Vorschau wird generiert...
i TRƯỜNG ĐẠI HỌC 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
ii Đại học GTVT 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. 67 89:; <= >?9 @A9 @BC DE F: GHG :;I7JK DL DMN@ 6 OP: GIP:; Q9C 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
iii TÓM TẮT Trong quá 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
iv MỤC LỤC NHIỆM VỤ 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
v 2.4 Thư viện 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
vi 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 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
vii DANH SÁCH HÌNH 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
Die ersten 7 Seiten werden angezeigt. Laden Sie das Dokument herunter, um alles zu sehen.
Noch keine Kommentare. Seien Sie der Erste!
Kommentare (0)
Noch keine Kommentare. Seien Sie der Erste!