Trường ĐHCN Hà Nội

Đồ án chuyên môn tự động hóa

ĐỒ ÁN CHUYÊN MÔN TỰ ĐỘNG HÓA
- Số: Đề 3
- Giáo viên hướng dẫn:
- Họ và tên SV:

Th.s Nguyễn Đăng Toàn
Trần Thanh Bình
Nguyễn Văn Cần

- Lớp : ĐH Điện 4
- Khoá : 7 Khoa : Điện
NỘI DUNG:
Nghiên cứu, xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt 10m3.
TT Tên bản vẽ
Khổ giấy
Số lượng
1
2
3
4
PHẦN VIẾT BÁO CÁO:
1. Tổng quan về hệ thống điều khiển nhiệt độ.
2. Xây dựng phương án và tính chọn các thiết bị liên quan.
3. Xây dựng hệ điều khiển và giám sát.
Ngày giao đề : 26/8/2015

Ngày hoàn thành : 30/11/2015

1.4 Hệ thống điều khiển lò nhiệt........................................................................10
CHƯƠNG 2:XÂY DỰNG PHƯƠNG AN
́ VÀTINH
́ CHON
̣ CAC
́ THIÊT
́ BỊ LIÊN
QUAN.........................................................................................................................12
2.1 Xây dựng sơ đồ cấu trúc mô hình điều khiển và giám sát module lò
nhiệt độ dùng s7-300:...........................................................................................12
2.2.Tim
̀ hiêủ cać thanh
̀ phâǹ trong mô hinh:
̀ ........................................................13
CHƯƠNG III: XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT..................................25
CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN........................................................................................46
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................47

GVHD: Th.s Nguyễn Đăng Toàn

2


Trường ĐHCN Hà Nội

Đồ án chuyên môn tự động hóa

LỜI NÓI ĐẦU
Trong quá trình phát triển đất nước, vấn đề Công nghiệp hóa- Hiện đại hóa được
đặt lên hàng đầu. Do đó, khoa học có một vị trí quan trọng, đặc biệt là ngành tự

em hoàn thành đồ án này!

GVHD: Th.s Nguyễn Đăng Toàn

4


Trường ĐHCN Hà Nội

Đồ án chuyên môn tự động hóa

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ
1.1. Tổng quan về lò nhiệt điện trở
1.1.1. Giới thiệu chung về lò điện trở
Lò điện là một thiết bị điện biến điện năng thành nhiệt năng thông qua thanh
nhiệt điện trở, 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 v.v...
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
Nung các vật phẩm trước khi cán, rèn dập, kéo sợi
Trong công nghiệp nhẹ và thực phẩm, lò điện được dùng để sấy, 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 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

- Thanh nhiệtđiện trở (thanh nhiệt) : Thanh nhiệt là bộ phận phát nhiệt của
lò, làm việc trong những điều kiện khắc nhiệt do đó phải đảm bảo được các
yêu cầu cần thiết.Theo đặc tính của vật liệu dùng làm thanh nhiệt người ta
chia thanh nhiệt làm 2 loại: thanh nhiệt kim loại và thanh nhiệt phi kim loại.
Để đảm bảo yêu cầu của thanh nhiệt trong hầu hết các lò điện trở công
nghiệp, thanh nhiệt kim loại được chế tạo bằng hợp kim Crôm – Nhôm và
Crôm – Niken là hợp kim có điện trở suất lớn.Thanh nhiệt được chế tạp với

GVHD: Th.s Nguyễn Đăng Toàn

6


Trường ĐHCN Hà Nội

Đồ án chuyên môn tự động hóa

2 tiết diện: tiết diện tròn và tiết diện chữ nhật. Trong bài ta chọn thanh nhiệt
có tiết diện tròn.
1.1.3. Ưu nhược điểm của lò điện so với các lò sử dụng nhiên liệu
- Ưu điểm :
• 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 dễ điều chỉnh chế độ điện và nhiệt
độ .
• Kín .
• Có khả năng cơ khí hoá và tự động hoá quá trình chất dỡ nguyên liệu
và vận chuyển vật phẩm.
- Nhược điểm :
• Năng lượng điện đắt.

1.2 Các phương pháp đo nhiệt độ
Nhiệt độ là một trong những thông số quan trọng nhất ảnh hưởng đến đặc
tính của vật chất nên trong các quá trình kỹ thuật cũng như trong đời sống hằng
ngày rất hay gặp yêu cầu đo nhiệt độ. Ngày nay hầu hết các quá trình sản xuất công
nghiệp, các nhà máy đều có yêu cầu đo nhiệt độ.
Tùy theo nhiệt độ đo có thể dùng các phương pháp khác nhau, thường phân
loại các phương pháp dựa vào dải nhiệt độ cần đo. Thông thường nhiệt độ đo được
chia thành ba dải: nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình và cao.
Ở trong bài này ta sử dụng phương pháp đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp
xúc
1.2.1. Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc
Phương pháp đo nhiệt độ trong công nghiệp thường đuqợc sử dụng là các
nhiệt kế tiếp xúc. Có hai loại nhiệt kế tiếp xúc, gồm: Nhiệt kế nhiệt điện trở và
nhiệt kế nhiệt ngẫu .
Ngoài ra đối với các ứng dụng đơn giản, dải nhiệt độ cỡ -550 C ÷ 2000 oC
hiện nay người ta thường ứng dụng các IC bán dẫn ứng dụng tính chất nhạy nhiệt
của các điốt, tranzito để đo nhiệt độ. 7 Cấu tạo của nhiệt kế nhiệt điện trở và cặp
nhiệt ngẫu cũng như cách lắp ghép chúng phải đảm bảo tính chất trao đổi nhiệt tốt
giữa chuyển đổi với môi trường đo:
- Đối với môi trường khí và nước: chuyển đổi được đặt theo hướng ngược lại
với dòng chảy.
GVHD: Th.s Nguyễn Đăng Toàn

8


Trường ĐHCN Hà Nội

Đồ án chuyên môn tự động hóa


- Khuyết điểm: Dải đo bé hơn Cặp nhiệt điện, giá thành cao hơn Cặp nhiệt
điện.
Dải đo: -200 ~ 700oC
- Ứng dụng: Trong các ngành công nghiệp chung, công nghiệp môi trường
hay gia công vật liệu, hóa chất…Hiện nay phổ biến nhất của RTD là loại
cảm biến Pt, được làm từ Platinum. Platinum có điện trở suất cao, chống oxy
hóa, độ nhạy cao, dải nhiệt đo được dài. Thường có các loại: 100, 200, 500,
1000 ohm (khi ở 0oC) Điện trở càng cao thì độ nhạy nhiệt càng cao.
- RTD thường có loại 2 dây, 3 dây và 4 dây. Loại 4 dây cho kết quả đo chính
xác nhất.
1.4 Hệ thống điều khiển lò nhiệt
Quá trình đo và kiểm soát nhiệt độ trong sản xuất công nghiệp đóng vai trò
to lớn trong hệ thống điều khiển tự động, góp phần quyết định chất lượng sản
phẩm. Khi thu thập dữ liệu cho quá trình điều khiển và giám sát trong nhà máy thì
nhiệt độ là một thông số không thể bỏ qua. Tùy theo yêu cầu và tính chất của quá
trình điều khiển mà ta sử dụng phương pháp điều khiển thích hợp.Tính chính xác

GVHD: Th.s Nguyễn Đăng Toàn

10


Trường ĐHCN Hà Nội

Đồ án chuyên môn tự động hóa

và ổn định nhiệt độ cũng đặt ra vấn đề cần giải quyết. Hệ thống điều khiển nhiệt độ
thường được chia làm hai loại:
- Hệ thống điều khiển hồi tiếp (feedback control system): thường xác định và
giám sát kết quả điều khiển,so sánh với tín hiệu đặt và tự động điều chỉnh lại

2.1 Xây dựng sơ đồ cấu trúc mô hình điều khiển và giám sát module lò nhiệt
độ dùng s7-300:

GVHD: Th.s Nguyễn Đăng Toàn

12


Trường ĐHCN Hà Nội

Đồ án chuyên môn tự động hóa

Mô hình điều khiển giám sát bao gồm các thành phần:
- PC: Dùng lập trình, tạo giao diện, download chương trình cho PLC và panel
OP270 hoạt động, điều khiển và giám sát sự hoạt động của cả hệ thống
- PLC S7-300: Điều khiển trực tiếp đối tượng.
- Panel OP270 6: Màn hình giao diện cho phép người sử dụng thiết lập thông
số điều khiển đối tượng tại phân xưởng làm việc.
- Đối tượng điều khiển: Lò nhiệt.
- Các kết nối:
• Cáp nối chuẩn MPI: truyền thông giữa PC và PLC S7-300
• Cáp nối chuẩn PROFIBUS-DP: truyền thông giữa PLC S7-300 và
OP270
• Cáp nối chuẩn RS232: truyền thông giữa PC và OP270
• Các dây nối từ module analog của S7-300 với lò nhiệt
• Ngoài ra còn có các bộ nguồn cung cấp điện áp nuôi dùng cho sự hoạt
động của lò nhiệt.
2.2.

Tìm hiểu các thành phần trong mô hình:

hay các sự kiện được đếm. PLC dùng để thay thế các mạch relay (rơ le) trong thực
tế. PLC hoạt động theo phương thức quét các trạng thái trên đầu ra và đầu vào. Khi
có sự thay đổi ở đầu vào thì đầu ra sẽ thay đổi theo. Ngôn ngữ lập trình của PLC có
thể là Ladder hay State Logic. Hiện nay,có nhiều hãng sản xuất ra PLC
như Siemens, AllenBradley, MitsubishiElectric, GeneralElectric, Omron, ...
Ưu điểm của PLC so với các bộ điều khiển truyền thống:
-

Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ dễ học
Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa chữa
Dung lượng bộ nhớ lớn chứa được những chương trình phức tạp
Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp
Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: Máy tính, nối mạng,

các Modul mở rộng…
- Giá cả cạnh tranh.
Trong bài chúng ta sẽ đề cập đến PLC S7 – 300 của hãng Siemens.

GVHD: Th.s Nguyễn Đăng Toàn

14


Trường ĐHCN Hà Nội

2.2.2.2

Đồ án chuyên môn tự động hóa

Thành phần PLC S7 – 300

hiển thị trên màn hình giám sát.
GVHD: Th.s Nguyễn Đăng Toàn

16


Trường ĐHCN Hà Nội
2.2.2.4

Đồ án chuyên môn tự động hóa

Thành phần đối tượng lò nhiệt:

Chức năng: là đối tượng của quá trình điều khiển giám sát
2.2.2.5

-

cảm biến nhiệt độ Pt 100:

Thông số kỹ thuật cảm biến nhiệt độ PT100
Môi trường sử dụng đo nhiệt độ:
Không khí, nước, dầu, gỗ, gạo, xi măng …
Độ chính xác: 0.5
Nhiệt độ tối đa: 12000C
Nhiệt độ tối thiểu: -2000C

GVHD: Th.s Nguyễn Đăng Toàn

17

18


Trường ĐHCN Hà Nội

Đồ án chuyên môn tự động hóa

2.2.2.6 Thành phần kết nối
 Cáp nối chuẩn MPI: sử dụng truyền thông giữa PC và PLC S7-300

- Kết nối với modul CPU của S7-300 thông qua

truyền thông MPI

(MultiPoint Interface).
- Kết nối với PC thông qua cổm USB.
- Yêu cầu:Thiết lập cấu hình phần cứng PLC S7-300, xác định địa chỉ
truyền thông chuẩn MPI.
 Cáp nối chuẩn PROFIBUS-DP: sử dụng truyền thông giữa PLC S7-300
và OP270

- Kết nối với S7-300 thông qua cổng DP
- Kết nối với OP270 thông qua cổng IF1B
- Yêu cầu: Thiết lập cấu hình PLC S7-300 và OP270, xác định địa chỉ truyền
thông cho chuẩn PROFIBUS-DP.

GVHD: Th.s Nguyễn Đăng Toàn

19



Trường ĐHCN Hà Nội

Đồ án chuyên môn tự động hóa

Lò nhiệt trong đề có công suất 30kW > 5 kW nên ta phải làm lò 3 pha, tránh hiện
tượng lệch phụ tải cho lưới điện. Nhưng khi tính toán, chỉ cần tính cho 1 pha, vị trí
số điện trở của dây dẫn của 3pha phải như nhau.
Việc tính toán kích thước của thanh nhiệt được dựa trên 2 biểu thức sau:
+ Biểu thức phản ánh quá trình biến đổi điện năng thành nhiệt năng:
P= W. F.

[kW] (2.1)

+ Biểu thức phản ánh các thông số điện:
P=

.

=

.

[kW]

(2.2)

Trong đó: P- Công suất của dây điện trở , kW
W- Công suất bề mặt riêng của dây điện trở thực,
F- Diện tích xung quanh của dây điện trở,

(m)

(2.4)

(m)

(2.5)

Cân bằng 2 biểu thức 2.4 và 2.5 ta được
C.S =

(

(2.6)

Đối với thanh nhiệt có tiết diện tròn
C=

S=

Thay vào 2.6 và tìm d ta có d=

L=

(mm)

=

(m)



Trường ĐHCN Hà Nội

Đồ án chuyên môn tự động hóa

CHƯƠNG III: XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT
3.1

Thiết lập cho cảm biến nhiệt độ

Cảm biến sử dụng trong bài tập lớn là cảm biến nhiệt độ TP100-Muesen. Nó ghi
nhận giá trị nhiệt độ từ lò nhiệt và đưa ra tín hiệu điện áp V cỡ(mV)
V = S(Td – Ta) = S.Td – S.Ta
Với

Td là nhiệt độ cần đo.
Ta là nhiệt độ môi trưông.
S là độ nhạy của TP100

Như vậy tín hiệu ra từ TC bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường mà ta gọi là đầu tự
do, khi xử lý tín hiệu cần phải có biện pháp trừ khử giá trị này. Thông thường thì ta
phải làm mạch bù nhiệt để loại bỏ sai số, tuy nhiên, do sử dụng PLC S7-300 với
module Analog SM331 AI 8x12bit, đây là molule chuyên dụng có khả năng nhận
trực tiếp tín hiệu từ TC mà không cần phải qua bộ khuếch đại, bù nhiệt cho đầu tự
do và tuyến tính hóa bằng phần mềm đặc tuyến ngõ ra của TC
Tín hiệu này được đổi tầm khi đưa vào PLC và kết quả thu được là giá trị thực của
nhiệt độ.
3.2

PLC và lò nhiệt