Đang tải... (xem toàn văn)
MỤC LỤC2DANH SÁCH HÌNH4DANH SÁCH BẢNG BIỂU………………………………...........................................7MỞ ĐẦU8TÓM TẮT ĐỒ ÁN9CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LÒ NUNG CÔNG NGHIỆP VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH NHIỆT ĐỘ101.1.Lò nung công nghiệp101.1.1.Giới thiệu về lò nung công nghiệp101.1.2. Ưu điểm và nhược điểm111.1.3. Những yêu cầu cơ bản đối với cấu tạo của lò nung111.2. Cấu tạo của lò nung công nghiệp121.3. Các phương pháp điều chỉnh nhiệt độ141.3.1. Điều chỉnh ONOFF141.3.2. Điều chỉnh bằng khâu tỉ lệ P151.3.3. Điều chỉnh bằng khâu tỉ lệ vi phân PD161.3.4. Điều chỉnh bằng khâu tỉ lệ tích phân PI171.3.5. Điều chỉnh bằng khâu tỉ lệ tích phân vi phân PID18CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG222.1. Mô hình lò nung222.2. Thiết lập phương trình động học, tìm hàm truyền hệ thống và phương pháp tìm thông số Kp, Ti, Td………………………………………………................................22 2.2.1. Thiết lập phương trình động học và tìm hàm truyền hệ thống…………….23 2.2.2. Xác định thông số bộ điều chỉnh PID………………………………......…24 2.3. Tổng quan về PLC S7300 và WINCC252.3.1. Giới thiệu chung về PLC S7 30025 2.3.2.Cấu tạo PLC S7300..………………………………………………………28 2.3.2.1. Các khối chức năng của PLC S730030 2.3.2.2. Địa chỉ và gán địa chỉ31 2.3.2.3. Cấu trúc chương trình S730031 2.3.2.4. Ngôn ngữ lập trình LAD32 2.3.3. Thư viện hàm S7300 sử dụng33 2.3.3.1. Hàm chuyển đổi Sacle FC10533 2.3.3.2. Hàm chuyển đổi Unscale FC10635 2.3.3.3. Module mềm PID35 2.3.3.4. Hàm PID FB41362.3.4. Khởi tạo Project trên STEP 7442.3.5. WINCC49 2.3.5.1. Tạo một dự án trong WINCC49 2.3.5.2. Truyền thông trong môi trường WINCC51 2.3.5.3. Các chức năng của WINCC532.4. Thiết kế hệ thống điều chỉnh bằng PLC S7300 và mô phỏng trên WINCC572.4.1. Sơ đồ thuật toán572.4.2. Lập trình PLC S730058 2.4.3. Thiết kế giao diện mô phỏng trên WINCC………......................................672.5. Kết luận80KẾT LUẬN CHUNG81TÀI LIỆU THAM KHẢO82PHỤ LỤC83
MỤC LỤC TRANG MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH DANH SÁCH BẢNG BIỂU……………………………… MỞ ĐẦU TÓM TẮT ĐỒ ÁN .9 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ LỊ NUNG CƠNG NGHIỆP VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH NHIỆT ĐỘ 10 1.1 Lò nung công nghiệp 10 1.1.1 Giới thiệu lò nung cơng nghiệp 10 1.1.2 Ưu điểm nhược điểm 11 1.1.3 Những yêu cầu cấu tạo lò nung 11 1.2 Cấu tạo lò nung cơng nghiệp 12 1.3 Các phương pháp điều chỉnh nhiệt độ .14 1.3.1 Điều chỉnh ON-OFF 14 1.3.2 Điều chỉnh khâu tỉ lệ P .15 1.3.3 Điều chỉnh khâu tỉ lệ vi phân PD .16 1.3.4 Điều chỉnh khâu tỉ lệ tích phân PI 17 1.3.5 Điều chỉnh khâu tỉ lệ tích phân vi phân PID .18 CHƯƠNG THIẾT KẾ, TÍNH TỐN VÀ MƠ PHỎNG NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG 22 2.1 Mơ hình lò nung 22 2.2 Thiết lập phương trình động học, tìm hàm truyền hệ thống phương pháp tìm thơng số Kp, Ti, Td……………………………………………… 22 2.2.1 Thiết lập phương trình động học tìm hàm truyền hệ thống…………….23 2.2.2 Xác định thơng số điều chỉnh PID……………………………… …24 2.3 Tổng quan PLC S7-300 WINCC 25 2.3.1 Giới thiệu chung PLC S7 300 25 2.3.2.Cấu tạo PLC S7-300 ………………………………………………………28 2.3.2.1 Các khối chức PLC S7-300 30 2.3.2.2 Địa gán địa 31 2.3.2.3 Cấu trúc chương trình S7-300 .31 2.3.2.4 Ngơn ngữ lập trình LAD .32 2.3.3 Thư viện hàm S7-300 sử dụng 33 2.3.3.1 Hàm chuyển đổi Sacle FC105 .33 2.3.3.2 Hàm chuyển đổi Unscale FC106 35 2.3.3.3 Module mềm PID .35 2.3.3.4 Hàm PID FB41 36 2.3.4 Khởi tạo Project STEP 44 2.3.5 WINCC .49 2.3.5.1 Tạo dự án WINCC 49 2.3.5.2 Truyền thông môi trường WINCC .51 2.3.5.3 Các chức WINCC 53 2.4 Thiết kế hệ thống điều chỉnh PLC S7-300 mô WINCC 57 2.4.1 Sơ đồ thuật toán 57 2.4.2 Lập trình PLC S7-300 .58 2.4.3 Thiết kế giao diện mô WINCC……… 67 2.5 Kết luận 80 KẾT LUẬN CHUNG .81 TÀI LIỆU THAM KHẢO .82 PHỤ LỤC 83 DANH SÁCH HÌNH Hình 1.1 Lò nung nấu chảy nhơm……………………………………………………10 Hình 1.2 Sơ đồ điều chỉnh lò nung dùng ON-OFF…………………… 14 Hình 1.3 Đặc tính điều chỉnh ON – OFF………………………………… …….15 Hình 1.4 Đáp ứng điều chỉnh khâu tỉ lệ P……………………………….16 Hình 1.5 Đáp ứng điều chỉnh khâu vi phân tỉ lệ PD với P = 1…… .17 Hình 1.6 Đáp ứng điều chỉnh khâu vi phân tỉ lệ PI với P = 1………… 18 Hình 1.7 Sơ đồ điều khiển sử dụng điều chỉnh PID………………………………19 Hình 1.8 So sánh đáp ứng hệ thống so với điều chỉnh………………… 21 Hình 2.1 Mơ hình lò nung……………………………………………………………22 Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc hệ kín lò nung có thời gian trễ 10s…………………………24 Hình 2.3 Tìm Tck……………………… ……………… 24 Hình 2.4 Sơ đồ khối PLC .26 Hình 2.5 Chu kỳ vòng quét 27 Hình 2.6 Các khối modul PLC S7-300………………………………………… 29 Hình 2.7 Đồ thị mơ tả hàm scale AI………………………………………………….34 Hình 2.8 Cú pháp hàm FC105 dạng LAD……………………………………………34 Hình 2.9 Cú pháp hàm FC106 dạng LAD……………………………………………35 Hình 2.10 Sơ đồ điều khiển PID…………………………………………………… 36 Hình 2.11 Sơ đồ cấu trúc module PID……………………………………………… 37 Hình 2.12 Sử dụng module PID…………………………… .……………………38 Hình 2.13 Tạo New project………………………………… …………………… 44 Hình 2.14 Chọn CPU…………………………………………………………………45 Hình 2.15 Chọn ngơn ngữ làm việc………………………………… .………….45 Hình 2.16 Lưu tên chương trình………………………………… ……………46 Hình 2.17 Giao diện program…………………………………………………… 46 Hình 2.18 Giao diện lập trình……………………………………………………… 47 Hình 2.18 Giao diện lập trình……………………………………………………… 47 Hình 2.19 Đặt tên địa vào ra……………………………………… .……47 Hình 2.20 PLCSIM………………………………………………………………… 48 Hình 2.21 Tạo dự án mới……………………………………………………… 49 Hình 2.22 Cửa sổ soạn thảo WINCC……………………………………… 50 Hình 2.23 Tạo kết nối với PLC………………………………………………………52 Hình 2.24 Tạo số lượng kết nối 2……………………………………………………52 Hình 2.25 Sơ đồ thuật tốn điều chỉnh PID………………………………………….57 Hình 2.26 Khai báo địa Symbol……………………………………….58 Hình 2.27 Các khối chương trình…………………………………………………….58 Hình 2.28 Chương trình OB1………………………………………………….59 Hình 2.29 Chương trình FC1………………………………………………… 60 Hình 2.30 Tạo xung nhiệt độ tăng giảm…………………………………………… 61 Hình 2.31 Giả lập nhiệt độ giảm…………………………………… …………… 61 Hình 2.32 Giả lập nhiệt độ tăng…………………………………………………… 62 Hình 2.33 Đọc tín hiệu từ cảm biến………………………………………………….62 Hình 2.34 Scale tín hiệu đưa ngõ analog ……………………………………… 63 Hình 2.35 Đổi ms s cho Ti, Td…………………………………………………….63 Hình 2.36 Khai báo biến cho khối FB41…………………………………………64 Hình 2.37 Bảng chạy mơ PLC_SIM…………… …………………… 65 Hình 2.38 Tag liên kết với PLC S7-300…………………………………………… 66 Hình 2.39 Tạo giao diện giám sát……………………………… .………………66 Hình 2.40 Đổi tên cho giao diện thiết kế…………………………………………… 67 Hình 2.41 Vào thư viện…………………………………………………………… 67 Hình 2.42 Lấy lò nhiệt từ thư viện………………………………………………… 68 Hình 2.43 Lấy thiết bị gia nhiệt từ thư viện………………………………………….68 Hình 2.44 Lấy cảm biến từ thư viện………………………………………………….68 Hình 2.45 Tạo chữ viết giao diện………………………………………………69 Hình 2.46 Tạo I/O…………………………………………………………………….69 Hình 2.47 Tạo thuộc tính cho Gain………………………………………………… 70 Hình 2.48 Tạo thuộc tính cho nhiệt độ thực………………………………………….70 Hình 2.49 Tạo nút nhấn………………………………………………………………71 Hình 2.50 Tạo thuộc tính cho nút ấn START…………………… 72 Hình 2.51 Lập trình cho nút nhấn nhấn START…………………………………72 Hình 2.52 Lập trình cho nút nhấn START nhả ra……………………………… 73 Hình 2.53 Đưa hình ảnh lửa vào giao diện…………………………………… 73 Hình 2.54 Tạo hình ảnh động cho lửa………………………………………….74 Hình 2.55 Chỉnh sửa mục Trends……………………………………… ……75 Hình 2.56 Chỉnh sửa mục General…………………………………………… 75 Hình 2.57 Chỉnh mục Time Axes………………………… .………………76 Hình 2.58 Chỉnh mục Value Axes…………………………………………… 76 Hình 2.59 Chỉnh mục Trends………………………………………………… 77 Hình 2.60 Chỉnh lại mục Value Axes cho WINCC online cơng suất………….77 Hình 2.61 Giao diện giám sát WINCC………………………………………….78 Hình 2.62 Bật mơ PLC SIM…………………………………………… 78 Hình 2.63 Giao diện giám sát chưa mơ phỏng…………………… .……… 79 Hình 2.64 Giao diện WinCC ta tiến hành mô nhiệt độ tăng …79 Hình 2.65 Hệ thống hoạt động nhiệt độ tăng đến nhiệt độ đặt………………… 80 DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng So sánh phương pháp điều khiển……………………………………… 20 Bảng 2.1 Các thông số điều khiển PID xác định theo bảng sau……… 25 Bảng 2.2 Mơ tả tín hiệu đầu vào khối PID………………………………………37 Bảng 2.3 Mơ tả tín hiệu đầu ra…………………………….…………………… 43 MỞ ĐẦU Trong công nghiệp luyện kim, công nghiệp thủy tinh, công nghiệp gốm sứ, vật liệu xây dựng, phần lớn q trình cơng nghệ tiến hành nhiệt độ cao cao thiết bị nhiệt Thiết bị có tên gọi “Lò nung cơng nghiệp”, lò nung kim loại, lò nấu thủy tinh, lò nấu thép, Các vật liệu nung cần ổn định nhiệt độ, để sản phẩm đầu tiêu chuẩn.Vì nên áp dụng tự động hóa ổn định nhiệt độ lò cần thiết Từ em chọ đề tài “ Ứng dụng điều chỉnh PID thiết kế hệ thống điều chỉnh giám sát nhiệt độ lò nung ” Nội dung đề tài gồm chương: Chương 1: Tổng quan lò nung cơng nghiệp phương pháp điều chỉnh nhiệt độ Chương 2: Thiết kế, tính tốn mơ nhiệt độ lò nung Phần kết luận tài liệu tham khảo Phụ lục Để hoàn thành đồ án này, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS Nguyễn Hoa Lư hướng dẫn nhiệt tình giúp em hồn thành đồ án Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực Nguyễn Đình Đắc TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án ứng dụng điều chỉnh PID thiết kế hệ thống điều khiển giám sát nhiệt độ lò nung có nhiều ứng dụng thực tế sản xuất công nghiệp Sử dụng điều chỉnh PID đảm bảo cho hệ thống hoạt động ổn định, tăng chất lượng sản phẩm mang lại hiệu kinh tế cao SUMMARY The application of PID regulators to design kiln temperature monitoring and control systems has many applications in actual production and industry Using PID regulator to ensure stable operation of the system, increase product quality and bring high economic efficiency CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ LỊ NUNG CƠNG NGHIỆP VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH NHIỆT ĐỘ 1.1 Lò nung cơng nghiệp 1.1.1 Giới thiệu lò nung cơng nghiệp Hình 1.1 Lò nung nấu chảy nhơm Lò nung cơng nghiệp nơi tạo môi trường nhiệt độ cao để phục vụ sản xuất công nghiệp nung nấu luyện vật liệu, kim loại hợp kim khác nhau, Lò điện sử dụng rộng rãi lĩnh vực kỹ thuật: Sản xuất thép chất lượng cao Sản xuất hợp kim phe-rô Nhiệt luyện hoá nhiệt luyện Nung vật phẩm trước cán, rèn dập, kéo sợi Sản xuất đúc kim loại bột Trong lĩnh vực công nghiệp khác: 10 Trong công nghiệp nhẹ thực phẩm, lò điện dùng để phủ, mạ vật phẩm chuẩn bị thực phẩm Trong lĩnh vực khác, lò điện dùng để sản xuất vật phẩm thuỷ tinh, gốm sứ, loại vật liệu chịu lửa v.v 1.1.2 Ưu điểm nhược điểm Ưu điểm Lò nung sử dụng nhiên liệu so với lò sử dụng điện khác có ưu điểm sau: Có khả tạo nhiệt độ cao Lò có kết cấu kín bền nhiệt Đảm bảo nung xác Đảm bảo tốc độ nung lớn suất cao Đảm bảo độ kín cần thiết Có khả khí hóa tự động hóa q trình chất dỡ nguyên liệu vận chuyển vật phẩm Đảm bảo điều kiện lao động hợp vệ sinh, vận hành thuận tiện, thiết bị gọn nhẹ Nhược điểm Mặc dù lò nung sử dụng nhiên liệu có nhiều ưu điểm so với lò điện khác khơng thể tránh số nhược điểm sau: Giá thành cao giá nhiên liệu tăng Nếu lò có cơng suất lớn phải có tính tốn chọn thiết bị bảo vệ, vận hành dài hạn hợp lý Yêu cầu người vận hành phải có chuyên môn 1.1.3 Những yêu cầu cấu tạo lò nung Hợp lý cơng nghệ Hợp lý cơng nghệ có nghĩa cấu tạo lò khơng phù hợp với q trình cơng nghệ u cầu thời điểm chế tạo mà tính đến khả mở rộng sau 11 Hình 2.44 Lấy cảm biến từ thư viện Tạo Text Trên Standard ta đến Static Text đưa hình Hình 2.45 Tạo chữ viết giao diện Hiển thị I/O Field Ta nhấn chuột vào I/O Field đem hình thiết kế 71 Hình 2.46 Tạo I/O Tạo màu Tag cho Gain Hình 2.47 Tạo thuộc tính cho Gain Ti, Td nhiệt độ đặt làm tương tự Gain thay Tag vào cho Tạo màu Tag cho nhiệt độ thực tế Hình 2.48 Tạo thuộc tính cho nhiệt độ thực Tạo thuộc tính cho cơng suất với cảm biến nhiệt làm tương tự Tạo nút nhấn + Tại Standard chọn Button đưa hình 72 Hình 2.49 Tạo nút nhấn Tạo thuộc tính cho nút nhấn START + Kích chuột phải vào nút ấn chọn Properties -> Effects -> Global Color Scheme -> No Tạo màu cho nút nhấn tác động 73 Hình 2.50 Tạo thuộc tính cho nút ấn START Tiếp tục vào Events -> Mouse Hình 2.51 Lập trình cho nút nhấn nhấn START 74 Hình 2.52 Lập trình cho nút nhấn START nhả Tạo thuộc tính, lập trình cho nút ấn STOP, PID làm tương tự thay Tag cho với nút nhấn Tạo hình ảnh động lửa Vào Library -> Siemens HMI Symbol Library 1.4.1 -> Nature -> Chọn Fire kéo 75 Hình 2.53 Đưa hình ảnh lửa vào giao diện Tạo hình ảnh động cho lửa + Nháy chuột phải vào lửa đưa hình chọn Properties Hình 2.54 Tạo hình ảnh động cho lửa Tạo WINCC Online Trend Control Vào Views -> Chọn Control -> WINCC Online Trend Control - Chỉnh thông số Wincc Online nhiệt độ + Vào Trends chỉnh sau 76 Hình 2.55 Chỉnh sửa mục Trends + Vào mục General chỉnh hình sau: Hình 2.56 Chỉnh sửa mục General 77 + Tiếp tục vào Time Axes -> Setting -> Start to end time Hình 2.57 Chỉnh mục Time Axes + Tiếp tục vào Value Axes -> Value Range -> To -> chỉnh lại 1200 Hình 2.58 Chỉnh mục Value Axes 78 WINCC Online công suất làm thương tự thay đổi mục sau + Vào Trends chỉnh sau Hình 2.59 Chỉnh mục Trends + Tiếp tục vào Value Axes -> Value range -> To chỉnh lại 150 Hình 2.60 Chỉnh lại mục Value Axes cho Wincc online công suất 79 Giao diện mơ giám sát hồn thành Hình 2.61 Giao diện giám sát WINCC Tiến hành mô Trên phần mềm Step ta download chương trình xuống nhấn Run-P Hình 2.62 Bật mơ PLC SIM 80 Hình 2.63 Giao diện giám sát chưa mô Trên WINCC bấm Run ta tiến hành nhập thông số Kp = 1.2, Ti =1.5, Td = 0.36 mơ Hình 2.64 Giao diện WinCC ta tiến hành mô nhiệt độ tăng 81 + Nhiệt độ tăng đến nhiệt độ đặt: Hình 2.65 Hệ thống hoạt động nhiệt độ tăng đến nhiệt độ đặt - Mô ta thấy nhiệt độ có vọt lố sau khoảng vài giây xác lập quanh điểm đặt 2.5 Kết luận Để tìm thơng số Kp, Ti, Td để điều chỉnh nhiệt độ lò nung xác khó, ngồi thơng số điều chỉnh quan trọng có thời gian lấy mẫu Tck quan trọng Để điều chỉnh nhiệt độ lò nung cần cần phải quan tâm đến bốn thông số ba thông số điều chỉnh PID, thơng số quan tâm Kp, Ti, Td, Tck Nếu để Kp, Td lớn hệ thống ổn định, để Ti nhỏ hệ thống ổn định, để Tck khơng hệ thống chạy khơng xác 82 KẾT LUẬN CHUNG Trước tiên chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới thầy cô giáo Viện Kỹ Thuật Công Nghệ , đặc biệt môn Điều khiển Tự động hóa trường Đại Học Vinh tận tình giảng dạy, truyền đạt cho chúng em kiến thức, kinh nghiệm quý báu suốt thời gian qua Em xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Nguyễn Hoa Lư, thầy tận tình giúp đỡ, trực tiếp giảng dạy, hướng dẫn chúng em suốt trình làm đồ án Trong thời gian làm việc với thầy, em không ngừng tiếp thu thêm nhiều kiến thức bổ ích mà học tập tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệu Lò nung cơng nghiệp có cấu tạo, cách thức điều khiển phức tạp Đồ án tốt nghiệp “Ứng dụng điều chỉnh PID thiết kế hệ thống điều chỉnh giám sát nhiệt độ lò nung” em thực phần đồ án đặt Đồ án tốt nghiệp em tìm hiểu phần nhỏ lò nung cơng nghiệp, kết thu mang tính chất tương đối, đáp ứng phần yêu cầu Với kiến thức thời gian có hạn nên đồ án tốt nghiệp em khơng tránh khỏi sai sót Do em mong nhận góp ý đánh giá quý thầy cô để đồ án tốt nghiệp em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Hoa Lư, Lê Văn Chương, Giáo trình lý thuyết điều khiển tự động hệ tuyến tính, NXB Ðại học Vinh, 2017 [2] Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Lý thuyết điều khiển tuyến tính, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2004 [3] Nguyễn Thương Ngô, Lý thuyết điều khiển tự động hệ tuyến tính, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2009 [5] Trần Thu Hà, Phạm Quang Huy, Tự động hóa cơng nghiệp với Wincc, Nhà xuất khoa học kỹ thuật 2007.bản Hồng Đức [6] Hà Văn Trí (2007) Hướng dẫn lập trình S7-300 Cơng ty TNHH TM & DVKT SIS 84 PHỤ LỤC Bảng liệu khối PID mềm FB41: 85 ... kèm theo số đủ, ví dụ: T1, C31 Các địa đầu vào đầu với module chức có cách gán địa giống Địa phụ thuộc vào vị trí gá module Panel Chỗ gá module panel gọi khe (Slot), khe có đánh số, khe số khe... Module) + Vào số: kênh, 16 kênh, 32 kênh + Ra số: kênh, 16 kênh, 32 kênh + Vào, số: kênh vào kênh + Vào tương tự: kênh, kênh, kênh + Ra tương tự: kênh, kênh, kênh + Vào, tương tự: kênh vào kênh... số, khe số khe tiếp tục 31 Khi gá module số vào, lên khe mạng địa byte khe đó, khe có byte địa Trên module đầu vào, kênh, kênh có địa bit đến Địa đầu vào, số ghép địa byte địa kênh, địa byte đứng