Đồ án tốt nghiệp

Xây dựng hệ thống điều
khiển nhiệt độ

Đồ án tốt nghiệp Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt
độ 1

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN TCU

1.1. Giới thiệu chung về TCU.
2
Dòng tuyến tính từ 4 - 20mA (hoặc 0 - 10V) ở đầu ra có thể giao điện
với cơ cấu chấp hành, máy ghi biểu đồ, dụng cụ chỉ thị hay thiết bị điều khiển
khác. Kiểu đầu ra tuyến tính một chiều này có thể dùng cho những mô hình
điều khiển tuyến tính được xây dựng phù hợp với những mô hình xây dựng
sẵn trong bộ điều khiển.
Tín hiệu ra được s
ố hoá và được truyền đi một trong những cách sau: %
công suất đầu ra, giá trị nhiệt độ quá trình, sự chênh lệch nhiệt độ, hay giá trị
điểm đặt. Ngoài ra còn có thể điểu chỉnh được dải chết đầu ra, thời gian cập
nhật đầu ra với những tham số mở rộng tính linh hoạt của TCU tới những
thiết bị cuối cùng.
Một đầu ra được báo động sự kiệ
n, được chương trình hoá để phát tín
hiệu cảnh báo (khi lò nhiệt hay những thiết bị khác bị lỗi) để xử lý kịp thời.
Sự báo động nhiệt độ hoạt động dưới 2 điều kiện sau:
1. Đầu ra chính (OP)1 đang hoạt động và dòng nhiệt điện dưới giá trị
dòng báo động.
2. Đầu ra (OP1) đã tắt và dòng nhiệt điện lớn hơn dòng cảnh báo 10%
khi thiết bị đi
ều khiển bị ngắn mạch hoặc những sự kiện khác.
Đầu vào Analog thứ cấp (0 - 20m ADC) có thể được định dạng để hoạt
động như một bộ tiền xử lý tín hiệu thứ cấp để xử lý điểm đặt của đầu ra sơ
cấp. Chính điều này cho phép khả năng điều khiển tầng với thiết bị khác.
Nhờ đầu vào Analog thứ
cấp này ta có thể xây dựng được một ht điều
khiển tầng tích hợp trong một bộ điều khiển TCU.
Chuẩn giao diện truyền thông RS 485 nhiều điểm nối tiếp cho phép

dưới của các bộ chỉ thị và các chân nối vào/ra được đặt ở phía sau bên trong
một vỏ hộp bảo vệ.
Sơ đồ các chân vào/ra được mô tả như sau:

Đồ án tốt nghiệp Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt
độ 4


11

12

13

14

15

16

OP 2/AL1: Đầu ra làm mát/ cảnh báo
OP2 : Đầu ra làm mát
AL1 A: Đầu ra cảnh báo
A
B

C
OP1: Đầu ra điện điều
khiển chính

User Input: Đầu vào

Đầu vào: Nối với nhiệt điện trở
hay cặp nhiệt điện (4- 2mV)

đích nào.
* Cài đặt các module đầu ra.
Khi sử dụng các module đầu ra xác định đúng nhãn của từng loại thích
hợp với nhãn chân cắm và chiều cắm cho chính xác. Riêng với ứng dụng điều
khiển van thì một số ký hiệu trên bo mạch có ý nghĩa như sau:
AL1: đầu ra điều khiển để mở van
AL2/OP2: đầu ra điều khiển đóng van
OP1 - Alarm # 1 là tín hiệu ra.
* Các module được biểu diễn trong hình vẽ dưới đây.
Relay:
Type: Form - C
Rating: 5A - 120/ 240 VAC Or 28 VDC C
B
A
5A
POWER
1. Relay module
Đồ án tốt nghiệp Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt

0.75 @ 50
0
C
Min: Load Cureut: 10mA C
B
A
POWER
2. Logic/ SSR Drire Module
4 1
SSR
POWER
UNIT
3 2
LOAD
-
+ 2VDC
Not
isolated
Không nối

C
B
A
POWER
3. Triac Module
Kelay or
riac device

Sau khi định vị được công tắc lựa chọn nguồn nuôi và cảm biến ta tiến
hành nối dây theo sơ đồ chỉ dẫn sau:
1
2

Nấc 1: Chọn nguồn 115 VAC
Nấc 2: Chọn nguồn 230 VAC
Nấc chọn nguồn
7 8 9
+

2 chân nối với
cặp nhiệt điện
- Đồ án tốt nghiệp Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt
độ

ụ thể như sau:
+ Các nút bấm chức năng.
DSP
- Ở chế độ hoạt động bình thường, nó dùng để lựa chọn một trong
những tham số được hiển thị trên màn hình thứ hai. Hay nó còn dùng để lựa
7 8 9 10

2 chân nối với
nhiệt điện trở

Đồ án tốt nghiệp Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt
độ 9
chọn trực tiếp thang đo nhiệt độ là
0
F hay
1500

1500

DS
PA
%P
Màn hình chính: Hiển thị
nhiệt độ quá trình và cũng
hiển thị tham số hay các
chế độ đã chọn
Mành hính thứ hai: Hiển
thị nhiệt độ đặt, giá trị
các tham số
MAN: Hiện lên khi hoạt động
ở chế độ bằng tay.
REM: Hiện lên khi chế độ
điểm đặt xa được lựa chọn
AL1: Hiện lên khi cảnh báo 1
được cài đặt
OPN: Hiện lên khi đầu ra điều
khiển mở van được hoạt động
AL2: Hiện lên khi cảnh báo 2
được cài đặt
OPN: Hiện lên khi đầu ra điều

nhằm nhanh chóng tìm ra nguyên nhân đồng thời nó sẽ hiển thị tất cả các
thông tin cơ bản lên 2 màn hình và các bộ chỉ thị. Ban đầu nó sẽ làm sáng tất
cả các màn hình và hiển thị các dụng cụ chỉ báo (để người vận hành có thể
biết được trạng thái của hệ thống) và tiến hành kiểm tra lại tất cả các chức
năng đang hoạt động. Sau đó bộ
điều khiển sẽ hiển thị kiểu senson trên màn
hình chính để kiểm tra lại sự khai báo, lưu chọn Jum có đúng với thực tế trong
hoạt động không. Đồng thời nó xem xét lại chương trình hoạt động của hệ
thống. Nếu sai sót bên trong được tìm thấy thì bộ điều khiển sẽ hiển thị thông
tin đó lên cho đến khi sai sót đó được sửa chữa (khi nó không tự sửa chữa
được).
Sau sự kiểm tra và bổ sung một cách tuần tự như vậy, bộ điều khiển lại
bắt đầu hoạt động điều khiển dựa trên sự tính toán của bộ PID.
1.4.2. Công suất bộ điều khiển giảm.
Nếu như công suất bộ điều khiển đột nhiên giảm, thì nó sẽ tự động ghi
lại trạng thái hoạt động ổn định (ghi l
ại những tham số và chế độ điều khiển).
Điều này sẽ giúp bộ điều khiển đưa ra đáp ứng đầu ra nhanh và chính xác hơn
nếu sau đó có sự tăng công suất của bộ điều khiển.
1.4.3. Khởi động hệ thống.
Sau khi hệ thống được khởi động, bộ PID với các thông số được đặt sẽ
tiến hành điều khiể
n hệ thống nhằm đưa ra đáp ứng tốt nhất. Sự điều khiển
này bao gồm: Sự điều khiển của hệ số tỷ lệ, hằng số thời gian tích phân, hằng
số thời gian vi phân (bộ điều khiển có thể được tính toán chỉnh định một lần
Đồ án tốt nghiệp Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt
độ 11

thị REM tức chế độ điểm đặt xa được dùng, nếu tắt thì chế độ điểm đặt cục bộ
được dùng.
1.5. Các chế độ làm việc.
Đồ án tốt nghiệp Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt
độ 12
Bộ điều khiểu làm việc với rất nhiều tham số khác nhau, nhiều chế độ
điều khiển lựa chọn, hay có thể kết nối với những thiết bị khác vì vậy chế độ
làm việc là tương đối phức tạp. Hơn nữa vấn đề bảo đảm an toàn cho hệ thống
tránh được tác động bên ngoài nhằm thay đổi những lựa chọn của ng
ười vận
hành là yêu cầu rất cần quan trọng. Chính vì điều này mà bộ điều khiển đã
phân chia ra thành 4 chế độ với những tham số và sự can thiệp vào hệ thống
khác nhau. Chế độ hiển thị bình thường, chế độ không bảo vệ tham số, chế
độ bảo vệ tham số, chế độ ẩm.


thứ 2
+ Sự chênh lệch
+ Đơn vị nhiệt độ (C
hoặc F)

PA
CHẾ ĐỘ KHÔNG BẢO VỆ THAM SỐ

- Điểm đặt
- % công suất đầu ra
- Tương tự như chế độ bảo vệ
thamsố
T hậ à á dlth ố
Sự ngăn cản xâm
nhập chương trình
không hoạt động
PA
PA

7. Module chứa tham số của đầu vầo
Analog thứ 2k
8. Module chứa tham số điều khiển
van
9Moduledịch vụ củanhà sảnxuất
PA
Mã hợp lệ
Đồ án tốt nghiệp Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt
độ 13 1.5.1. Vào tham số cho bộ điều khiển.
Nút ấn PAR
Mỗi chế độ làm việc có chứa những tham số khác nhau, tuy nhiên để
truy nhập và thay đổi tham số cho bộ điều khiển thì thao tác sau đây sẽ được
sử dụng chung.
Nút ấn PAR được sử dụng để chọn tham số cần tìm. Để thay đổi giá trị
của tham số đó ta cần ấn nút ấn UP và DOWER
Khi tìm được giá tr
ị thích hợp cho một tham số nào đó thì ấn nút PAR
để chấp nhận giá trị mới đó và cứ tiếp tục như vậy cho những tham số tiếp
theo.
Ở Module định dạng tham số (module chứa những tham số cơ bản nhất
của bộ điều khiển - chỉ ở chế độ có bảo vệ tham số) thì ấn DSP để từ chối giá

+ Đầu vào Analog thứ 2
+ Độ chênh lệch nhiệt độ (giữa nhiệt độ quá trình và nhiệt độ
đặt)
+ Đơn vị đo nhiệt độ (
0
F/
0
C).
Từ chế độ này ta có thể truy nhập sang chế độ ẩn bằng cách ấn và giữa
trong 3s nút ấn PAR, hoặc truy nhập sang chế độ bảo vệ tham số hay chế độ
không bảo vệ tham số theo sự hoạt động của đầu vào sử dụng (hay ngăn cản
xâm nhập vào chương trình - sẽ được nói sau). Chế độ hiển thị bình thường là
chế độ làm việc chính của hệ thố
ng các chế độ kia chỉ được truy nhập khi có
sự thay đổi hay cài đặt các yếu tố cần thiết. Ngoài ra ta cũng có thể tác động
thay đổi đến hai tham số (trên màn hình thứ 2) là: nhiệt độ đặt và công suất
đầu ra (%), là chỉ ở chế độ này mới thay đổi được trực tiếp đến hai tham số
đó, các tham số khác chỉ đọc ra được giá trị của nó.
* Giá trị nhiệt độ đặt: sử dụng nút ấ
n UP & DOWN để thay đổi giá trị
nhiệt độ đặt khi nó được hiển thị nhưng với điều khiển là nó không bị khoá.
Sự khoá hay mở khoá tham số này (hay các tham số khác) được thực hiện
trong Module 3 (ở chế độ không bảo vệ tham số). Giá trị điểm đặt chỉ thay đổi
Đồ án tốt nghiệp Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt
độ 15
được trong khoảng nhất định được đặt trong hai tham số SPLO & SPLI trong
Module 1 (ở chế độ không bảo vệ tham số ).

và các thành phần
Mô tả - ghi chú
SP Nhiệt độ đặt Giới hạn trọng Chỉ xuất hiện khi giá trị điểm đặt bị
Đồ án tốt nghiệp Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt
độ 16
khoảng (SPLO -
SPHI)
khoá
hay chỉ đọc
OPOF
Khoảng bù offset
công suất đầu ra
- 99.9% đến 100%
(0.0)
Chỉ xuất hiện nếu hằng số thời gian tích
phân bằng 0 và bộ điều khiểu ở chế độ tự
động
Prop Hệ số khuyếch đại 0.0 đến 999 (4.0)
Nếu là 0 thì hoạt động ở chế độ kế
toán/OFF, khi sử dụng chế độ kế
toán/OFF cần đặt độ trễ thích hợp
Intt Integral time (hằng số thời
giantích phân)
0 đến 9999s (120)
Tham số này không xuất hiện nếu Drop - 0
DErt Hằng số thời gian vi phân
Pb - 2

8 - VP Module điều khiển vị trí van
9 - FS Module dịch vụ
End Trở về chế độ hiển thị bình
thường 1.5.4. Chế độ bảo vệ tham số.
Đồ án tốt nghiệp Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt
độ 17
Ở chế độ này chỉ một vài tham số của thiết bị là có thể thay đổi được
(nếu như không bị khoá trong modul 3 - L (ở chế độ không bảo vệ tham số)
còn những tham số của hệ thống và của bộ điều khiển trong 9 Module chỉ
người vận hành mới có thể truy nhập vào được. Điều này đảm bảo an toàn
cho hệ thống tránh được sự can thiệt xấ
u vào chương trình điều khiển.
Từ chế độ hiển thị bình thường, ấn PAR để chuyển sang chế độ này với
điều khiển là sư ngăn cản xâm nhập vào chương trình được sử dụng.
Muốn chuyển sang chế độ không bảo vệ tham số để vào đặt lại hệ
thống thì cần phải nhập 1 mã phù hợp với mã đặt trong chế độ không bảo vệ

tham số (ở tham số cocle - Module 3 - chất lượng). Nếu mã vào sai thì bộ điều
khiểu sẽ quay lại chế độ hiển thị bình thường.
Các tham số tóm tắt trong bảng sau:
Hiển thị Tham số
Phạm vi hoạt động
và các thành phần
Mô tả - ghi chú

AL - 2 Giá trị cảnh báo 2 0 đến 9999 (0)
Code
Mã truy nhập sang chế độ
không bảo vệ tham số
Không đến 250 (0)
Mã để truy nhập sang chế độ không bảo vệ tham
số mã này phải phù hợp với mã đặt trong chế độ
cần chuyển sang.

1.5.5. Chế độ ẩn.
Chế độ ẩn được truy nhập trực tiếp từ chế độ hiển thị bình thường (ẩn
PAR và giữ khoảng 3 giây) không phụ thuộc vào sự hoạt động của sự ngăn
chặn xâm nhập vào chương trình. Chế độ này chứa những tham số quy định
Đồ án tốt nghiệp Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt
độ 18
các chức năng điều khiển của bộ điều khiển. Những tham số này có thể bị
khoá lại trong Module 3 CL ở chế độ không bảo vệ tham số.
Các chức năng điều khiển mà bộ điểu khiển có thể thực hiện
+ Lựa chọn điểm đặt xa hoặc điểm đặt cục bộ
+ Chuyển chế độ t
ự động - điều khiển bằng tay
+ Bắt đầu/ phân huỷ chế độ tự chỉnh định
+ Reset lại hệ thống cảnh báo.
Nút PAR để quét hết tham số trong chế độ này và nút UP & DOWN để
lựa chọn chức năng điểu khiển thích hợp. Ấn PAR để trở về chế độ hiển thị
bình thường trong khi chức năng điểu khiển lựa chọn
đang được thực hiện.

tham số
No: Kết thúc
Pirl: chỉnh định vòng ngoài (điểu khiển
tầng
SEC: Chỉnh định vòng trong (điểu khiển
tầng)

Alrs
Reset cảnh báo
UP: reset Alarm 1
DOWN: reset Alarm 2
Bước này sẽ không xuất
hiện nếu như lựa chọn
cảnh báo không được cài
đặt hoặc bị khoá (LOC)
1.5.6. Sự ngăn cản xâm nhập vào chương trình.
Đồ án tốt nghiệp Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt
độ 19
Có một vài cảnh báo hoặc chế sự xâm nhập xấu vào chương trình có
thể kể ra sau: Đặt mã truy nhập vào tham số code trong Module 3 - CL ở chế
độ không bảo vệ tham số, khai báo sự ngăn cản xâm nhập chương trình cho
đầu vào sử dụng (chân 7)
Ta có bảng sau:

Trạng thái đầu vào sử dụng Mã Mô tả
1
Không sử dụng hay sử dụng không

1
÷ 250
Chỉ truy nhập được vào chế độ
bảo vệ tham số.

1.6. Các module định dạng tham số
Đồ án tốt nghiệp Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt
độ 20
Đây là những module chứa những tham số cơ bản và quan trọng của bộ
điều khiển và của cả hệ thống. Các module này được truy cập từ chế độ "
không bảo vệ tham số". Có 9 module định dạng tham số tất cả. Người thiết kế
hệ thống (hoặc người vận hành phải tiến hành tính toán rồi lựa chọn những
thông số cơ bản và tố
i ưu cho hệ thống của mình rồi tiến hành cài đặt vào bộ
điều khiển). Từ cấu hình chỉ dẫn ( trong chế độ không bảo vệ tham số) người
vận hành có thể sử dụng nút bấm UP và DOWN để lựa chọn các module
mong muốn. Ấn PAR để truy cập vào module cần thiết để quan sát hay thay
đổi, nút PA cũng được sử dụng để quét hết các tham số trong một module và
UP và DOWN để thay đổi giá trị tham số
nào đó. Tiếp tục ấn PAR để nhập sự
thay đổi, tiếp tục đến tham số sau. Nếu muốn thoát ra khỏi chế độ không bảo
vệ tham số mà không làm thay đổi giá trị của chúng thì âns DSP. Sau khi đã
quan sát và lựa chọn những tham số trong một module, bộ điều khiển trở lại
cấu hình chỉ dẫn, tiếp tục với các module khác.
Đồ án tốt nghiệp Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt
độ


• Lọc tín hiệu vào ( tham số: FLtr)
Trong TCU tích hợp sẵn một số bộ lọc số cho phép lọc nhiễu với các
độ chính xác khác nhau. Bộ lọc này phân biệt khá rõ nhiễu của phép đo và
nhiệt độ thực tế. Nếu như tín hiệu bị biến động nhiều dưới tác động của nhiễu
thì tăng giá trị của bộ lọ
c nhưng thời gian cập nhật tín hiệu vào ( hoặc thời
gian xử lí ) sẽ lâu hơn. Ngược lại nếu muốn đáp ứng đầu ra nhanh nhất giảm
gía trị lọc.
Có 5 gía trị lọc của tham số FLtr có thể lựa chọn (từ 0-4) với hoạt động
cụ thể như sau:
FLtr:
0: lọc ít nhất (hầu như không) tín hiệu vào
Đồ án tốt nghiệp Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt
độ 22
3: lọc lớn nhất (tín hiệu vào)
4: lọc lớn nhất với thời gian trễ 2 sec
• Hằng số hiệu chỉnh tín hiệu vào ( SPAN và SHFt)
Nếu như nhiệt độ của TCU không phù hợp với độ qui chiếu của thiết
bị hay cần chỉnh định nhiệt độ cảm biến thì TCU sẽ bù bằng hai tham số
SPAN và SHFt.
SPAN: 0.001 đến 9.999
SHFt: -9999 đến 9999
Ta có công thức sau
Nhiệt độ mong muốn = ( nhiệ
t độ thực tế thiết bị x SPAN) + SHFt
Ví dụ:
Nhiệt độ mong muốn

0
F
• Giá trị tới hạn của diiểm đặt ( tham số là SPLO và SPHI )
Nhiệt độ của hệ thống sẽ nằm từ SPLO đến SPHI. Đây là hai giá trị
nhằm xác định vùng hoạt động an toàn cho hệ thống. Giá trị của điểm đặt có
thể được đặt bên ngoài TCU (như một thiết bị khác nối với nó) nhưng không
thể nằm ngoài vùng giới hạn này được
SPLO - từ -999 đến 9999
SPHI - từ -999 đến 9999
• SPrP
Nhằm tránh được sự thay đổi đột ngột nhiệt độ cho bộ xử lý và giảm
được độ quá điều chỉnh khi khởi động
TCU đưa ra tham số SPrP (đơn vị độ / phút)

Đồ án tốt nghiệp Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt
độ 23
Bảng tham chiếu các tham số. (Các giá trị trong() là giá trị mặc định)
Hiển thị Tham số Phạm vi hoạt động và các thành

(
o
F)

dCPt Độ phân giải
nhiệt độ
0 hoặc 0.0
(0)FLtr
Bộ lọc số tín
hiều vào
0 đến 4
(1)
Giá trị càng cao thì chất lượng
học càng tốt nhưng sẽ tốn thời
gian hơn
SPAN
và SHFt
Hằng số hiệu
chỉnh tín hiệu
vào
SPAN: 0.001 đến 9.999
(1.000)
SHFt: -999 đến 9999
(0)
Bình thường hai tham số này đều
được đặt bằng 0
SPLO Giới hạn thấp

30
o
/phút
Đồ án tốt nghiệp Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt
độ 24
• ALrS- Reset đầu ra cảnh báo
• Print- Yêu cầu in
(PLOC)
HCur Dòng đốt
nón
g
0.0 đến 999.9 A
(50)

• SPrP
1.6.2- Module đầu ra (2-OP)
Module này chứa những tham số tác động đến tín hiệu của TCU như:
đầu ra điều khiển chính, đặc tính đầu ra trong chế độ tự chỉnh định, tìm lỗi
cảm biến … Các tham số sẽ được giới thiệu dưới đây:
• Chu kỳ làm việc của đầu ra điều khiển chính (CYct)
Sự lựa chọn chu kỳ này tuỳ thuộc vào hằng số thờ
i gian quá trình và
module đầu ra sử dụng.
CyCT - 0 đến 250 (s)
Thông thường chu kỳ này được chọn bằng 1/10 chu kỳ của hệ thống
(9/10 còn lại TCU sẽ chờ hoặc tiến gành một số hoạt động cần thiết cho vòng
điều khiển sau). Chu kỳ của hệ thống được tính từ lúc nhận tín hiệu vào (sau