ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT

72 1,163 8
  • Loading ...
    Loading ...
    Loading ...

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Tài liệu liên quan

Thông tin tài liệu

Ngày đăng: 15/03/2015, 21:06

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2010 i NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN  Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2010 Giáo viên hướng dẫn TS. Ngô Văn Thuyên ii NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN  Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2010 Giáo viên phản biện iii Lời nói đầu Cơ thể con người là một thể thống nhất gồm nhiều cơ quan và bộ phận phối hợp nhịp nhàng với nhau để thực hiện những quá trình sinh lý hoá cần thiết cho sự sống. Điều hiển nhiên rằng tại mọi thời điểm, cơ thể người luôn luôn điều chỉnh và cân bằng mọi thứ nhằm thích nghi với môi trường và đảm bảo duy trì sự sống được liên tục. Thân nhiệt một người bình thường luôn ổn định tại 37 o C là minh chứng cụ thể cho khả năng tự điều chỉnh tuyệt vời của con người. Tương tự như cơ thể người , trong sản xuất công nghiệp luôn luôn đòi hỏi nhiều quá trình tự điều chỉnh và cân bằng thông số của hệ thống, trong đó có quá trình gia nhiệt cho sản phẩm. Tuy nhiên đây không phải là quá trình tự nhiên xảy ra ngoài ý muốn chủ quan của con người mà chịu sự chi phối trực tiếp hoặc gián tiếp từ phía người vận hành điều khiển. Trải qua gần 400 năm kể từ khi Cornelis Drebbel (người Hà Lan) phát triển hệ thống điều khiển nhiệt độ tự động đầu tiên dùng cho lò sưởi [3] thì lịch sử loài người đã có dịp chứng kiến và hưởng thụ nhiều công nghệ hiện đại được áp dụng vào mục đích kiểm soát nhiệt độ. Đi đầu về công nghệ này vẫn thuộc về lĩnh vực điều khiển tự động. Ngày nay, loài người đã biết rất nhiều phương pháp trên nền những giải thuật khác nhau từ đơn giản đến hiện đại và cả thông minh để kiểm soát nhiệt độ nhưng đều phục vụ cho việc ổn định hệ thống và xa hơn nữa là cải thiện chất lượng đáp ứng. Việc áp dụng một phương pháp cụ thể vào môi trường công nghiệp không đơn giản như lúc chúng ta tưởng tượng về kết quả cuối cùng. Bất kỳ một phương án nào được chọn lựa cũng phải được xem xét dưới nhiều khía cạnh khác nhau về đặc điểm kỹ thuật, mặt tích cực và hạn chế khi làm việc, tính khả thi khi hoạt động và cả lợi ích kinh tế lúc đưa vào vận hành… Tất cả những vấn đề trên cần được đánh giá khách quan dựa trên cơ sở khoa học rõ ràng, đúng đắn được thể hiện qua những phương trình toán học, biểu đồ thống kê, bảng so sánh đánh giá và cả những thực nghiệm kiểm chứng. Một đề tài đồ án tốt nghiệp ngoài việc thực hiện những công việc trên đây thì còn có ý nghĩa sâu sắc đối với mỗi sinh viên thực hiện. Một lần nữa iv sinh viên được trải nghiệm thực tế, những kiến thức học được từ ghế nhà trường sẽ giúp hình thành những sản phẩm công nghiệp. Trong quá trình tiến hành không thể không gặp những khó khăn vấp phải, do đó kích thích sinh viên tư duy để tìm ra phương án tối ưu và trao đổi thảo luận lẫn nhau nhằm mục đích hình thành thói quen hợp tác làm việc nhóm và phương pháp làm việc hiệu quả. Sau một học kỳ tìm hiểu, nghiên cứu và thực hiện, đề tài “Xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát nhiệt độ lò nhiệt” đã đạt được những mục đích đề ra. Với kết quả mỹ mãn này, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với TS. Ngô Văn Thuyên đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Ngoài ra để có thiết bị và tài liệu phục vụ cho mục đích nghiên cứu một cách nhanh chóng, quý thầy cô quản lý phòng D205 đã tạo điều kiện thuận lợi trong khoảng thời gian dài cho tôi tiến hành nhiều thử nghiệm thực tế đạt kết quả tốt. Tôi xin chân thành cảm ơn! Tôi cũng xin thể hiện lòng biết ơn đến các bạn sinh viên lớp 05118, khoa Điện - Điện tử Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh đã đóng góp nhiều ý kiến để tôi hoàn thành đề tài tốt nhất có thể. Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô cùng các bạn! Trần Ngọc Quang Triều v Tóm tắt đề tài Về phương diện vật lý, nhiệt độ là năng lượng trung bình của tất cả các phần tử tự do trong hệ nhiệt động, đồng thời nhiệt độ cũng là đối tượng điều khiển của ngành tự động hoá. Từ nhu cầu thực tiễn trong sản xuất công nghiệp cần một hệ thống gia nhiệt đảm bảo tính chính xác, đáp ứng nhanh với yêu cầu và ổn định với những nhiễu động môi trường, đề tài “Xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát nhiệt độ lò nhiệt” đã được chọn để đáp ứng với nhu cầu đặt ra. Dựa trên những phân tích tối ưu về đặc điểm kỹ thuật, công nghệ chế tạo, khả năng ứng dụng, mức độ khả thi và xem xét đến kinh tế. Đề tài này đã hoàn thành với nội dung như sau: Hệ thống thực hiện chức năng điều khiển nhiệt độ của lò nhiệt truyền nhiệt trong môi trường không khí. Thiết bị gia nhiệt là thanh điện trở nhiệt dùng điện áp xoay chiều 220V, công suất 1000W. Cảm biến là cặp nhiệt ngẫu loại K thích hợp với môi trường công nghiệp được đọc về bằng module chuyên dụng TC2 của hãng Panasonic. Công suất nhiệt được điều khiển tuyến tính bởi phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) bằng PLC của hãng Panasonic. PLC thực hiện luật điều khiển PID trong đó các thông số DIP TTK ,, của thuật toán được tính tự động nhờ vào phương pháp tự điều chỉnh (Auto-Tuning). Quá trình cài đặt nhiệt độ, giám sát nhiệt độ được thực hiện từ máy tính thông qua các hộp thoại giao diện. Ngoài ra hoạt động của hệ thống cũng được theo dõi qua màn hình công nghiệp HMI (Panasonic). Trong suốt thời gian vận hành dữ liệu nhiệt độ cùng với thời gian thực luôn được cập nhật và lưu lại trên ổ đĩa. Hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển giám sát nhiệt độ phối hợp mọi hoạt động một cách nhịp nhàng trên cơ sở đảm bảo chức năng cơ bản của một hệ thống SCADA. vi Mục lục Trang Nhận xét của giáo viên hướng dẫn i Nhận xét của giáo viên phản biện ii Lời nói đầu iii Tóm tắt đề tài v Mục lục vi Danh sách hình vẽ viii Danh mục bảng biểu ix Danh mục các từ viết tắt x Chương 1: Mở đầu 1 1.1 Tổng quan 1 1.2 Mục tiêu, nhiệm vụ của đề tài 2 1.3 Giới hạn đề tài nghiên cứu 3 1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3 1.5 Nội dung đề tài 3 Chương 2: Tổng quan họ PLC, HMI, PCWay 5 2.1 PLC Panasonic 5 2.1.1 Giới thiệu tổng quát 5 2.1.2 Nguồn cung cấp 7 2.1.3 Vùng nhớ 8 2.1.4 Các ngõ vào, ra tín hiệu (I/O) 9 2.1.5 Module mở rộng 14 2.1.6 Các chức năng đặc biệt 15 2.1.7 Truyền thông 17 2.2 Giao diện GT32 19 2.2.1 HMI Panasonic 19 2.2.2 Chức năng của GT32 19 2.2.3 Truyền thông với GT32 19 2.2.4 Phần mềm thiết kế giao diện GTWIN 20 2.3 PCWay Error! Bookmark not defined. 2.3.1 Giới thiệu tổng quát 20 2.3.2 Chức năng điều khiển, kiểm soát PLC 20 2.3.3 Chức năng thu thập, quản lý dữ liệu 20 2.3.4 Giao diện SCADA 21 vii Chương 3: Hệ thống điều khiển nhiệt độ 22 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống 22 3.2 Các loại cảm biến đo nhiệt độ 23 3.2.1 Nhiệt điện trở bán dẫn 23 3.2.2 Nhiệt điện trở kim loại 24 3.2.3 Cặp nhiệt ngẫu 24 3.2.4 Vi mạch cảm biến nhiệt 25 3.2.5 Hoả kế 25 3.3 Các phương pháp điều khiển nhiệt độ 27 3.3.1 Phương pháp điều khiển ON-OFF 27 3.3.2 Phương pháp điều khiển liên tục (PWM) 28 3.4 Thuật toán điều khiển PID 29 3.4.1 Giới thiệu 29 3.4.2 Đặc trưng của các bộ điều khiển P,I,D 30 3.4.3 Điều khiển PID tương tự 34 3.4.4 Điều khiển PID số 35 3.5 Thiết kế lò nhiệt 35 3.5.1 Chọn thiết bị gia nhiệt 35 3.5.2 Chọn cảm biến 36 3.5.3 Khối điều khiển công suất 36 3.5.4 Mô hình lò nhiệt 38 3.6 Tính toán các thông số cho bộ điều khiển PID 38 3.6.1 Mô hình toán học 39 3.6.2 Tính toán chọn DIP KKK ,, bằng các phương pháp Auto-Tuning 39 3.7 Hệ thống SCADA 43 3.7.1 Tổng quan hệ thống SCADA 43 3.7.2 Quy trình điều khiển nhiệt 44 Chương 4: Kết quả thực nghiệm 46 4.1 Mô hình kết nối hệ thống thực tế 46 4.2 Thông số chương trình 47 4.3 Phân tích đồ thị 48 4.4 Lưu trữ dữ liệu 52 Chương 5: Kết luận và hướng phát triển đề tài 54 5.1 Kết luận 54 5.2 54 Tài liệu tham khảo 56 Phụ lục A: Chương trình PLC 57 Phụ lục B: Chương trình VBA 58 viii Danh sách hình vẽ Hình 2.1 PLC của hãng Panasonic 6 Hình 2.2 Cách nối nguồn cung cấp cho PLC và module mở rộng 8 Hình 2.3 Sơ đồ mạch điện ngõ vào (PLC có ngõ ra relay) 10 Hình 2.4 Sơ đồ mạch điện ngõ vào X0 ÷ X3 (PLC có ngõ ra transistor) 11 Hình 2.5 Sơ đồ mạch điện ngõ vào từ X4 (PLC có ngõ ra transistor) 11 Hình 2.6 Ngõ ra PLC kiểu relay 12 Hình 2.7 Sơ đồ mạch điện ngõ ra (Y0 ÷ Y3) kiểu transistor 13 Hình 2.8 Sơ đồ mạch điện ngõ ra (từ Y4) kiểu transistor 13 Hình 2.9 Module mở rộng (COM5) của Panasonic 15 Hình 2.10 Ứng dụng điều khiển vị trí của PLC hãng Panasonic 15 Hình 2.11 Các chế độ điều khỉên PID của PLC hãng Panasonic 16 Hình 2.12 Truyền thông Ethernet trong PLC hãng Panasonic 17 Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt 23 Hình 3.2 So sánh đặc tuyến của thermistor và RTD 24 Hình 3.3 Sơ đồ khối điều khiển on-off lò nhiệt 27 Hình 3.4 Sơ đồ khối bộ hiệu chỉnh PID 29 Hình 3.5 Ảnh hưởng của khâu P đến đáp ứng ngõ ra 31 Hình 3.6 Ảnh hưởng của khâu I đến đáp ứng ngõ ra 32 Hình 3.7 Ảnh hưởng của khâu D đến đáp ứng ngõ ra 33 Hình 3.8 Sơ đồ một mạch PID tương tự điển hình dùng OpAmp 34 Hình 3.9 Rời rạc hoá tín hiệu liên tục trong điều khiển số 35 Hình 3.10 Cảm biến nhiệt (thermo-couple - cặp nhiệt ngẫu loại K ) 36 Hình 3.11 Sơ đồ mạch kích dẫn triac 37 Hình 3.12 Đồ thị kích dẫn triac 37 Hình 3.13 Mô hình lò nhiệt 38 Hình 3.14 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt 39 Hình 3.15 Mô hình hoá hệ thống lò nhiệt 39 Hình 3.16 Đáp ứng nấc của hệ vòng hở có dạng chữ S 40 Hình 3.17 Đáp ứng nấc của hệ kín khi K=K gh 41 Hình 3.18 Hệ thống tuyến tính điều khiển bằng relay 42 Hình 3.19 Đáp ứng của hệ thống tuyến tính điều khiển bằng relay 42 Hình 3.20 Quy trình điều khiển lò nhiệt 44 Hình 3.21 Hộp thoại cài đặt quá trình nhiệt độ 45 Hình 3.22 Giao diện chính điều khiển hệ thống 45 Hình 4.1 Mô hình hệ thống điều khiển và giám sát nhiệt độ 47 Hình 4.2 Thông số DIP TTK ,, sau quá trình Auto-Tuning 47 Hình 4.3 Quá trình Auto-Tuning và điều khiển PID 49 Hình 4.4 Đáp ứng tại 60 o C, bias value bằng 0 o C 49 Hình 4.5 Đáp ứng tại 60 o C, bias value bằng 5 o C 50 Hình 4.6 Đáp ứng tại 65 o C, bias value bằng 7 o C 51 Hình 4.7 Đáp ứng với 3 quá trình nhiệt độ khác nhau: 60 o C, 70 o C và 65 o C 51 Hình 4.8 Đáp ứng với 2 quá trình nhiệt độ khác nhau: 65 o C và 60 o C 52 ix Danh mục bảng biểu Bảng 2.1 Đặc tính nguồn cung cấp cho PLC 7 Bảng 2.2 Cấu trúc vùng nhớ PLC họ C30/C60 9 Bảng 2.3 Cấu trúc vùng nhớ cho cassettes và module mở rộng 9 Bảng 2.4 Cấu trúc vùng nhớ cho module mở rộng FP0 10 Bảng 2.5 Đặc tính ngõ vào (PLC có ngõ ra relay) 11 Bảng 2.6 Sơ đồ mạch điện ngõ vào (PLC có ngõ ra transistor) 12 Bảng 2.7 Đặc tính ngõ ra PLC kiểu relay 13 Bảng 2.8 Đặc tính ngõ ra kiểu transistor (NPN) 14 Bảng 3.1 Đặc điểm kỹ thuật của các loại cặp nhiệt ngẫu 25 Bảng 3.2 So sánh đặc điểm của ba loại cảm biến nhiệt: cặp nhiệt ngẫu, nhiệt điện trở kim loại và nhiệt điện trở bán dẫn 26 Bảng 3.3 Sự thay đổi đáp ứng ngõ ra khi tăng các hệ số DIP KKK ,, 33 Bảng 3.4 Thông số điều chỉnh PID dựa vào đáp ứng nấc hệ hở 41 Bảng 3.5 Thông số điều chỉnh PID dựa vào đáp ứng nấc hệ kín 41 Bảng 3.6 Bộ thông số điều chỉnh PID dựa vào phương pháp relay-feedback 43 Bảng 4.1 Dữ liệu thu thập về Excel thông qua PCWay 48 Bảng 4.2 Thông số ứng với quá trình đáp ứng quá độ của hệ thống nhiệt 50 [...]... gia nhiệt và đọc nhiệt độ về từ cảm biến (cặp nhiệt ngẫu) Hệ thống có tính mở vì khả năng mở rộng số thiết bị và cấp quản lý một cách dễ dàng 3 Hệ thống điều khiển nhiệt độ 23 PC HMI COMPUTER LINK FP-X PLC SENSOR TC HEATING Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt 3.2 Các loại cảm biến đo nhiệt độ Điều khiển và kiểm soát nhiệt độ là yêu cầu cần thiết trong hầu hết các hệ thống gia nhiệt cho sản... ứng với nhiệt độ, Có độ ổn định và độ nhạy nhiệt rất cao khoảng hơn 10 lần so với độ nhạy nhiệt của nhiệt điện trở kim loại Nhiệt điện trở bán dẫn có thể được chia ra làm 2 loại: 3 Hệ thống điều khiển nhiệt độ 24 Nhiệt điện trở bán dẫn có hệ số nhiệt trở dương (PTC) có giá trị điện trở tăng khi nhiệt độ tăng Nhiệt điện trở bán dẫn có hệ số nhiệt trở âm (NTC) có giá trị điện trở giảm khi nhiệt độ tăng... cũng mô tả được hoạt động của hệ thống, điều khiển được tất cả các đối tượng, cho biết trạng thái của cơ cấu chấp hành, thông số hoạt động, lưu lại quá trình hoạt động dưới nhiều dạng tập tin khác nhau Tuỳ vào quy mô hệ thống và mục đích sử dụng mà người dùng có thể xây dựng giao diện SCADA với mức độ tương xứng 3 Hệ thống điều khiển nhiệt độ 22 Chương 3 Hệ thống điều khiển nhiệt độ Phần đầu của chương... bài toán ổn định hệ thống với chất lượng tốt nhất bằng thuật toán PID Tuy nhiên mức độ của sự ổn định đến đâu, và khả năng vận dụng linh hoạt những đặc tính nổi trội của thiết bị tự động như thế nào thì cần phải được nghiên cứu cụ thể, nghiêm túc Xuất phát từ nhu cầu thực tế nêu trên, tôi quyết định chọn đề tài Xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát nhiệt độ lò nhiệt để thực hiện đồ án tốt nghiệp. .. thuật điều khiển tối ưu Xây dựng giao diện điều khiển Viết chương trình và thử nghiệm kiểm chứng 1 Mở đầu 3 1.3 Giới hạn đề tài nghiên cứu Trong phạm vi đề tài này sẽ thực hiện điều khiển nhiệt độ sử dụng điện năng Việc thu thập dữ liệu và điều khiển giám sát bao gồm một máy tính đọc dữ liệu về thông qua một PLC và có tương tác với một màn hình công nghiệp HMI Hệ thống chỉ điều khiển một lò nhiệt, ... Panasonic vào hệ thống điều khiển nhiệt 1 Mở đầu 4 Chương 3: Hệ thống điều khiển nhiệt độ Đây là chương trọng điểm của đồ án Trước tiên người thực hiện phải giới thiệu về các loại cảm biến nhiệt đang được dùng phổ biến; các phương pháp điều khiển nhiệt từ cổ điển đến hiện đại; thuật toán điều khiển PID với đặc điểm của từng khâu riêng biệt cũng như tính ưu việt của phương pháp này Tiếp theo, đồ án trình... Mục tiêu: Điều khiển tối ưu nhiệt độ bằng phương pháp PID sử dụng các sản phẩm tự động của hãng Panasonic Xây dựng hệ thống kiểm soát và thu thập dữ liệu nhiệt độ bằng việc liên kết máy tính với PLC thông qua phần mềm PCWay Xây dựng hệ thống có khả năng mở rộng ứng dụng, phù hợp với nhu cầu thực tế Nhiệm vụ: Chọn lựa cảm biến và thiết bị gia nhiệt hợp lý Xây dựng mô hình điều khiển nhiệt Phân tích... quan về hệ thống SCADA, giải thuật điều khiển chương trình và quy trình vận hành lò nhiệt Các phần chính được trình bày như sau: mục 3.1 là sơ đồ khối của hệ thống; các loại cảm biến nhiệt độ được thể hiện trong mục 3.2; các phương pháp điều khiển nhiệt độ được trình bày trong mục 3.3; mục 3.4 phân tích chi tiết thuật toán PID; mục 3.5 là bước thiết kế lò nhiệt; tính toán các thông số cho bộ điều khiển. .. 3.6 và cuối cùng là mục 3.7 giới thiệu hệ thống SCADA 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống Hệ thống điều khiển nhiệt độ được mô tả như sơ đồ khối ở hình 3.1 Trên cùng là màn hình máy tính và màn hình công nghiệp giao tiếp với nhau qua computer link, hai thành phần này đóng vai trò là cấp quản lý trong mạng Cấp quản lý sẽ điều khiển trực tiếp PLC để thực hiện chức năng điều khiển công suất của thiết bị gia nhiệt. .. nhu cầu thực tế, các thiết bị điều khiển phải được kết nối với nhau thành một mạng thống nhất để chia sẻ thông tin và dữ liệu của hệ thống, đồng thời thực hiện kiểm soát từ xa Từ đó mạng SCADA trở thành sự lựa chọn tất yếu trong điều khiển hiện đại Việc ứng dụng các thiết bị tự động nói trên vào việc điều khiển nhiệt độ đã và đang phổ biến rộng rãi với nhiều mục đích và quy mô khác nhau Hầu hết các . VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ. trình điều khiển lò nhiệt 44 Hình 3.21 Hộp thoại cài đặt quá trình nhiệt độ 45 Hình 3.22 Giao diện chính điều khiển hệ thống 45 Hình 4.1 Mô hình hệ thống điều khiển và giám sát nhiệt độ 47. quyết định chọn đề tài Xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát nhiệt độ lò nhiệt để thực hiện đồ án tốt nghiệp. Đây là đề tài mang tính công nghệ vì nghiên cứu hướng vào ứng dụng cụ thể. 1.2
- Xem thêm -

Xem thêm: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT, ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT, ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT

Từ khóa liên quan