Bài tập điều khiển lò nhiệt dùng pid trong s7-1200 năm 2024
- 1. GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HÓA -o0o- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ỨNG DỤNG PLC ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH LÒ NHIỆT TP. HỒ CHÍ MINH – 09/2011 ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT i
- 2. TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Khoa Điện - ĐTVT Độc lập – Tự do – Hạnh phúc Bộ môn Tự động hóa TP Hồ Chí Minh, ngày …tháng …năm 2011 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1. TÊN ĐỒ ÁN : - Ứng dụng PLC điều khiển và ổn định lò nhiệt 2. YÊU CẨU CỦA ĐỒ ÁN: - Tìm hiểu PLC S7-300. - Tìm hiểu cách lập trình giao diện. - Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của lò nhiệt. - Tìm hiểu phần cứng của lò nhiệt. - Tìm hiểu nguyên lý điều khiển và ổn định lò nhiệt. - Thi công mạch điều khiển, mạch động lực lò nhiệt. - Lập trình điều khiển lò nhiệt. - Lập trình giao diện. - Kết nối với phần cứng. 3. NGÀY GIAO ĐỒ ÁN: 01/06/2011. 4. NGÀY HOÀN THÀNH ĐỒ ÁN : 30/08/2011. 5. HỌ VÀ TÊN NGƯỜI HƯỚNG DẪN PHẦN HƯỚNG DẪN Ths. Đặng Hữu Thọ. Nội dung và yêu cầu của đồ án tốt nghiệp đã được Bộ môn thông qua. Tp. HCM, ngày …tháng …năm 2011 TRƯỞNG BỘ MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên) Ths. Đặng Hữu Thọ Ths. Đặng Hữu Thọ ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT ii
- 3. trình hoàn thành đồ án tốt nghiệp, chúng em đã được củng cố các kiến thức thực tiễn cũng như chuyên ngành. Đồng thời đã tìm hiểu, thực nghiệm, thiết kế và điều khiển đối tượng lò nhiệt. Nhiệm vụ của đồ án là tìm hiểu, thực hiện các mục tiêu sau: Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của lò nhiệt, một đối tượng thường gặp trong công nghiệp với công suất lớn, độ quán tính nhiệt lớn và tầm hoạt động rộng. Tìm hiểu các phương pháp điều khiển nhiệt độ cổ điển và thiết kế bộ điều khiển PID theo phương pháp thực nghiệm của Ziegler – Nichols và phương pháp đại số. Thiết kế mạch công suất điều khiển đối tượng lò nhiệt theo phương pháp điều khiển pha (thay đổi góc mở van bán dẫn – trong đồ án chọn van bán dẫn là hai thyristor đấu song song ngược trên một pha). Đồng thời thiết kế mạch điều khiển van bán dẫn theo phương pháp điều khiển thẳng đứng tuyến tính. Sử dụng các hàm thư viện chuẩn trong PLC S7-300 để thu thập và điều khiển nhiệt độ như: hàm scale AI, hàm PID, hàm unscale AO,…. Và sử dụng các module chuyên dụng để đọc tín hiệu nhiệt độ từ cảm biến RTD,…. Giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu hoạt động của lò nhiệt sử dụng phần mềm WinCC (Windows Control Center) của công ty Siemens. ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT iii
- 4. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP...........................................................................................................................ii TÓM TẮT.....................................................................................................................................................................iii MỤC LỤC.....................................................................................................................................................................iv DANH SÁCH HÌNH VẼ............................................................................................................................................vii DANH SÁCH BẢNG BIỂU.........................................................................................................................................x DANH SÁCH CÔNG THỨC.....................................................................................................................................xi CHƯƠNG 1....................................................................................................................................................................1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI........................................................................................................................1 1.1 Giới thiệu về đối tượng và phương pháp điều khiển......................................................................................1 1.2 Nhiệm vụ đồ án:.............................................................................................................................................2 CHƯƠNG 2....................................................................................................................................................................4 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT.......................................................................................................4 2.1 Lò nhiệt ( lò điện trở).....................................................................................................................................4 2.1.1 Giới thiệu chung về lò nhiệt...................................................................................................................4 2.1.1.1 Định nghĩa.......................................................................................................................................4 2.1.1.2 Ưu điểm của lò điện........................................................................................................................5 2.1.1.3 Nhược điểm của lò điện..................................................................................................................5 2.1.2 Những yêu cầu cơ bản đối với cấu tạo của lò điện trở...........................................................................5 2.1.3 Cấu tạo của lò điện trở............................................................................................................................7 2.1.3.1 Vật nung, dây nung.........................................................................................................................7 2.1.3.2 Vỏ lò điện trở..................................................................................................................................9 2.1.3.3 Lớp lót.............................................................................................................................................9 2.1.4 Đối tượng lò nhiệt được sử dụng trong luận văn..................................................................................10 2.2 Cảm biến nhiệt độ........................................................................................................................................11 2.2.1Thermocoupble (cặp nhiệt điện)............................................................................................................11 2.2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý đo...............................................................................................................11 2.2.1.2 Một số loại cặp nhiệt thông dụng..................................................................................................12 Bảng 2.1: Phân loại cặp nhiệt điện............................................................................................................................12 2.2.1.3 Ưu và nhược điểm của Thermocouple..........................................................................................13 2.2.1.4 Bù nhiệt độ môi trường.................................................................................................................14 2.2.2 RTD (Thermal Resistor).......................................................................................................................14 2.2.3 Thermitor(thermally sensitive resistor)................................................................................................17 2.2.4 IC cảm biến...........................................................................................................................................18 2.3 Các phương pháp điều khiển nhiệt độ.........................................................................................................19 2.3.1 Điều khiển ON-OFF.............................................................................................................................19 2.3.2 Điều khiển bằng khâu tỉ lệ (P)..............................................................................................................21 2.3.3 Điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ (PD)..............................................................................................22 2.3.4 Điều khiển bằng khâu tích phân tỉ lệ (PI).............................................................................................23 2.3.5 Điều khiển bằng khâu vi tích phân tỉ lệ (PID)......................................................................................24 Bảng 2.2: So sánh các phương pháp điều khiển.....................................................................................................26 ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT iv
- 5. hàm S7-300 sử dụng trong luận văn.............................................................................................27 2.4.1 Hàm chuyển đổi Sacle FC105..............................................................................................................27 2.4.2 Module analog SM331 của S7-300......................................................................................................29 Bảng 2.4: Quan hệ giữa giá trị số PLC quy đổi và dãi nhiệt độ ngõ vào............................................................30 2.4.3 Hàm chuyển đổi Unscale FC106..........................................................................................................31 Bảng 2.5:Quan hệ giữa giá trị số PLC và dãi điện áp ngõ ra ±10V....................................................................33 2.4.4 Module mềm PID.................................................................................................................................34 Bảng 2.6: Khai báo tham số cho module PID.........................................................................................................38 2.4.5 Hàm PID FB41 “CON_C”....................................................................................................................39 Bảng 2.7: Mô tả các tín hiệu đầu vào khối PID......................................................................................................43 Bảng 2.8: Mô tả các tín hiệu đầu ra..........................................................................................................................49 CHƯƠNG 3..................................................................................................................................................................51 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THI CÔNG MẠCH ĐỘNG LỰC...............................................................................51 3.1 Nguyên lý làm việc của lò điện trở...............................................................................................................51 3.2 Yêu cầu của mạch động lực.........................................................................................................................51 3.3 Tính toán chọn van bán dẫn.........................................................................................................................53 3.4 Tính toán bảo vệ van bán dẫn......................................................................................................................55 3.4.1 Bảo vệ quá dòng...................................................................................................................................56 3.4.2 Bảo vệ quá áp........................................................................................................................................57 3.5 Thi công thực tế............................................................................................................................................59 CHƯƠNG 4..................................................................................................................................................................61 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THI CÔNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN THYRISTOR..................................................61 4.1 Nguyên tắc điều khiển thyristor...................................................................................................................61 4.1.1 Nguyên tắc mở van thyristor................................................................................................................61 4.1.2 Cấu trúc mạch điều khiển thyristor.......................................................................................................62 4.1.3 Nguyên tắc điều khiển thyristor............................................................................................................62 4.2 Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển..................................................................................................65 4.3 Vi mạch TCA 785.........................................................................................................................................69 4.3.1 Giới thiệu TCA 785:.............................................................................................................................69 4.3.2 Chức năng và ký hiệu các chân của TCA 785......................................................................................69 Bảng 4.1: Chức năng các chân của vi mạch TCA 785...........................................................................................70 4.4 Tính toán mạch điều khiển...........................................................................................................................76 4.5 Thi công thực tế............................................................................................................................................80 CHƯƠNG 5..................................................................................................................................................................84 THIẾT KẾ KHÂU HIỆU CHỈNH PID...................................................................................................................84 5.1 Khảo sát vòng hở lò nhiệt............................................................................................................................84 5.2 Điều khiển vòng kín......................................................................................................................................87 5.3 Thiết kế bộ điều khiển PID bằng phương pháp Ziegler-Nichols.................................................................89 ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT v
- 6. thông số của bộ điều khiển PID được xác định theo cách 1........................................................90 Bảng 5.2: Các thông số của bộ điều khiển PID được xác định theo cách 2........................................................90 Bảng 5.3: Các thông số bộ điều khiển PID của lò nhiệt dùng trong luận văn...................................................91 5.4 Thiết kế bộ điều khiển PID bằng phương pháp đại số.................................................................................91 5.5 Đặc trưng của các bộ điều khiển P,I,D........................................................................................................97 Bảng 5.4: Đặc trưng của các thông số bộ điều khiển PID.....................................................................................97 CHƯƠNG 6..................................................................................................................................................................98 GIẢI THUẬT VÀ CHƯƠNG TRÌNH.....................................................................................................................98 6.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống.............................................................................................................................98 6.1.1 Giao tiếp giữa PC và PLC....................................................................................................................98 6.1.2 Cảm biến và PLC..................................................................................................................................99 6.1.3 Lò nhiệt và PLC....................................................................................................................................99 6.3.1 Chế độ 1..............................................................................................................................................103 6.3.2 Chế độ 2..............................................................................................................................................105 6.4 Giải thích giao diện điều khiển..................................................................................................................108 CHƯƠNG 7................................................................................................................................................................113 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI.................................................................113 7.1 Kết quả thực nghiệm..................................................................................................................................113 7.1.1 Kết quả thực nghiệm với phương pháp đại số....................................................................................113 7.1.2 Kết quả thực nghiệm với phương pháp Ziegler – Nichol...................................................................115 Chế độ 2.......................................................................................................................................................116 7.1.3 Những khó khăn gặp phải...................................................................................................................118 7.2 Hướng phát triển đề tài..............................................................................................................................118 PHỤ LỤC....................................................................................................................................................................121 ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT vi
- 7. VẼ Hình 1.1: Dạng tổng quát của một hệ thống hồi tiếp...............................................................................................2 Hình 2.1: Cặp nhiệt điện thực tế...............................................................................................................................11 Hình 2.2: Cấu tạo của cặp nhiệt điện.......................................................................................................................12 Hình 2.3: Kết nối cặp nhiệt điện với dụng cụ đo....................................................................................................13 Hình 2.4: Cấu tạo RTD...............................................................................................................................................15 Hình 2.5: Một số loại Thermitor...............................................................................................................................17 Hình 2.6: Cấu tạo cảm biến IC bán dẫn..................................................................................................................18 Hình 2.7: Sơ đồ điều khiển lò nhiệt..........................................................................................................................20 Hình 2.8: Đặc tính điều khiển của điều khiển ON – OFF.....................................................................................20 Hình 2.9:Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu tỉ lệ (P)......................................................................................21 Hình 2.10: Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ (PD) với P = 1.................................................22 Hình 2.11 : Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ (PI) với P = 1..................................................23 Hình 2.12: Sơ đồ điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID.....................................................................................25 Hình 2.13: So sánh đáp ứng của hệ thống so với các bộ điều khiển....................................................................27 Hình 2.14: Đồ thị mô tả hàm scale AI......................................................................................................................28 Hình 2.15: Cú pháp hàm FC105 dạng LAD............................................................................................................28 Hình 2.16: Sơ đồ nối dây của module SM331 AI/AO 2x12 bit.............................................................................29 Hình 2.17: Sơ đồ kết nối cảm biến RTD với module analog input......................................................................31 Hình 2.18: Cú pháp hàm FC106 dạng LAD............................................................................................................32 Hình 2.19: Sơ đồ kết nối ngõ ra analog output với tải...........................................................................................33 Hình 2.20: Sơ đồ điều khiển PID...............................................................................................................................34 Hình 2.21: Cửa sổ cài đặt các thông số cho bộ PID mềm......................................................................................37 Hình 2.22: Sơ đồ cấu trúc module PID....................................................................................................................39 Hình 2.23: Sử dụng module PID...............................................................................................................................43 Hình 3.1: Nguyên lý mạch động lực.........................................................................................................................52 Hình 3.2: Dạng điện áp ngõ ra khi qua thyristor...................................................................................................52 Hình 3.3: Nguyên lý mạch động lực có cuộn dây L bảo vệ...................................................................................56 ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT vii
- 8. thị quá trình biến thiên điện áp và dòng điện.................................................................................57 Hình 3.5: Nguyên lý mạch động lực có thêm R, C bảo vệ.....................................................................................58 Hình 3.6: Nguyên lý mạch động lực hoàn chỉnh.....................................................................................................59 Hình 3.7: Mạch nguyên lý trên orcad của mạch động lực....................................................................................59 Hình 4.4: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos”.........................................................................................64 Hình 4.5: Đồ thị các xung điều khiển thyristor......................................................................................................66 Hình 4.6: Đồ thị quá trình điều khiển thyristor.....................................................................................................67 Hình 4.7: Nguyên lý mạch điều khiển thyristor.....................................................................................................68 Hình 4.8: Hình dạng vi mạch TCA 785....................................................................................................................69 Hình 4.9: Sơ đồ khối TCA 785..................................................................................................................................71 Hình 4.10: Đồ thị tạo xung ngõ ra TCA 785...........................................................................................................72 Hình 4.11: Sơ đồ mạch điều khiển thyristor bằng TCA 785 (theo datasheet)...................................................75 Hình 4.12: Khối khuếch đại xung và biến áp xung................................................................................................77 Hình 4.13: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển trên orcad......................................................................................82 Hình 4.14: Layout của mạch điều khiển và mạch động lực..................................................................................83 Hình 5.1: Đáp ứng nấc của lò nhiệt..........................................................................................................................85 Hình 5.2: Đáp ứng nấc thực tế của lò nhiệt.............................................................................................................86 Hình 5.3: Sơ đồ điều khiển vòng kín........................................................................................................................87 Hình 5.4: Sơ đồ khối điều khiển vòng kín...............................................................................................................87 Hình 5.5: Sơ đồ tóm tắt hệ thống..............................................................................................................................89 Hình 5.6: Sơ đồ điều khiển hệ thống dùng cho phương pháp đại số...................................................................92 Hình 6.1: Sơ đồ tổng quát hệ thống..........................................................................................................................98 Hình 6.2: Lưu đồ chương trình chính....................................................................................................................100 Hình 6.3: Lưu đồ thuật toán chế độ 1....................................................................................................................103 Hình 6.4: Lưu đồ thuật toán chế độ 2....................................................................................................................105 Hình 6.5: Đặc tuyến nhiệt độ - thời gian................................................................................................................106 Hình 6.6: Giao diện điều khiển chính.....................................................................................................................108 Hình 6.7: Đồ thị thu thập nhiệt độ..........................................................................................................................111 Hình 6.8: Bảng thu thập thông số nhiệt độ............................................................................................................111 ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT viii
- 9. thị công suất........................................................................................................................................112 Hình 7.1: Đáp ứng ngõ ra ở chế độ 1 với phương pháp đại số...........................................................................114 Hình 7.2: Giá trị nhiệt độ được thu thập ở chế độ 1 phương pháp đại số........................................................114 Hình 7.3: Đáp ứng ngõ ra ở chế độ 2 phương pháp đại số.................................................................................115 Hình 7.4: Đáp ứng ra thực tế ở chế độ 1 phương pháp Ziegler – Nichol.........................................................116 Hình 7.5: Đáp ứng ra thực tế ở chế độ 2 phương pháp Ziegler – Nichol.........................................................117 Nhận xét:.....................................................................................................................................................................117 Với các hệ số đã xác định bằng hai phương pháp đã trình bày cho ta đáp ứng thỏa mãn các yêu cầu......117 Đối với chế độ 1 thì các hệ số của phương pháp đại số cho ta đáp ứng tốt hơn so với phương pháp Ziegler – Nichol: thời gian gia nhiệt nhanh hơn, độ vọt lố nhỏ hơn...............................................................................117 Còn đối với chế độ 2 thì các hệ số của phương pháp Ziegler – Nichol cho đáp ứng tốt hơn phương pháp đại số: độ vọt lố nhỏ, sai số xác lập nhỏ.................................................................................................................118 ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT ix
- 10. BIỂU Bảng 2.1: Phân loại cặp nhiệt điện............................................................................................................................12 Bảng 2.2: So sánh các phương pháp điều khiển.....................................................................................................26 Bảng 2.4: Quan hệ giữa giá trị số PLC quy đổi và dãi nhiệt độ ngõ vào............................................................30 Bảng 2.5:Quan hệ giữa giá trị số PLC và dãi điện áp ngõ ra ±10V....................................................................33 Bảng 2.6: Khai báo tham số cho module PID.........................................................................................................38 Bảng 2.7: Mô tả các tín hiệu đầu vào khối PID......................................................................................................43 Bảng 2.8: Mô tả các tín hiệu đầu ra..........................................................................................................................49 Bảng 4.1: Chức năng các chân của vi mạch TCA 785...........................................................................................70 Bảng 5.1: Các thông số của bộ điều khiển PID được xác định theo cách 1........................................................90 Bảng 5.2: Các thông số của bộ điều khiển PID được xác định theo cách 2........................................................90 Bảng 5.3: Các thông số bộ điều khiển PID của lò nhiệt dùng trong luận văn...................................................91 Bảng 5.4: Đặc trưng của các thông số bộ điều khiển PID.....................................................................................97 ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT x
- 11. THỨC 2.1 Quan hệ giữa điện áp với độ biến thiên nhiệt độ trong cặp nhiệt điện...........................12 2.2 Quan hệ giữa điện áp với độ biến thiên nhiệt độ được tuyến tính hóa...........................12 2.3 Quan hệ giữa điện trở với nhiệt độ trong RTD...............................................................15 2.4 Quan hệ giữa điện trở với nhiệt độ với vật liệu làm bằng kim loại................................15 2.5 Quan hệ giữa điện trở với nhiệt độ với vật liệu làm bằng oxit bán dẫn..........................15 2.6 Độ nhạy nhiệt với cảm biến RTD...................................................................................16 2.7 Hàm truyền khâu điều khiển tỉ lệ....................................................................................21 2.8 Hàm truyền khâu điều khiển vi phân tỉ lệ.......................................................................22 2.9 Hàm truyền khâu điều khiển tích phân tỉ lệ....................................................................23 2.10 Hàm truyền trong bộ điều khiển PID..............................................................................25 2.11 Mối quan hệ giữa tín hiệu ra u(t) với tín hiệu sai lệch e(t) trong bộ PID.......................25 2.12 Giá trị ngõ ra của hàm FC105.........................................................................................27 2.13 Giá trị ngõ ra của hàm FC106.........................................................................................31 2.14 Phương trình điều khiển của khối PID mềm...................................................................34 3.1 Định luất Jun-Len-xơ......................................................................................................51 3.2 Công suất tác dụng của lò nhiệt......................................................................................51 3.3 Điện áp làm việc của Thyristor.......................................................................................54 3.4 Điện áp ngưỡng của Thyristor........................................................................................54 3.5 Dòng điện trung bình qua Thyristor................................................................................55 3.6 Hệ số quá áp của mạch cầu Thyristor.............................................................................59 3.7 Xác định giá trị tụ bảo vệ (C)..........................................................................................59 3.8 Xác định giá trị điện trở bảo vệ quá áp (R).....................................................................59 4.1 Tính góc kích của Thyristor............................................................................................73 ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT xi
- 12. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu về đối tượng và phương pháp điều khiển Nhiệt độ là một đại lượng vật lý hiện diện khắp nơi và trong nhiều lĩnh vực, trong công nghiệp cũng như trong sinh hoạt. Nhiệt độ trở nên là mối quan tâm hàng đầu cho các nhà thiết kế máy và điều khiển nhiệt độ trở thành một trong những mục tiêu của ngành Điều Khiển Tự Động. Trong nhiều lĩnh vực của nền kinh tế, vấn đề đo và kiểm soát nhiệt độ là một quá trình không thể thiếu được, nhất là trong công nghiệp. Đo nhiệt độ trong công nghiệp luôn gắn liền với quy trình công nghệ của sản xuất, việc đo và kiểm soát nhiệt độ tốt quyết định rất nhiều đến chất lượng của sản phẩm trong các ngành công nghiệp thực phẩm, luyện kim, xi măng, gốm sứ, công nghiệp chế tạo động cơ đốt trong.... Tùy theo tính chất, yêu cầu của quá trình mà nó đòi hỏi các phương pháp điều khiển thích hợp. Tính ổn định và chính xác của nhiệt độ cũng đặt ra các vấn đề cần phải giải quyết. Một điều cần thiết là ta phải khảo sát kỹ đối tượng cung cấp nhiệt mà ta cần phải điều khiển để dẫn đến mô hình toán học cụ thể. Từ đó chúng ta sẽ giải quyết bài toán điều khiển trên cơ sở lý thuyết đã nghiên cứu. Hệ thống điều khiển nhiệt độ có thể phân làm hai loại : hệ thống điều khiển hồi tiếp (feedback control system) và hệ thống điều khiển tuần tự (sequence control system). Điều khiển hồi tiếp thường được xác định và giám sát kết quả điều khiển, so sánh nó với yêu cầu thực thi (ví dụ điểm đặt) và tự động điều chỉnh đúng. Điều khiển tuần tự thực hiện từng bước điều khiển tùy theo hoạt động điều khiển trước khi xác định tuần tự. Một hệ thống muốn chính xác cần phải thực hiện hồi tiếp tín hiệu về so sánh với tín hiệu vào và đầu ra sẽ được gởi đến bộ điều khiển hiệu chỉnh đầu ra. Hệ thống Chương 1: Giới Thiệu Tổng Quan Về Đề Tài 1
- 13. tiếp có nhiều ưu điểm nên thường được sử dụng trong các hệ thống tự động. Các phương pháp điều khiển khác nhau nhưng nguyên tắc điều khiển là giống nhau. Một hệ thống điều khiển nhiệt độ dựa trên nguyên tắc hệ thống hồi tiếp có dạng tổng quát như hình dưới đây: Hình 1.1: Dạng tổng quát của một hệ thống hồi tiếp Đây là một hệ thống hồi tiếp qua bộ cảm biến cho tín hiệu đo lường nhiệt độ về so sánh với giá trị đặt, sai lệch giữa tín hiệu đặt và đo sẽ được đưa tới bộ điều khiển tạo tín hiệu điều khiển công suất cấp cho bộ phận gia nhiệt. Như vậy các phương pháp điều khiển khác nhau về bản chất là do các bộ điều khiển khác nhau tạo nên. 1.2 Nhiệm vụ đồ án: • Nhiệm vụ của đồ án là tìm hiểu, thực hiện các mục tiêu sau: o Sử dụng PLC SIEMENS S7-300 điều khiển lò nhiệt bằng phương pháp PID. o Thiết kế, thi công mạch công suất điều khiển đóng mở Thyristor cấp điện cho đối tượng lò nhiệt. o Giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu hoạt động của lò nhiệt sử dụng phần mềm WinCC (Windows Control Center). • Phạm vi điều khiển: Do trong khuôn khổ giới hạn của luận văn nên em chỉ giới hạn trong phạm vi như sau : Chương 1: Giới Thiệu Tổng Quan Về Đề Tài 2
- 14. PLC S7-300 (CPU 314C-2DP, tích hợp sẵn module AI chuyên dụng có khả năng đọc trực tiếp tín hiệu từ cảm biến RTD: Pt100) và lò nhiệt dân dụng. o Điều khiển công suất lò nhiệt bằng phương pháp điều khiển pha, sử dụng hai thyristor nối song song ngược trên một pha. Cảm biến: o Sử dụng cảm biến Thermal Resistor (Pt 100). Phương tiện điều khiển : OP (Operation Panel), tuy nhiên được thay thế bằng PC (Personal Computer) với hệ điều hành Windows XP Giao tiếp máy tính : thông qua phần mềm WinCC của SIEMENS. Bộ điều khiển PID : tích hợp trong PLC S7-300 của SIEMENS. Chương 1: Giới Thiệu Tổng Quan Về Đề Tài 3
- 15. TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT 2.1 Lò nhiệt ( lò điện trở) 2.1.1 Giới thiệu chung về lò nhiệt 2.1.1.1 Định nghĩa Lò điện là một thiết bị điện biến điện năng thành nhiệt năng 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,... 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. Nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện. Nung các vật phẩm trước khi cán, rèn dập, kéo sợi. Sản xuất đúc và kim loại bột. Trong các lĩnh vực công nghiệp khác: Trong công nghiệp nhẹ và thực phẩm, lò điện được dùng để phủ, 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 loại 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 phú và đa dạng như: bếp điện, nồi nấu cơm điện, bình đun nước điện, thiết bị nung rắn, sấy điện v.v... Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết 4
- 16. của lò điện Lò điện so với các lò sử dụng các nhiên liệu khác có những ưu điểm sau: 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 nhiệt độ được điều khiển bằng điện. Đảm bảo độ kín cần thiết. Có khả năng cơ khí hóa và tự động hóa trong quá trình chất dỡ nguyên liệu và vận chuyển vật phẩm. Đảm bảo điều kiện lao động hợp vệ sinh, vận hành thuận tiện, thiết bị gọn nhẹ. 2.1.1.3 Nhược điểm của lò điện Mặc dù lò điện trở có nhiều ưu điểm so với các lò nhiệt khác nhưng cũng không thể tránh được một số nhược điểm sau: Tiêu thụ nhiều điện năng. Nếu lò có công suất lớn thì phải có tính toán chọn các thiết bị bảo vệ, vận hành dài hạn hợp lý. Yêu cầu người vận hành phải có chuyên môn. 2.1.2 Những yêu cầu cơ bản đối với cấu tạo của lò điện trở Hợp lý về công nghệ Hợp lý về công nghệ có nghĩa là cấu tạo lò không những phù hợp với quá trình công nghệ yêu cầu tại thời điểm chế tạo mà còn tính đến khả năng mở rộng về sau này. Đây là một điều cần thiết đối với bất kì một hệ thống điện nào. Và đảm bảo là không làm phức tạp quá trình gia công và làm tăng giá thành của sản phẩm. Hiệu quả về kỹ thuật Hiệu quả về kỹ thuật là khả năng thực hiện hiệu suất cực đại của kết cấu khi các thông số của nó là cố định ( kích thước, công suất, trọng lượng, giá thành, …). Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết 5
- 17. thiết bị hay một vật phẩm sản xuất ra, năng suất trên một đơn vị công suất định mức, sức tiêu hao điện năng để nung,…là các chỉ tiêu cơ bản của hiệu quả kỹ thuật. Còn đối với từng phần riêng biệt của kết cấu hoặc chi tiết, hiệu quả kỹ thuật được đánh giá bằng công suất dẫn động, momen xoắn, lực,…ứng với trọng lượng, kích thước hoặc giá thành kết cấu. Chắc chắn khi làm việc Chắc chắn khi làm việc là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất của chất lượng kết cấu các lò điện. Thường các lò điện trở là tải hoạt động dài hạn, làm việc liên tục một ca, hai ca hoặc cũng có thể là liên tục ba ca trong một ngày. Nếu trong lúc làm việc, một bộ phận nào đó không hoàn hảo sẽ gây ảnh hưởng đến quá trình sản xuất chung. Điều này đặt biệt quan trọng đối với các lò điện làm việc liên tục trong dây chuyền sản xuất tự động. Ngay cả khi các lò điện làm việc theo chu kỳ, lò ngừng cũng làm thiệt hại rõ rệt cho nhà sản xuất vì khi bị sự cố lò dừng đột ngột hoặc nhiệt độ tăng nhanh và cao quá mức quy định có thể dẫn đến làm hư hỏng sản phẩm, lãng phí nguyên vật liệu, làm tăng giá thành sản phẩm, quán trình sản xuất gián đoạn, phải tiến hành sửa chữa vừa mất thời gian vừa tốn kém. Một chỉ tiêu phụ về sự chắc chắn khi làm việc của một bộ phận đó của lò điện là khả năng thay thế nhanh hoặc khả năng dự trữ lớn khi lò làm việc bình thường. Để đạt được điều này, trong các thiết bị cần chú ý đến các bộ phận quan trọng nhất như: dây nung, băng tải,…quyết định đến sự làm việc liên tục của lò. Tiện lợi khi sử dụng Phải hội tụ một số đặc điểm sau: Số nhân viên phục vụ tối thiểu. Không yêu cầu người vận hành có chuyên môn quá cao, có sức lực và sự dẻo dai. Số lượng các thiết bị đắt tiền sử dụng nguyên liệu quý hiếm và bị hao mòn nhanh cần phải hạn chế sử dụng đến mức thấp nhất. Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết 6
- 18. bảo trì dễ dàng, thuận tiện trong việc kiểm tra và sửa chữa thiết bị, hệ thống. Rẻ và đơn giản khi chế tạo Tiêu hao vật liệu ít nhất, đặc biệt là các vật liệu quý hiếm. Công nghệ sản xuất đơn giản, thời gian chế tạo nhanh nhưng vẫn đảm bảo chất lượng. Sử dụng tối đa các kết cấu giống nhau và cùng loại để thuận tiện trong việc trao đổi và lắp ráp. Hình dáng bề ngoài đẹp Mỗi kết cấu của thiết bị, vật phẩm, các khâu và các chi tiết phải có hình dáng và kích thước phù hợp dễ coi. Tuy vậy cũng cần chú ý rằng, độ bền của kết cấu khi trọng lượng nhỏ và hình dáng bề ngoài đẹp có quan hệ khăng khít với nhau. Việc gia công lần chót như sơn có vai trò đặc biệt quan trọng đối với hình dáng bề ngoài của lò điện, song cũng cần tránh những trang trí không cần thiết. 2.1.3 Cấu tạo của lò điện trở Thường thì cấu tạo gồm ba thành phần chính: vỏ lò, lớp lót và dây nung. 2.1.3.1 Vật nung, dây nung Trong lò điện trở thành phần quan trọng nhất đó chính là điện trở, đặc trưng cho thành phần điện trở này chính là dây nung (vật nung). Vật nung: Trường hợp này gọi là nung trực tiếp. Trường hợp này ít gặp vì nó chỉ dùng để nung những vật có hình dạng đơn giản như: tiết diện chữ nhật, vuông, tròn. Dây nung: Trường hợp này gọi là nung gián tiếp. Khi dây nung được nung nóng nó sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt hoặc phức hợp. Trường hợp này thì ta gặp nhiều trong thực tế. Và đề tài nhóm đang làm cũng là loại lò điện trở này. Vì thế nhóm sẽ làm rõ thêm vấn đề dây nung mà lò điện trở hay sử dụng. Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết 7
- 19. của vật liệu dùng làm dây nung: dây nung là bộ phận phát nhiệt của lò, làm việc trong điều kiện khắc nghiệt (nhiệt độ cao), do đó phải đảm bảo các yêu cầu sau: Chịu nóng tốt, ít bị oxy hóa ở nhiệt độ cao. Phải có độ bền cơ học cao, không bị biến dạng ở nhiệt độ cao. Điện trở suất phải lớn. Hệ số nhiệt điện phải nhỏ. Các tính chất điện phải cố định hoặc ít thay đổi. Các kích thước phải không thay đổi khi sử dụng. Dễ gia công, dễ hàn hoặc dễ ép khuôn. Tùy thuộc vào vật liệu làm dây nung mà ta phân biệt dây nung thành hai loại: Dây nung kim loại Để đảm bảo yêu cầu của dây nung, trong hầu hết các lò điện trở công nghiệp, dây nung kim loại thường được chế tạo bằng các hợp kim Crôm- Nhôm và Crôm- Niken là các hợp kim có điện trở lớn. Còn các kim loại nguyên chất được dùng để chế tạo dây nung rất hiếm vì các kim loại nguyên chất thường có những tính chất không có lợi cho việc chế tạo dây nung như: Điện trở suất nhỏ. Hệ số nhiệt điện trở lớn. Bị oxy hóa mạch trong môi trường bình thường. Dây nung kim loại thường được chế tạo ở dạng tròn và dạng băng. Dây nung phi kim: Dây nung phi kim loại được dùng phổ biến là SiC, Grafit, Than,… Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết 8
- 20. điện trở Vỏ lò điện trở là một khung cứng vững chắc, chủ yếu là để chịu tải trong quá trình làm việc của lò. Mặc khác vỏ lò cũng dùng để giữ lớp cách nhiệt rời và đảm bảo sự kín hoàn toàn hoặc tương đối của lò. Đối với các lò làm việc với khí bảo vệ, vỏ lò cần phải hoàn toàn kín, còn đối với các lò điện trở bình thường, sự kín của vỏ lò chỉ cần giảm tổn thất nhiệt và tránh sự lùa không khí lạnh vào lò, đặc biệt theo chiều cao lò. Trong những trường hợp riêng, lò điện trở có thể làm vỏ lò không bọc kín. Khung vỏ lò cần cứng vững đủ để chịu được tải trọng của lớp lót, phụ tải lò (vật nung) và các cơ cấu cơ khí gắn trên vỏ lò. Vỏ lò chữ nhật thường dùng ở lò buồng, lò liên tục, lò đáy rung,... Vỏ lò tròn dùng ở các lò giếng và một vài lò chụp,... Vỏ lò tròn chịu lực tác dụng bên trong tốt hơn vỏ lò chữ nhật khi cùng một lượng kim loại để chế tạo vỏ lò. Khi cần thiết tăng độ cứng vững cho vỏ lò tròn, người ta dùng các vòng đệm tăng cường bằng các loại thép hình. Vỏ lò chữ nhật được dựng lên nhờ các thép hình U, L và thép tấm cắt theo hình dáng thích hợp. Vỏ lò có thể được bọc kín, có thể không tuỳ theo yêu cầu kín của lò. Phương pháp gia công vỏ lò loại này chủ yếu là hàn và tán. 2.1.3.3 Lớp lót Lớp lót lò điện trở thường gồm hai phần: phần vật liệu chịu lửa và phần cách nhiệt. Phần vật liệu chịu lửa: có thể xây bằng gạch tiêu chuẩn, gạch hình hoặc gạch hình đặc biệt tuỳ theo hình dáng và kích thước đã cho của buồng lò. Cũng có khi người ta đầm bằng các loại bột chịu lửa và các chất kết dính gọi là các khối đầm. Khối đầm có thể tiến hành ngay trong lò và cũng có thể tiến hành ở ngoài nhờ các khuôn. Phần vật liệu chịu lửa cần đảm bảo các yêu cầu sau : Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết 9
- 21. nhiệt độ làm việc cực đại của lò. Có độ bền nhiệt đủ lớn khi làm việc. Có đủ độ bền cơ học khi xếp vật nung và đặt thiết bị vận chuyển trong điều kiện làm việc. Đảm bảo khả năng gắn dây nung bền và chắc chắn. Có đủ độ bền hoá học khi làm việc, chịu được tác dụng của khí quyển lò và ảnh hưởng của vật nung. Đảm bảo khả năng tích nhiệt cực tiểu. Điều này đặc biệt quan trọng đối với lò làm việc theo chu kỳ. Phần cách nhiệt: thường nằm giữa vỏ lò và phần vật liệu chịu lửa. Mục đích chủ yếu của phần này là để giảm tổn thất nhiệt đến mức thấp nhất. Riêng đối với đáy, phần cách nhiệt đòi hỏi phải có độ bền cơ học nhất định còn các phần khác nói chung không yêu cầu. Yêu cầu cơ bản của phần cách nhiệt là: Hệ số dẫn nhiệt cực tiểu Khả năng tích nhiệt cực tiểu Ổn định về tính chất lý, nhiệt trong điều kiện làm việc xác định. Phần cách nhiệt có thể xây bằng gạch cách nhiệt, có thể điền đầy bằng bột cách nhiệt. 2.1.4 Đối tượng lò nhiệt được sử dụng trong luận văn Thực tế, trong công nghiệp các lò nhiệt thường có công suất rất lớn, quán tính lớn, tầm nhiệt hoạt động rộng và có nhiều cách đốt nóng khác nhau như dùng lò xo, khí đốt, sóng cao tần…Khi điều khiển nhiệt độ, đặc tính cần chú ý là độ quán tính, năng suất toả nhiệt ra môi trường. Tính chất của lò nhiệt phụ thuộc vào nhiều yếu tố như : thể tích, vật liệu cách nhiệt và nguồn nhiệt. Vì yêu cầu của luận văn là tìm hiểu và bước đầu làm quen với đối tượng điều khiển là nhiệt độ vì thế nhóm sẽ chỉ sử dụng một lò điện trở không đòi hỏi các tham số cao quá như : công suất thấp, kích thước nhỏ gọn, sai số khi ổn định nhiệt độ là tương đối lớn.Lò nhiệt được sử dụng trong luận văn là một loại lò nướng dân dụng, điện áp xoay chiều, có độ quán tính tương đối lớn, có công suất tiêu thụ lớn nhất là 1000W. Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết 10
- 22. nhiệt độ Khi điều khiển nhiệt độ, việc cần làm đầu tiên là xác định được nhiệt độ chính xác tại thời điểm đó của đối tượng điều khiển, vì thế chúng ta phải có thiết bị để đọc nhiệt độ hiện tại của lò về, từ đó mới có thể điều khiển nhiệt độ một cách chính xác. Thiết bị đó là cảm biến nhiệt độ. Cảm biến nhiệt độ là dụng cụ chuyển đổi đại lượng nhiệt thành các đại lượng vật lý khác chẳng hạn như: điện áp, dòng điện, áp suất, độ giãn nở dài, độ giãn nở khối, điện trở, … Cảm biến nhiệt độ là phần tử không thể thiếu trong bất kỳ hệ thống đo lường điều khiển nhiệt độ nào. Cảm biến nhiệt độ có khả năng nhận biết được tín hiệu nhiệt độ một cách chính xác, trung thực và chuyển đổi thành tín hiệu có thể đo lường được như điện áp, dòng điện, điện trở, thể tích áp suất…Có hai loại cảm biến nhiệt đó là cảm biến nhiệt đo nhiệt tiếp xúc và cảm biến nhiệt đo nhiệt không tiếp xúc (hỏa kế, đo bằng hồng ngoại,laze,…). Trong thực tế thì rất ít gặp cảm biến nhiệt độ đo nhiệt không tiếp xúc nên nhóm sẽ đi sâu tìm hiểu cảm biến nhiệt độ đo tiếp xúc với nhiệt là chủ yếu. Trong thực tế người ta thường sử dụng những loại cảm biến nhiệt độ sau: Thermocouple, RTD, Thermistor, và các IC bán dẫn. 2.2.1Thermocoupble (cặp nhiệt điện) Hình 2.1: Cặp nhiệt điện thực tế 2.2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý đo Gồm 2 dây kim loại khác nhau được hàn lại ở 1 đầu được gọi là đầu nối nóng, hai đầu còn lại gọi là đầu nối lạnh (đầu nối chuẩn). Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết 11
- 23. tạo của cặp nhiệt điện Theo hiệu ứng Seebeck, khi có chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng hay đầu lạnh thì phát sinh suất điện động giữa hai đầu lạnh, hai đầu lạnh đặt cùng nhiệt độ To. . . V a b T c T = + ∆ + ∆ (2.1) 0 T T T ∆ = − Trong đó: T là nhiệt đo được. T0 là nhiệt độ đầu lạnh. Từ công thức trên ta thấy quan hệ giữa V và ∆ T là phi tuyến. Nhưng khi sử dụng tầm đo hẹp có thể tuyến tính hoá đặc tính cặp nhiệt điện theo biểu thức: . V k T = ∆ (2.2) Với: k là hệ số nhiệt, đơn vị μV/0 C. 2.2.1.2 Một số loại cặp nhiệt thông dụng Bảng 2.1: Phân loại cặp nhiệt điện Cặp nhiệt Vật liệu cấu tạo Hệ số nhiệt k (µV/o C) Loại J Sắt-Constantan 52.3 Loại K Chromel-Alumel 40.0 Loại S Platinum-Rhodium 6.4 Loại T Đồng-Constantan 42.8 Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết 12
- 24. nhiệt không được dài và ta phải sử dụng dây đồng để nối đến dụng cụ đo thì số chỉ của dụng cụ đo là hiệu số giữa nhiệt độ đo T và nhiệt độ chỗ nối To, nhiệt độ To thường là không ổn định. Hình 2.3: Kết nối cặp nhiệt điện với dụng cụ đo Để khắc phục ta nên dùng dây nối dài cùng loại với vật liệu cặp nhiệt để bù trừ nhiệt độ To, lúc này ta có: V = k.(T0 - T1) Với nhiệt độ T1 : nhiệt độ môi trường đặt dụng cụ đo và T1 ổn định và đo được. Điện áp từ cặp nhiệt điện là khá nhỏ vì thế ta phải khuếch đại lên nhiều lần để đo được điện áp đó ngoài ra cần có thiết bị đo nhiệt độ đầu lạnh để bù trừ. 2.2.1.3 Ưu và nhược điểm của Thermocouple Ưu điểm của thermocouple: Là thành phần tích cực, tự cung cấp công suất. Đơn giản, dễ sử dụng, giá thành hạ. Tầm đo nhiệt rộng. Bền, đo nhiệt độ cao. Khuyết điểm: Độ tuyến tính kém. Bị ảnh hưởng nhiều từ các tác động môi trường nên sai số lớn. Kém nhạy. Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết 13
- 25. định. Đòi hỏi điện áp tham chiếu. 2.2.1.4 Bù nhiệt độ môi trường Khi dùng thermocouple thì giá trị hiệu điện thế thu được bị ảnh hưởng bởi 2 loại nhiệt độ: nhiệt độ cần đo và nhiệt độ tham chiếu. Cách gán 0o C cho nhiệt độ tham chiếu thường chỉ làm trong phòng thí nghiệm để rút ra các giá trị của thermocouple. Trong thực tế thì nhiệt độ tham chiếu thường là nhiệt độ của môi trường nơi mạch hoạt động nên không thể biết được chính xác nhiệt độ này là bao nhiêu vì thế vấn đề bù trừ nhiệt độ được đặt ra để làm sao ta thu được hiệu điện thế một cách chính xác (chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ cần đo). Bù nhiệt môi trường là ta phải có thành phần cho phép xác định nhiệt độ môi trường rồi từ đó tạo ra một giá trị để bù lại giá trị tạo ra bởi thermocouple chứ không thể bù nhiệt bằng cách ước lượng nhiệt độ môi trường rồi khi đọc giá trị hiệu điện thế thì trừ đi giá trị mà ta đã ước lượng bởi vì: Nhiệt độ môi trường thay đổi 1 cách thường xuyên, không xác định trước. Ở những nơi khác nhau thì nhiệt độ môi trường khác nhau. 2.2.2 RTD (Thermal Resistor) Cấu tạo của RTD gồm có dây kim loại làm từ: Đồng, Nikel, Platinum,…được quấn tùy theo hình dáng của đầu đo. Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa hai đầu dây kim loại này sẽ thay đổi, và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ tuyến tính trong một khoảng nhiệt độ nhất định. 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 rộng. Thường có các loại: Pt100, Pt200, Pt500, Pt1000. Điện trở càng cao thì độ nhạy nhiệt càng cao. RTD thường có loại 2 dây, 3 dây và 4 dây. Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết 14
- 26. tạo RTD Nguyên lý làm việc của nhiệt kế (RTD) là dựa vào sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ của các vật liệu dẫn điện. Lợi dụng tính chất này người ta xác định thông số nhiệt độ thông qua giá trị điện trở đo được. Thường dùng cho các ứng dụng như: Lò nhiệt, môi trường khắt nghiệt, đo nhiệt độ nhớt máy nén,… Trong trường hợp tổng quát, giá trị của một điện trở phụ thuộc nhiệt độ như sau: 0 0 0 ( ) ( ) ( ) (1 ) R T R F T T R T R T α = − = + (2.3) Trong đó: α =0.00391 R0 là điện trở đo được ở nhiệt độ T0, F là hàm đặt trưng bởi vật liệu. • Với vật liệu bằng kim loại ta có hàm sau: 2 3 0 ( ) (1 ) R T R AT BT CT = + + + (2.4) Trong đó: T đo bằng 0 C, R0 là nhiệt độ đo ở 00 C. • Với vật liệu là hỗn hợp của các oxít bán dẫn (nhiệt điện trở), ta có hàm sau: 0 0 1 1 ( ) .exp R T R B T T = − (2.5) Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết 15
- 27. đo bằng 0 K (nhiệt độ tuyệt đối). Khi nhiệt độ biến thiên T ∆ nhỏ mà cảm biến có thể nhận biết được ta nói đó là độ nhạy nhiệt αR. ( ) 1 . R dR R T dT α = (2.6) Độ nhạy của nhiệt điện trở rất cao, lớn hơn khoảng 10 lần so với độ nhạy của điện trở kim loại cho phép ứng dụng chúng để phát hiện những biến thiên rất nhỏ của nhiệt độ (từ 10-4 đến 10-3 K ). Mặt khác kích thước nhiệt điện trở lại nhỏ gọn cho phép đo nhiệt độ ở từng điểm, đồng thời do nhiệt dung nhỏ nên tốc độ hồi đáp lớn. Ưu điểm: Ổn định nhất. Chính xác nhất. Độ tuyến tính cao. Ít bị ảnh hưởng bởi các tác nhân môi trường. Khuyết điểm: Giá thành cao. Cần phải cung cấp nguồn dòng. Lượng thay đổi ∆R. Tự gia tăng nhiệt. Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết 16
- 28. resistor) Hình 2.5: Một số loại Thermitor Thermistor được cấu tạo từ hổn hợp các bột oxít kim loại: mangan, nickel, cobalt,…. Các bột này được hòa trộn theo tỉ lệ và khối lượng nhất định sau đó được nén chặt và nung ở nhiệt độ cao. Và mức độ dẫn điện của hổn hợp này sẽ thay đổi khi nhiệt độ thay đổi. Có hai loại thermistor: loại hệ số nhiệt dương PTC - điện trở tăng khi nhiệt độ tăng và loại hệ số nhiệt âm NTC - điện trở giảm khi nhiệt độ tăng. Thường dùng nhất là loại NTC. Thermistor chỉ tuyển tính trong khoảng nhiệt độ nhất định 50-150o C do vậy người ta ít dùng để dùng làm cảm biến đo nhiệt. Chỉ sử dụng trong các mục đích bảo vệ, ngắt nhiệt. Và loại này thì thường được dùng làm các chức năng bảo vệ, ép vào cuộn dây động cơ, mạch điện tử. Ưu điểm: Ngõ ra có giá trị lớn. Đáp ứng nhanh. Bền. Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết 17
- 29. Dễ chế tạo. Khuyết điểm: Phi tuyến. Giới hạn tầm đo nhiệt. Dễ vỡ. Cần phải cung cấp nguồn dòng. Tự gia tăng nhiệt. 2.2.4 IC cảm biến Hình 2.6: Cấu tạo cảm biến IC bán dẫn Cảm biến nhiệt Bán Dẫn là những loại cảm biến được chế tạo từ những chất bán dẫn. Có các loại như Diode, Transistor, IC. Nguyên lý hoạt động của chúng là dựa trên mức độ phân cực của các lớp P-N tuyến tính với nhiệt độ môi trường. Ngày nay với sự phát triển của ngành công nghệ bán dẫn đã cho ra đời rất nhiều loại cảm biến nhiệt với sự tích hợp của nhiều ưu điểm: Độ chính xác cao, chống nhiễu tốt, hoạt động ổn định, mạch điện xử lý đơn giản, rẽ tiền,…. Ta dễ dàng bắt gặp các cảm biến loại này dưới dạng diode ( hình dáng tương tự Pt100), các loại IC như: LM35, LM335, LM45. Nguyên lý của chúng là nhiệt độ thay Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết 18
- 30. ra điện áp thay đổi. Điện áp này được phân áp từ một điện áp chuẩn có trong mạch. Thường dùng: Đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệ các mạch điện tử. Ưu điểm: Tuyến tính nhất. Ngõ ra có giá trị cao nhất. Rẻ tiền. Dễ chế tạo. Độ nhạy cao, chống nhiễu tốt. Mạch xử lý đơn giản. Khuyết điểm: Nhiệt độ đo dưới 2000 C. Dẫn kém bền, không chịu nhiệt độ cao. Cần cung cấp nguồn cho cảm biến. Loại cảm biến này kém chịu đựng trong môi trường khắc nghiệt: Ẩm cao, hóa chất có tính ăn mòn, rung sốc va chạm mạnh. 2.3 Các phương pháp điều khiển nhiệt độ 2.3.1 Điều khiển ON-OFF Sơ đồ điều khiển: Sơ đồ điều khiển lò nhiệt bằng phương pháp ON-OFF được thể hiện qua hình dưới: Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết 19
- 31. đồ điều khiển lò nhiệt Nguyên lý làm việc: Phương pháp điều khiển ON-OFF còn được gọi là phương pháp đóng ngắt hay dùng khâu relay có trễ: cơ cấu chấp hành sẽ đóng nguồn để cung cấp năng lượng ở mức tối đa cho thiết bị tiêu thụ điện năng (lò nhiệt) nếu nhiệt độ đặt w(k) lớn hơn nhiệt độ đo y(k), ngược lại mạch điều khiển sẽ ngắt mạch không tiếp tục cung cấp điện năng cho lò nữa khi nhiệt độ đặt w(k) nhỏ hơn nhiệt độ đo y(k). Một vùng trễ được đưa vào để hạn chế tần số đóng ngắt như sơ đồ khối ở trên: nguồn chỉ đóng khi sai số e(k) > ∆ và ngắt khi e(k) < - ∆. Như vậy, nhiệt độ đo y(k) sẽ dao động quanh giá trị đặt w(k) và 2∆ còn được gọi là vùng trễ của rơ le. Khâu rơle có trễ còn gọi là mạch so sánh Smith trong mạch điện tử và như vậy ∆ là giá trị thềm hay ngưỡng. Đặc tính của phương pháp điều khiển ON-OFF cho bởi hình dưới: Hình 2.8: Đặc tính điều khiển của điều khiển ON – OFF Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết 20
- 32. có ưu điểm là: • Thiết bị tin cậy, đơn giản, chắc chắn, hệ thống luôn hoạt động được với mọi tải. • Tính toán thiết kế ít phức tạp và cân chỉnh dễ dàng. • Điều khiển ON-OFF tốt nhất cho hệ thống điều khiển khi nhiệt độ tăng lên chậm và sai phân G giữa cân bằng nhiệt khi ngõ ra là ON và khi ngõ ra OFF là nhỏ. Nhưng có nhược điểm là sai số xác lập sẽ lớn do hệ chỉ cân bằng động quanh nhiệt độ đặt và thay đổi theo tải. Khuyết điểm này có thể được hạn chế khi giảm vùng trễ bằng cách dùng phần tử đóng ngắt điện tử ở mạch công suất. 2.3.2 Điều khiển bằng khâu tỉ lệ (P) Đây là hình thức điều khiển tốt hơn điều khiển ON – OFF bằng cách cung cấp năng lượng cho lò nhiệt dựa vào sự khác biệt về nhiệt độ giữa nhiệt độ thực tế của đối tượng và nhiệt độ đặt, với KP được xem là độ khuếch đại tỷ lệ của bộ điều khiển. W = Kp.(TS – TO) (2.7) Hình 2.9:Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu tỉ lệ (P) Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết 21
- 33. số khếch đại KP càng lớn thì sai số xác lập càng nhỏ tuy nhiên đáp ứng của hệ thống càng dao động, độ vọt lố càng cao. Nếu KP tăng quá giới hạn thì hệ thống sẽ trở nên mất ổn định. Do đó không thể có sai số của hệ thống bằng 0 và cũng không thể tăng hệ số khếch đại lên vô cùng. 2.3.3 Điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ (PD) Vấn đề về tính ổn định và quá tầm trong điều khiển tỷ lệ với độ khuếch đại lớn, có thể được giảm đi khi thêm vào đó là khâu vi phân cho tín hiệu sai số. ( ) ( ) . . S O D S O d W Kp T T T T T dt = − + − (2.8) Với KD = KP .TD; TD : là thời hằng vi phân của bộ điều khiển PD Kỹ thuật đó được gọi là kỹ thuật điều khiển PD. Khâu vi phân có thể hiệu chỉnh khả năng đáp ứng sự thay đổi tại nhiệt độ đặt, đó là giảm độ vọt lố , đáp ứng ra c(t) bớt nhấp nhô hơn, được biểu diễn ở hình sau: Hình 2.10: Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ (PD) với P = 1 Dựa vào đáp ứng quá độ của hệ thống khi thay đổi giá trị TD và giữ hệ số KP bằng hằng số. Ta thấy TD càng lớn thì đáp ứng càng nhanh, thời gian lên càng ngắn. Tuy nhiên, nếu thời gian lên nhanh quá thì sẽ dẫn đến vọt lố mặc dù đáp ứng không có dao động. Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết 22
- 34. PD không thể thực hiện bằng các linh kiện mạch thụ động, có thể dùng khếch đại thuật toán, điện trở và tụ điện. Nhược điểm của bộ PD này là rất nhạy về nhiễu vì bản thân bộ PD là mạch lọc thông cao, với độ lợi lớn hơn 1 sẽ làm tăng sự ảnh hưởng của tín hiệu nhiễu. 2.3.4 Điều khiển bằng khâu tích phân tỉ lệ (PI) Vấn đề về sai số xác lập có thể khắc phục bằng hiệu chỉnh PI. Hiệu chỉnh PI có tác dụng làm chậm đáp ứng quá độ, tăng độ vọt lố, giảm sai số xác lập. Do hệ số khếch đại của khâu PI bằng vô cùng tại tần số bằng 0 nên khâu hiệu chỉnh PI làm cho sai số đối với tín hiệu vào là hàm nấc của hệ thống không có khâu tích phân lý tưởng bằng 0 (hệ vô sai bậc 1). Ngoài ra khâu PI là một bộ lọc thông thấp nên nó còn có tác dụng triệt tiêu nhiễu tần số cao tác động vào hệ thống. 0 1 . ( ) . ( ) t I W Kp e e d T τ τ τ = + ∫ (2.9) Với: e(τ ) = TS –T0 Ki = Kp/TI, TI là thời hằng tích phân của bộ điều khiển PI Hình 2.11 : Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ (PI) với P = 1 Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết 23
- 35. PI làm cho sai số xác lập của hệ thống đối với tín hiệu vào là hàm nấc bằng 0. Tuy nhiên khâu hiệu chỉnh PI lại làm cho hệ thống kém ổn định do làm tăng thời gian xác lập. Dựa trên đáp ứng quá độ của hệ thống khi giảm thời hằng tích phân TI thì độ vọt lố của hệ thống càng cao, hệ thống càng chậm xác lập. Vậy hằng số thời hằng tích phân TI ta nên cho giá trị lớn nhằm hạn chế độ vọt lố. Tuy vậy khi TI bằng hằng số thì ảnh hưởng của P đến chất lượng của hệ thống chính là ảnh hưởng của khâu khếch đại, P càng tăng thì độ vọt lố càng cao, tuy nhiên thời gian quá độ lại không thay đổi. 2.3.5 Điều khiển bằng khâu vi tích phân tỉ lệ (PID) Bộ điều khiển PID được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế để điều khiển nhiều loại đối tượng khác nhau như nhiệt độ lò nhiệt, tốc độ động cơ, mực chất lỏng trong bồn chứa,… Lý do bộ điều khiển này được sử dụng rộng rãi là vì nó có khả năng triệt tiêu sai số xác lập, tăng đáp ứng quá độ, giảm độ vọt lố nếu các tham số bộ điều khiển được chọn lựa thích hợp. Khâu hiệu chỉnh khuếch đại tỉ lệ (P) được đưa vào hệ thống nhằm làm giảm sai số xác lập, với đầu vào thay đổi theo hàm nấc sẽ gây ra vọt lố và trong vài trường hợp là không chấp nhận được đối với mạch động lực. Sự có mặt của khâu vi phân tỉ lệ (PD) làm giảm độ vọt lố và đáp ứng ra bớt nhấp nhô hơn và hệ thống sẽ đáp ứng nhanh hơn. Khâu tích phân tỉ lệ(PI) có mặt trong hệ thống sẽ dẩn đến sai lệch tĩnh triệt tiêu( hệ vô sai). Muốn tăng độ chính xác ta phải tăng hệ số khuếch đại, song với mọi hệ thống thực đều bị hạn chế và sự có mặt của khâu PI là bắt buộc. Khâu hiệu chỉnh vi tích phân tỉ lệ (PID) kết hợp những ưu điểm của khâu PI và PD, có khả năng tăng độ dự trử pha ở tần số cắt, khử chậm pha. Sự có mặt PID ở vòng hồi tiếp có thể dẩn đến sự dao động trong hệ do đáp ứng quá độ bị vọt lố bởi hàm Dirac δ(t).Các bộ hiệu chỉnh PID được ứng dụng nhiều trong công nghiệp dưới dạng thiết bị điều khiển hay thuật toán phần mềm. Do sự thông dụng của nó nên nhiều hãng sản xuất thiết bị điều khiển đã cho ra đời các bộ điều khiển thương mại rất thông dụng. Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết 24
- 36. phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID dùng quỹ đạo nghiệm số, giản đồ Bode hay phương pháp giải tích rất ít được sử dụng do việc khó khăn trong xây dựng hàm truyền đối tượng. Phương pháp phổ biến nhất để chọn tham số PID thương mại hiện nay là phương pháp Ziegler-Nichols. Hình 2.12: Sơ đồ điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID có hàm truyền liên tục như sau: 1 ( ) 1 i p d p D I K G s K K s K T s s T s = + + = + + ÷ (2.10) Với các giá trị Kp, Ki, Kd là các hằng số thực. Phương trình vi tích phân mô tả sự tương quan giữa tín hiệu ra u(t) với tín hiệu sai lệch e(t) của bộ điều khiển PID là: ∫ + + = dt t e K dt t de K t e K t u I D P ). ( ) ( . ) ( . ) ( . (2.11) Trong đó: e(t) là sai lệch trong hệ thống e(t) = r(t) – c(t). r(t) và c(t) là tín hiệu vào và đáp ứng ra của hệ thống. Vấn đề thiết kế là cần xác định giá trị Kp, Ki, Kd sao cho thoả mãn các yêu cầu về chất lượng. Ta có bảng so sánh giữa các phương pháp điều khiển như sau: Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết 25
- 37. sánh các phương pháp điều khiển Các phương pháp điều khiển Ưu điểm Khuyết điểm Điều khiển ON-OFF - Điều khiển đơn giản - Không xảy ra offset - Xảy ra quá tải và hunting Hiệu chỉnh P - Quá tải và hunting nhỏ - Thời gian yêu cầu dài đến khi biến điều khiển được thiết lập - Vọt lố xảy ra. Điều khiển PI - Loại bỏ sai xác lập - Thời gian yêu cầu dài hơn P cho đến khi biến điều khiển được thiết lập . Điều khiển PD - Đáp ứng nhanh - Điều khiển này không thể thực hiện một mình . - Sai số xác lập luôn khác 0. Hiệu chỉnh PID - Có thể điều khiển tốt nhất - Đặt thông số PID là cần thiết Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết 26
- 38. sánh đáp ứng của hệ thống so với các bộ điều khiển. 2.4 Thư viện hàm S7-300 sử dụng trong luận văn 2.4.1 Hàm chuyển đổi Sacle FC105 Để việc chuyển đổi thuận tiện, ta có thể sử dụng các hàm thư viện. Hàm thư viện FC105 (Thư viện Standard, mục TI-S7 converting blocks) có công dụng chuyển đổi dữ liệu đầu vào PIW của module Analog dạng INT sang dạng đại lượng cần đo. Nó là hàm tuyến tính: 1 2 1 _ _ ( ) _ HI LIM LO LIM OUT IN K LO LIM K K − = − + − (2.12) Trong đó: OUT: Giá trị đại lượng đo, dạng số thực (REAL). IN: Số đo từ PIW (ngõ vào analog), dạng số nguyên (INT). K2: Giá trị số nguyên giới hạn trên ở đầu vào PIW (27648). K1: Giá trị số nguyên giới hạn dưới ở đầu vào PIW: - Với đầu vào Bipolar: -27648 - Với đầu vào Unipolar: 0. HI_LIM: Giới hạn trên đại lượng đo. LO_LIM: Giới hạn dưới đại lượng đo. Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết 27
- 39. có thể minh họa qua đồ thị: Hình 2.14: Đồ thị mô tả hàm scale AI Ví dụ: Mức đầy trong bồn được đo bằng lít. Ta thiết lập bộ chuyển đổi đo được 500 lít thì tương ứng với một giá trị analog là 10 V, khi bồn không có nước thì tương ứng với giá trị 0V. Module analog sẽ chuyển đổi giá trị analog 10 V thành số nguyên 27648 và giá trị 0V thành 0 nếu cài chế độ đầu vào Unipolar hoặc thành giá trị -27648 nếu đầu vào cài Bipolar. Ta gọi hàm FC105, và gán các tham số tương ứng để được đầu ra là số thực tính theo đơn vị vật lý là lít. Quá trình này gọi là định tỉ lệ giá trị analog. Hàm FC105 có dạng LAD: Hình 2.15: Cú pháp hàm FC105 dạng LAD Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết 28
- 40. SM331 của S7-300 Đối với dòng CPU S7-300, nhà sản xuất đã tích hợp sẵn chức năng đọc thẳng giá trị nhiệt độ đo được từ Pt100 mà không cần thông qua bộ chuyển đổi. Module analog ngõ vào/ra module SM331 AI/AO 2x12 bit của S7-300. Số lượng ngõ vào/ra là 4/2. Độ phân giải 12 bit + sign. Cho phép đo các dạng: • Điện áp: 0 – 10 V ±0.5% • Điện trở: 10KΩ ±2.8% • Nhiệt độ: Pt100 ±0.8% Sơ đồ nối dây của module SM331 AI/AO 2x12 bit Hình 2.16: Sơ đồ nối dây của module SM331 AI/AO 2x12 bit Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết 29
- 41. trị chuyển đổi module analog ngõ vào đối với cảm biến Pt 100, 200, 500, 1000 dạng tiêu chuẩn (giá trị %). Bảng 2.4: Quan hệ giữa giá trị số PLC quy đổi và dãi nhiệt độ ngõ vào. Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết 30
- 42. biến ngõ vào dạng cảm biển Pt100 3 dây: Hình 2.17: Sơ đồ kết nối cảm biến RTD với module analog input Với các dây : • IC+: Dòng đo không đổi (dây dương). • IC- : Dòng đo không đổi (dây âm). • M+: Đầu đo (dây dương). • M-: Đầu đo (dây âm). • MANA : Điện thế đặt của mạch đo analog. • M: Đầu nối đất. • L+: Điện áp nguồn 24 VDC. 2.4.3 Hàm chuyển đổi Unscale FC106 Hàm thư viện FC106 (Thư viện Standard, mục TI-S7 converting blocks) được sử dụng cho việc không chia tỉ lệ (sự biến đổi của một số thực từ 0 đến 100.0% thành số nguyên 16 bit từ 0 đến 27648). 2 1 1 ( _ ) _ _ K K OUT IN LO LIM K HI LIM LO LIM − = − + − (2.13) Trong đó: OUT: Ngõ ra analog PQW, dạng số nguyên (INT). IN: Giá trị đại lượng đầu vào, dạng số thực (REAL). Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết 31
- 43. số nguyên giới hạn trên ở đầu ra PQW (27648). K1: Giá trị số nguyên giới hạn dưới ở đầu ra PQW. - Với đầu vào Bipolar: -27648. - Với đầu vào Unipolar: 0. HI_LIM: giới hạn trên đại lượng đầu vào. LO_LIM: giới hạn dưới đại lượng đầu vào. Hàm FC106 có dạng LAD: Hình 2.18: Cú pháp hàm FC106 dạng LAD VD: với giá trị của ngõ vào MD204 là từ 150 đến 0 tương ứng với ngõ ra là 27648 đến 0. (tương ứng với mức điện áp 10V – 0V). Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết 32
- 44. giữa giá trị số PLC và dãi điện áp ngõ ra ±10V Nối ngõ ra PLC với mạch công suất theo sơ đồ: Hình 2.19: Sơ đồ kết nối ngõ ra analog output với tải Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết 33
- 45. điện áp ngõ ra dạng analog. 2.4.4 Module mềm PID Bộ điều khiển PID thực chất là thiết bị điều khiển thực hiện luật điều khiển được mô tả bằng phương trình sau: ) ( ) ( 1 ) ( ) ( ' 0 t e T d e T t e k t u D l p + + = ∫ τ τ (2.14) Hình 2.20: Sơ đồ điều khiển PID Trong đó: e(t): là tín hiệu sai lệch giữa giá trị đặt với giá trị thực tế. u(t): là tín hiệu ra của bộ điều khiển. KP: là hệ số khuyếch đại của luật điều khiển tỷ lệ. TI: hằng số thời gian tích phân. TD: là hằng số thời gian vi phân. Đối với hệ thống có độ dự trữ ổn định lớn, nếu muốn tăng độ chính xác điều khiển ta chỉ tăng hệ số khuếch đại của luật điều khiển tỷ lệ. Hệ thống sẽ không có sai lệch tĩnh khi tín hiệu vào là hàm bậc thang đơn vị và hằng số thời gian tích phân TI được chọn khác không. Luật điều khiển tích phân còn gọi là điều khiển chậm sau vì sai số điều khiển được tích lũy cho đến khi đủ lớn thì quyết định điều khiển mới được đưa ra. Tăng khả năng tác động nhanh của hệ, giảm bớt thời gian quá điều chỉnh bằng cách thay đổi hằng số thời gian của luật điều khiển vi phân. Luật điều khiển vi phân còn được gọi là điều khiển vượt trước. Những module mềm PID có trong STEP 7 Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết 34
- 46. cung cấp các module mềm PID để điều khiển các đối tượng có mô hình liên tục như lò nhiệt, động cơ, mức… đầu ra của đối tượng được đưa vào đầu vào của bộ điều khiển qua các cổng vào tương tự của các module vào tương tự của các Simatic S7-300/400. Tín hiệu ra của bộ điều khiển có nhiều dạng và được đưa đến các cơ cấu chấp hành qua các module vào ra khác nhau như: Qua các cổng ra tương tự của module ra tương tự (AO). Qua các cổng ra số của module ra số (DO). Qua các cổng phát xung ra tốc độ cao. Phụ thuộc vào cơ cấu chấp hành, người sử dụng có thể chọn được module mềm PID tương thích. Ba module PID được tích hợp trong phần mềm Step7 phù hợp với ba kiểu cơ cấu chấp hành nêu trên, đó là: Điều khiển liên tục với module mềm FB41 (tên hình thức CONT_C). Điều khiển bước với module mềm FB42 (tên hình thức CONT_S). Điều khiển kiểu phát xung với khối hàm hỗ trợ FB43 (tên hình thức CONT_PULSEGEN). Mỗi module mềm PID đều có một khối lượng dữ liệu riêng (DB) để lưu giữ các dữ liệu phục vụ cho chương trình tính toán thực hiện luật điều khiển. Các khối hàm FB của module mềm PID đều cập nhật được những khối dữ kiệu này ở mọi thời điểm. Module mềm FB PULSEGEN được sử dụng kết hợp với module mềm FB CONT_C nhằm tạo ra bộ điều khiển có tín hiệu ra dạng xung tốc độ cao thích ứng với những cơ cấu chấp hành kiểu tỷ lệ. Một bộ điều khiển PID mềm được hoàn thiện thông qua các khối hàm FB nhiều chức năng tạo ra tính linh hoạt cao trong thiết kế. Người sử dụng có thể chọn các chức năng này hoặc loại bỏ các chức năng không cần cho một hệ thống. Các chức năng cơ bản khác như xử lý tín hiệu chủ đạo, tín hiệu quá trình và tính toán các biến khác cùng với bộ điều khiển PID cũng được tích hợp sẵn trong một module điều khiển mềm. Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết 35
- 47. chú ý là những module PID mềm không toàn năng tới mức có thể ứng dụng được vào mọi bài toán điều khiển. Đặc tính điều khiển và tốc độ xử lý của module PID mềm phụ thuộc vào loại CPU được chọn để giải quyết bài toán điều khiển. Do khi xử lý một mạch vòng điều khiển người ta phải thực hiện công việc trích mẩu tín hiệu đầu vào cho mạch vòng điều khiển đó (liên quan đến tín hiệu báo ngắt theo chu kỳ thời gian OB30 ÷ OB38), nên cần phải có sự tương thích giữa số mạch vòng điều khiển PID và khả năng cũng như tốc độ tính toán của CPU. Nếu bài toán điều khiển yêu cầu tần suất cập nhật càng cao thì số dòng điều khiển phải càng giảm. Chỉ ở những bài toán có số vòng điều khiển ít người ta mới có thể sử dụng các bộ module PID mềm có tần suất truy nhập cao. Tất cả các module PID mềm đều cung cấp nhiều giải pháp lựa chọn luật điều khiển trong khi thiết kế để bộ điều khiển phù hợp được với đối tượng như : luật điều khiển tỷ lệ (luật P), luật điều khiển tỷ lệ – vi phân ( luật PD), luật điều khiển tỷ lệ – tích phân (luật PI)…. Chất lượng của hệ thống phụ thuộc vào các tham số của bộ điều khiển, do đó điều kiện bắt buộc để đảm bảo thành công trong thiết kế là người sử dụng phải có mô hình đối tượng chính xác. Đó cũng chính là nhược điểm cơ bản của các phương pháp điều khiển kinh điển. Các đại lượng vật lý của đối tượng và đặc tính của bộ điều khiển quyết định đặc tính động của hệ thống trong quá trình điều khiển và chỉ bị thay đổi rất ít so với thiết kế. Chỉ có thể đạt được chất lượng điều khiển tốt nếu như người thiết kế chọn thuật điều khiển và thời gian trích mẩu phù hợp với đối tượng. Hoàn toàn có thể thiết kế bộ điều khiển (cấu trúc, tham số, gọi module mềm PID trong chương trình hệ thống) mà không cần lập trình. Tuy nhiên muốn làm được như vậy phải nắm được phần mềm Step7. Khai báo tham số và các biến trong module mềm PID Người thiết kế có thể khai báo tham số và các biến cho bộ điều khiển trong một dữ liệu địa phương (instance data block) bằng cách sử dụng giao diện của module mềm PID. Để vào chương trình khai báo tham số PID ta thực hiện: Start → Simatic → Step7 → PID Control Paramete Assignment. Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết 36
- 48. sổ cài đặt các thông số cho bộ PID mềm Trong hộp hội thoại đầu tiên, người thiết kế có thể mở khối dữ kiệu (DB) đã tích hợp sẵn cho FB41 “CON_C”, FB42 “CON_S” hoặc mở một khối dữ liệu mới hoàn toàn. Riêng FB43 “PULSEGEN” không thể thực hiện chọn tham số và biến qua giao diện, trong trường hợp này người thiết kế phải sử dụng công cụ của STEP7 để thiết lập tham số và khai báo biến cho bộ điều khiển. Hoặc có thể khai báo tham số và các biến cho bộ điều khiển trực tiếp trong khối dữ liệu (DB): Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết 37
- 49. báo tham số cho module PID Đối với CPU 314 IFM có thể thiết lập tham số và biến cho module mềm SFB41 hoặc SFB42 bằng cách nhập trực tiếp một khối dữ liệu bất kỳ và chọn nó làm khối lượng dữ liệu cục bộ cho những module này. Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết 38
- 50. FB41 “CON_C” Sơ đồ cấu trúc Hình 2.22: Sơ đồ cấu trúc module PID FB41 “CONT – C” được sử dụng để điều khiển các quá trình kỹ thuật với các biến đầu vào và đầu ra tương tự trên cơ sở thiết bị khả trình Simatic. Trong khi thiết lập tham số, có thể tích cực hoặc không tích cực một số thành phần chức năng của bộ điều khiển PID cho phù hợp với các đối tượng. Có thể sử dụng module mềm PID như một bộ điều khiển với tín hiệu chủ đạo đặt cứng (fixed setpoint) hoặc thiết kế một hệ thống điều khiển nhiều mạch vòng theo Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết 39
- 51. cascade. Những chức năng điều khiển được thiết kế trên cơ sở của thuật điều khiển PID của bộ điều khiển mẫu với tín hiệu tương tự. Miêu tả hoạt động Module mềm PID bao gồm: tín hiệu chủ đạo SP_INT, tín hiệu ra của các đối tượng PV_PER, tín hiệu giả để mô phỏng tín hiệu ra của đối tượng PV_IN, các biến trung gian trong quá trình thực hiện luật và thuật điều khiển PID như PVPER_ON, P_SEL, D_SEL, MAN_ON. … Khối đầu vào: Tín hiệu đầu vào SP_INT: Lệnh nhập mức tín hiệu điều khiển, là số thực, tính theo giá trị % của tín hiệu cực đại thang điều khiển. Tín hiệu phản hồi PV_PER: Tín hiệu phản hồi lấy từ đối tượng được điều khiển. Nó thường được đọc từ một cảm biến Analog qua đầu vào Analog nên người ta chọn kiểu dữ liệu đầu vào này là số nguyên kiểu Word. Chức năng CRP_IN biến đổi kiểu dữ liệu từ số nguyên sang dạng số thực tính theo % cho phù hợp với lệnh. Do Module Analog có giới hạn thang đo tuyến tính là 27648 nên ta coi giới hạn đó là 100% và tín hiệu ra CRP_IN được tính: 100 _ _ . 27648 CRP IN PV PER = Để hiệu chỉnh giá trị cảm biến phản hồi, khối chức năng PV_NORM sẽ thực hiện biến đổi tuyến tính, hiệu chỉnh độ nhạy (PV_FAC) và độ trôi (PV_OFF): PV_NORM = CRP_IN x PV_FAC + PV_OFF Khi thay thế cảm biến, ta cần hiệu chỉnh 2 giá trị trên để kết quả đo lường không đổi. Hai tham trị khống chế dãy giá trị cho phép của PV_NORM là PV_FAC và PV_OFF. Mặc định PV_FAC của hàm PV_NORM có giá trị bằng 1 và PV_ OFF có giá trị bằng 0. Trong trường hợp tín hiệu phản hồi không thu được từ cảm biến có dữ liệu tương ứng đầu vào PV_PER, ta có thể đưa qua tính toán khác và đưa đến đầu Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết 40
- 52. số thực, tính theo %, lúc đó lệnh PVPER_ON phải đặt về mức “0”. Khối ± sẽ so sánh 2 giá trị vào, cho ra tín hiệu sai lệch. Tín hiệu sai lệch được đưa qua khối chức năng DEADBAND để hệ thống không hoạt động với các sai lệch nhỏ dưới mức cần tác động. Điều này cần thiết nếu các hệ làm việc trong môi trường nhiều nhiễu. Trong môi trường ít nhiễu, ta giảm DEAD_W về “0” để tăng độ nhạy, độ chính xác của hệ thống. Hệ số khuếch đại tín hiệu sai lệch của hệ chính là thành phần tỉ lệ Kp, được đặt bằng hệ số GAIN. GAIN là số thực, nếu chọn lớn hệ sẽ tác động nhanh, chính xác nhưng dễ mất ổn định. Khối chọn luật điều khiển: Thuật điều khiển PID được thiết kế theo kiểu song song của ba thuật điều khiển đơn lẻ: tỷ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D) theo sơ đồ cấu trúc trong hình trên (sau khối DEADBAND). Chính vì cấu trúc song song như vậy nên ta có thể thông qua các tham trị P_SEL, I_SEL hay D_SEL mà tích hợp được các thuật điều khiển khác nhau từ bộ điều khiển mẩu này như thuật điều khiển P, PI, PD, PID. Thành phần tỉ lệ, được lựa chọn nhờ lệnh chuyển mạch P_SEL. Thành phần tích phân được hình thành bởi khối chức năng INT và được chọn nhờ lệnh chuyển mạch I_SEL. Tính chất khối tích phân xác định nhờ giá trị hằng số thời gian TI (dữ liệu kiểu TIME), giá trị ban đầu I_ITLVAL (dạng số thực tính theo %). Có sử dụng giá trị ban đầu hay không tuỳ thuộc lệnh I_ITL_ON, và có thể dùng quá trình tích phân giữ nguyên giá trị đầu ra bằng lệnh INT_HOLD. Thành phần vi phân được hình thành bởi khối chức năng DIF, được lựa chọn nhờ lệnh chuyển mạch D_SEL. Tính chất khối vi phân được xác lập bởi hằng số thời gian TD (dữ liệu kiểu TIME) và thời gian giữ chậm TM_LAG (dữ liệu kiểu TIME). Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết 41
- 53. này được cộng với nhau. Nhờ các lệnh chuyển mạch P_SEL, I_SEL, D_SEL mà ta có thể thành lập các chế độ điều khiển P, PI, PD, PID khác nhau. Tín hiệu sai lệch tổng hợp được cộng thêm thành phần DISV dùng để bù tác động nhiễu theo chiều thuận. Giá trị của DISV có dạng số thực, tính theo %. Khối đầu ra: Đầu vào của khối được lựa chọn theo chế độ bằng tay hay tự động nhờ lệnh MAN_ON. Đầu vào MAN, dạng số thực, tính theo %, dùng để đặt mức tín hiệu ra LMN trong chế độ điều khiển bằng tay. Ở chế độ bằng tay các chế độ của các biến được chọn bằng tay. Bộ tích phân (INT) tự thiết lập chế độ LNM_P, LNM_I, DISV và bộ vi phân (DIF) tự động về 0. Điều đó đảm bảo cho việc chuyển chế độ từ thiết lập giá trị bằng tay về chế độ tự động không gây một biến đổi nào đối với các biến đã được thiết lập giá trị bằng tay. Ở chế độ tự động, tín hiệu sai lệch được đưa qua bộ hạn chế mức tín hiệu điều khiển LMNLIMIT. Mức hạn chế trên LMN_HLM và hạn chế dưới LMN_LLM được đưa vào dạng số thực, tính theo %. Khối LMN_NORM biến đổi tuyến tính, bù lệch tĩnh và độ nhạy của cơ cấu chấp hành. Tín hiệu điều khiển đầu ra LMN có dạng số thực, tính theo %. LMN = LMNLIMIT x LMN_FAC + LMN_OFF Mặc định LMN_FAC có giá trị bằng 1, còn LMN_OFF có giá trị bằng 0. Các giá trị đặt bằng tay có thể theo một cách biểu diễn riêng. Khối CRP_OUT biến đổi tín hiệu dạng số thực ra dạng số nguyên LMN_PER thích ứng với dạng ra các Module ra Analog. 27648 _ . 100 LMN PER LMN = Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết 42
- 54. khối hàm FB41 Để sử dụng module mềm FB41, ta xét sơ đồ khối tín hiệu: Hình 2.23: Sử dụng module PID Lệnh điều khiển được đặt vào dạng số thực (%) qua đầu vào SP_INT. Đầu ra LMN (số thực) hoặc LMN_PER (số nguyên) được đưa đến cơ cấu chấp hành, điều khiển đối tượng. Tín hiệu phản hồi được đưa trở về đầu vào PV_PER (số nguyên) hoặc PV_IN (số thực). Đầu vào DISV sử dụng khi có tác động trực thuận có thể đo lường được, giảm sai lệch đầu ra, nâng cao độ chính xác cho hệ. Miêu tả các tín hiệu vào/ra Tín hiệu đầu vào: Khối FB41 “CON_C” có 26 biến đầu vào như sau: Bảng 2.7: Mô tả các tín hiệu đầu vào khối PID Tên biến Kiểu dữ liệu Phạm vi giới hạn Giá trị mặc định Mô tả chức năng COM_RST BOOL FALSE COMPLETE RESTART Khối có chức năng khởi tạo lại hệ thống hoàn toàn khi đầu vào “complete restart” được thiết lập giá trị logic TRUE. Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết 43