nhiệt độ quá trình đưa vào TCU và nhiệt
độ thực của quá trình có thể tồn tại sai lệch ( do tính không chính xác của thiết bị
đo ), khi đó đặt giá trị cho các hệ số tham chiếu này để đạt được mục đích: nhiệt
độ đưa vào TCU là nhiệt độ thực của quá trình.
Mối quan hệ được biểu diễn qua công thức :
Nhiệt độ thực = (nhiệt độ TCU đọc × SPAN) + SHFt.
+ Đặt phạm vi giá trị điểm đặt (SPLO&SPHI): khoảng giới hạn giá trị điểm đặt
phải lựa chọn kiểu điều khiển ( nung nóng hay làm mát ) cho hai đầu ra OP1 và
OP2. Đầu ra chính (OP1) thường được sử dụng cho việc nung nóng (tác động
ngược ) và đầu ra làm mát (OP2) được 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.
+ Hệ số lọc tín hiệu ra (OpdP – Output Power Dampening): lựa chọn giá trị phù
hợp cho tác động đầu ra của bộ điều khiển PID. Tuy nhiên chỉ quan tâm tới hệ số
này khi quá trình có hệ số khuyếch đại hoặc hằng số vi phân quá lớn ( đồng
nghĩa với sự phụ thuộc nhiễu lớn ). Giá trị của hệ số này phụ thuộc vào thời
gian đáp ứng của quá trình và giá trị xác lập của cơ cấu chấp hành, nói chung
nên chọn hệ số này trong khoảng từ 1/20 tới 1/50 hằng số thời gian tích phân của
bộ điều khiển.
+ Khoảng trễ cho điều khiển ON/OFF: là khoảng nhiệt độ tính từ giá trị điểm đặt
tới giá trị điểm đặt ± khoảng trễ . Khi đặt khoảng tỉ lệ mức 0.0% thì bộ điều
khiển được đặt trong chế độ điều khiển ON/OFF. Khoảng trễ nên đặt giá trị nhỏ
nhất có thể. Giá trị trễ điều khiển chỉ có tác dụng với đầu ra điều khiển chính.
+ Chọn mã đáp ứng (tcod): là một số nguyên có giá trị từ 0 ÷ 4. Khi sử dụng
TCU ở chế độ tự chỉnh mã này có tác dụng thay đổi độ quá điều chỉnh và thời
gian đáp ứng của qúa trình. Sau khi chế độ tự chỉnh thực hiện ,thì việc thay đổi
thông só “tcod ”sẽ không có tác dụng đến tận khi khởi động lại chế độ tự chỉnh.
Khi đặt mức 0 thì đầu ra đáp ứng một cách nhanh nhất với sự quá điều chỉnh.
Đặt mức 4 thì đầu ra đáp ứng 1 cách chậm nhất với lượng quá điều chỉnh ít nhất.
Bình thường nên đặt mã 0 hoặc 1.
+ Lựa chọn các thông số cho đầu ra Linear DC.
Đầu ra Linear DC thường được sử dụng để truyền giá trị các thông số hoạt
động của TCU cho các cơ cấu chấp hành, thiết bị ghi đồ thị hoặc chỉ thị số.
- Chọn thông số cần truyền qua đầu ra Linear DC: chọn một trong các thông
số hoạt động của TCU gồm % đầu ra và sai lệch quá trình.
- Lập khoảng chết và chu kỳ cập nhật: Thông số khoảng chết yêu cầu giá trị
Các thông số khoá của chế độ ẩn chức năng gồm:
AlrS: reset đầu ra cảnh báo.
SPSL: chọn điểm đặt địa phương 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 cảnh báo phải cài đặt Modul ra (một trong ba loại Relay, SSR Drive, Triac)
vào chân cắm của đầu ra cảnh báo. Giá trị cảnh báo được truy cập trong Modul
4_AL, chế độ không bảo vệ thông số , chế độ bảo vệ thông số ( nếu trước đó
thông số này chưa bị khoá ). Phạm vi của giá trị cảnh báo khá rộng từ –999 ÷
+9999. Trên bảng điều khiển, đèn báo sẽ hiện AL1 hoặc AL2 báo hiệu đầu ra
cảnh báo AL1 hay AL2 tương ứng đang hoạt động.
+ Lựa chọn kiểu hoạt động cho cảnh báo nhiệt độ quá trình (Act1, Act2).
TCU cho phép người dùng khống chế phạm vi an toàn cho nhiệt độ quá trình
thông qua hai thông số Act1 (dùng cho AL1) và Act2 (AL2).
Đối với ứng dụng đơn giản chỉ yêu cầu nhiệt độ quá trình không vượt quá hoặc
nhỏ hơn giá trị nào đó, lựa chọn A_Hi cho cảnh báo mức cao hoặc A_LO cho
cảnh báo mức thấp. Nghĩa là khi nhiệt độ quá trình lớn hơn A_Hi hoặc nhỏ hơn
A_LO thì đầu ra cảnh báo tích cực.
Một cách khống chế nhiệt độ qúa trình khác là kiểm soát nhiệt độ quá trình
trong khoảng sai lệch so với điểm đặt, ở đây nhiệt độ quá trình chỉ được phép
nhỏ hơn ( hoặc lớn hơn ) tổng của điểm đặt và giá trị cảnh báo. Hãy chọn d_Hi
cho mức cao hoặc d_LO cho mức thấp hoặc d_Hi cho mức cao.
Copyright: Tài liệu đại học ©