Đồ án

Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ sử
dụng thiết bị TCU

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.

động
đã tận tình giảng dạy và truyền đạt cho em những kiến thức bổ ích trong suốt quá
trình học tập và nghiên cứu tại trường,tạo mọi điều kiện tốt nhất để em hoàn
thành đồ án tốt nghiệp .
Đặc biệt em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo Ts.Nguyễn Văn Hoà
và Ths.Nguyễn Thu Hà đã trực tiếp tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình
thực hiện đồ
án tốt nghiệp.


3.1 Chế độ thường
........................................................................................
13
3.2 Chế độ không bảo vệ thông số ............................................................
13
3.3 Chế độ bảo vệ thông số.........................................................................
13
3.4 Ch
ế độ
ẩn.................................................................................................
14
3.5 Các modul lập cấu hình thông số..........................................................
14
3.5.1 Modul vào (1-In)
...........................................................................
14
3.5.2 Modul ra (2-OP).............................................................................
15
3.5.3 Modul khoá (3-
LC)..........................................................................
17
3.5.4 Modul cảnh báo (4-AL)..................................................................
18
3.5.5 Modul đầu ra làm lạnh (5-O2).....................................................
24
3.5.6 Modul truyền thông (6-SC)...........................................................
25
3.5.7 Modul đầu vào tương tự 2 (7-2n)...................................................
27
3.5.8 Modul điều khiển van (8-VP).........................................................

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 liệu
.........................................................................
49
5.2.1. Truyền câu lệnh
...................................................................................
49
5.2.2. Nhận dữ liệu
.........................................................................................
50
chương 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......................................................................

7.4.1. 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
7.6. Cài đặt thông số cho các bộ điều khiển của TCU....................................
92
Kết luận .

Tài liệu tham khảo.
Tuy nhiên do hạn chế về thời gian và trình độ ,cũng như hạn chế khi tiếp xúc
thực tế sản xuất nên chắc chắn đồ án không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong
được 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 .
Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Ts. Nguyễn Văn Hòa,
Ths.Nguyễn Thu Hà đã tận tình giúp đỡ để em hoàn thành đề tài này. Quá trình
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 thiế
t 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 b
ộ điều khiển PID. Sau đó các hằng số này có thể

2.Đầu ra chính OP1 không tích cực và dòng cấp nhiệt vượt 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 hướng 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 điề
u khiển tốc độ. Một đầu ra cảnh báo sự kiện được dùng khi mất tín hiệu
phản hồi hay phát hiện hỏng van.
Đầu vào tương tự thứ hai (0 ÷ 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 s
ẽ 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 ÷ 99 cho phép kết nối tới 32 thiết bị trên một cặp dây truyền. Các
thông số của bộ điều khiển như giá trị
điểm đặt, % đầu ra.... được thay đổi gián
tiếp từ thiết bị ngoài thông qua kết nối truyền thông RS485 tới TCU.

Chương 2
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.

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 thường ( xem phần 3.1 ) dùng nút
DSP để lựa chọn một trong các thông số hoạt động trên hiển thị dưới hay đơn vị
đo nhiệt độ.
- Nút PAR: Nút PAR được dùng để truy cậ
p, thay đổi và cuốn qua các thông số ở
bất kì chế độ nào ( khi thông số đó được phép truy cập ).
- Nút UP và DOWN: Nút UP trên bảng điều khiển có hình mũi tên hướng lên,
§1 §2 §3
§6 §5 §4
Hình 2: Sáu đèn báo chế độ hoạt động.
H×nh 3: CÊu tróc bªn trong cña TCU.
nút DOWN có hình mũi tên hướng xuống. Hai nút này được 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 dưới. Đối với các thông số khác khi muốn cập nhật thì cần phải
tìm tới biến nhớ c
ủa nó trước 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

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
0
C và 0.75A ở 50
0
C.
- Dòng cực tiểu: 10mA.
- Dòng rò: 7mA.

* Modul Logic/SSR.
T¶i
240
H×nh 5: KÕt nèi Modul Triac.

A
B
Kh«ng nèi
C
Thiết bị
Rơle hay
Triac
Nguån
H×nh 6: KÕt nèi Modul Logic/SSR


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
là dây “nghe” nhằm loại bỏ tác động của điện trở dây (của RTD) xem cách nối
dây trên hình 8, hai dây thường của RTD nối với chân 8 và 10, dây nghe nối với
chân 9. Khi nối dây nghe cần chú ý những đi
ểm sau:
+ Là dây dẫn nối trực tiếp chân 9 với chân 8.
+ Có thể sẽ tồn tại sai số nhiệt độ đo khoảng 2.5
0
C / 1Ω điện trở dây , sai số
này có thể bù bằng lập trình ( khoảng offset ).
+ Luôn đảm bảo điện trở dây nhỏ hơn 10 Ω / 1 dây.
Để hạn chế nhiễu tới dây dẫn ( ảnh hưởng tới chất lượng điều khiển ) cần:

Đối với mô hình điều khiển vị trí van thì có ba kết nối đầu ra để điều khiển vị
trí của van và ba kết nối vào ( hồi tiếp ). Các chân 1,2,3 là ba chân đầu ra điều
khiển van: Chân 1 nối với chân đất của nguồn, chân 2 là đầu ra đóng van (CW)
chân 3 là đầu ra mở van (CCW).
Một số điểm lưu ý:
1
2
3
4
5
H×nh 9: Nèi d©y cho ®iÒu khiÓn van.

*
*
*
M Nguån
§ãng
Më


*Nối dây cho đầu vào người dùng.
Một số version có chân số 7 dành
để cho đầu vào người dùng, khi nối chân này
với nguồn 0.7 V thì một trong các chức năng khoá ( đã được lựa chọn trong
Modul đầu vào 1_IN – xem 4.5.1 ) sẽ được kích hoạt.
chng 3
hot ng ca thit b TCU.

S hot ng v cu hỡnh b iu khin c phõn chia thnh 5 ch hot
ng / lp trỡnh riờng bit nhm n gin hoỏ s hot ng ca b iu khin:
Ch thng, ch khụng bo v thụng s, ch bo v thụng s, ch n
chc nng, ch lp cu hỡnh. Ngoi tr ch thng ra cỏc ch cũn li
u cú cỏch truy cp riờng ( xem hỡnh v 10 ).

PAR
giữ 3s


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.
3.2. Chế độ không bảo vệ thông số ( Unprotected Parameter Mode).
Cách truy cập: từ chế
độ thường ấn nút PAR (khi đầu vào người dùng chưa
được thiết lập - hình 10 ). Chế độ này cho phép thay đổi các thông số hoạt động
của TCU như: thông số của hai bộ điều khiển PID, điểm đặt, % đầu ra, các hệ số
của điểm đặt từ xa, các giá trị ngưỡng cảnh báo. Khi tới cuối danh sách, cho
phép người 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 được duyệt qua hết thì dãy hiển thị
dưới hiện “END” và quay trở lại chế độ thường. Bộ điểu khiển tự động quay trở
lại chế độ thường nếu không có một tác động nào được đưa ra.
3.3. Chế độ bảo vệ thông số (Protected Parameter Mode ).
Xem hình 10 ta thấy chế độ bảo vệ thông số đượ
c truy cập bởi việc ấn nút PAR
từ chế độ thường (khi đã có đầu vào người dùng). Chế độ này cho phép thay đổi
các thông số hoạt động của TCU như: thông số của hai bộ điều khiển PID, các

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
được phép thay đổi từ giới hạn dưới ( SPLO) tới giới hạn trên ( SPHI ).
+ Tốc độ tăng điểm đặt ( SPrP – SetPoint Ramp Rate ): người ta không đưa trực
tiếp một giá trị điểm đặt vào quá trình mà phải thay đổi từ từ theo tốc độ tă
ng
điểm đặt. Điều này hạn chế sự sốc nhiệt cho quá trình khi giá trị điểm đặt quá
lớn.
+ Đầu vào người dùng: lựa chọn một trong số các hàm được liệt kê. Sử dụng đầu
vào người dùng để chuyển hoạt động cho TCU hoặc thực hiện khoá một số chức

+ 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
hợ
p 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 dụ
ng 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 ch
ỉnh.
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, thiế
t bị ghi đồ thị hoặc chỉ thị số.
- Chọn thông số cần truyền qua đầu ra Linear DC: chọn một trong các thông