Báo cáo Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ sử dụng thiết bị TCU

Lời nói đầu. Ngày nay, sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật đ• mang lại cho các ngành kỹ thuật nói chung và ngành điều khiển học nói riêng một khuôn mặt mới. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật ,việc ứng dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật vào trong lĩnh vực tự động hoá đ• mang lại những chuyển biến rõ rệt ,ghóp phần thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của nhiều lĩnh vực công nghệ ,đáp ứng được các chỉ tiêu về chất lượng và giá thành sản phẩm ... nâng cao chất lượng cuộc sống . Chính nhờ những đóng góp của kỹ thuật hiện đại mà ngày càng có nhiều loại máy móc ,thiết bị hiện đại được đưa vào ứng dụng trong thực tế mang lại không ít thành quả về kinh tế, y học, quân sự... Trong các hệ thống công nghiệp , một trong những bài toán thường gặp nhất đó là điều khiển nhiệt độ. Hiện nay trên thế giới có rất nhiều thiết bị đ• được đưa vào ứng dụng để điều khiển nhiệt độ, một trong những thiết bị đem lại hiệu quả cao đó là thiết bị điều chỉnh nhiệt độ TCU(Temperature Control Unit ). TCU là một thiết bị điều khiển quen thuộc trên thế giới, tuy nhiên đối với Việt Nam nó vẫn còn rất mới mẻ, ít được ứng dụng trong thực tế sản xuất. Nhằm mục đích tìm hiều để thấy được ưu nhược điểm của thiết bị này thông qua đó phổ biến ứng dụng thiết bị trong thực tế,đồng thời củng cố kiến thức đ• được trang bị trong suốt thời gian học tập tại trường, em đ• chọn đề tài tốt nghiệp: Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ sử dụng thiết bị TCU. Nội dung của đồ án bao gồm các vấn đề sau: • Chương 1. Khái quát chung về thiết bị điều chỉnh nhiệt độ TCU . Trình bày những vấn đề chung về thiết bị điều chỉnh nhiệt độ TCU. • Chương 2. Cấu trúc và kết nối vào ra. Trình bày về cấu trúc phần cứng của thiết bị ,khả năng phối ghép giữa thiết bị TCU và các thiết bị đo khác . • Chương 3. Sự hoạt động của thiết bị điều chỉnh nhiệt độ TCU trong các hệ thống công nghiệp. Trình bày các chế độ hoạt động của thiết bị TCU. • Chương 4. Các phương pháp điều khiển trong thiết bị điều chỉnh nhiệt độ TCU. Trình bày các phương pháp được sử dụng trong thiết bị TCU như :điều khiển PID, điều khiển ON/OFF ,điều khiển Cascade và khả năng tự chỉnh của thiết bị . • Chương 5. Kết nối truyền thông RS-485. Trình bày khả năng phối ghép giữa thiết bị TCU với các thiết bị ngoại vi như là máy in, các thiết bị đầu cuối ,bộ điều khiển chương trình ,máy tính trung tâm .Đồng thời nêu lên phương thức truyền và nhận dữ liệu giữa các thiết bị đó . • Chương 6. ứng dụng thiết bị điều chỉnh nhiệt độ TCU vào các hệ thống công nghiệp. Tùy theo yêu cầu công nghệ mà có thể sử dụng thiết bị điều chỉnh TCU vào các hệ thống điều khiển cụ thể . • Chương 7. Xây dựng hệ thống điều khiển sử dụng thiết bị điều chỉnh nhiệt độ TCU. Khảo sát quá trình điều chỉnh nhiệt độ với đối tượng điều khiển là lò điện trở .Sau khi xác định đối tượng bằng thực nghiệm thì dùng phần mềm MATLAB để xác định các bộ điều khiển PID. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Điều khiển tự động đ• tận tình giảng dạy và truyền đạt cho em những kiến thức bổ ích trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại trường,tạo mọi điều kiện tốt nhất để em hoàn thành đồ án tốt nghiệp . Đặc biệt em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo Ts.Nguyễn Văn Hoà và Ths.Nguyễn Thu Hà đ• trực tiếp tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp. Mục lục Lời nói đầu . Trang Chương 1. Khái quát chung về thiết bị điều chỉnh nhiệt độ TCU. ................................................................................................................... 1 Chương 2. Cấu trúc và kết nối vào ra................................................ 3 2.1. Bảng điều khiển .......................................................................................... 3 2.1.1. Hai d•y hiển thị................................................................................. 3 2.1.2. Sáu đèn báo chế độ hoạt động......................................................... 4 2.1.3. Bốn nút điều khiển............................................................................ 4 2.2. Cấu trúc bên trong thiết bị điều chỉnhTCU ............................................. 5 2.2.1. Khoá chọn nguồn và chân chọn thiết bị đo nhiệt độ..................... 6 2.2.2. Các modul đầu ra............................................................................... 6 2.3. Lựa chọn và kết nối đầu vào ,đầu ra....................................................... 8 Chương 3. hoạt động của thiết bị TCU. 12 3.1 Chế độ thường ........................................................................................ 13 3.2 Chế độ không bảo vệ thông số ............................................................ 13 3.3 Chế độ bảo vệ thông số......................................................................... 13 3.4 Chế độ ẩn................................................................................................. 14 3.5 Các modul lập cấu hình thông số.......................................................... 14 3.5.1 Modul vào (1-In) ........................................................................... 14 3.5.2 Modul ra (2-OP)............................................................................. 15 3.5.3 Modul khoá (3-LC).......................................................................... 17 3.5.4 Modul cảnh báo (4-AL).................................................................. 18 3.5.5 Modul đầu ra làm lạnh (5-O2)..................................................... 24 3.5.6 Modul truyền thông (6-SC)........................................................... 25 3.5.7 Modul đầu vào tương tự 2 (7-2n)................................................... 27 3.5.8 Modul điều khiển van (8-VP)......................................................... 30 3.5.9 Modul thiết lập của nhà sản xuất (9-FC)....................................... 32 Chương 4. các phương pháp điều khiển trong thiết bị tcu. 4.1.Điều khiển PID............................................................................................. 33 4.1.1. Khoảng tỉ lệ ........................................................................................ 33 4.1.2. Hằng số tích phân ............................................................................ 34 4.1.3. Hằng số vi phân................................................................................. 35 4.2. Điều khiển ON/OFF................................................................................... 38 4.3. Điều khiển Cascade.................................................................................... 40 4.3.1. Mô hình điều khiển External Cascade............................................... 41 4.3.2. Mô hình điều khiển Internal Cascade................................................ 42 4.4. Vấn đề tự chỉnh của TCU........................................................................... 43 Chương 5. kết nối truyền thông rs-485. 48 5.1. Chuẩn truyền thông RS-485........................................................................ 48 5.2. Truyền câu lệnh và dữ liệu ......................................................................... 49 5.2.1. Truyền câu lệnh ................................................................................... 49 5.2.2. Nhận dữ liệu ......................................................................................... 50 chương 6. ứng dụng thiết bị điều chỉnh nhiệt độ vào các hệ thống công nghiệp . 55 6.1. Điều khiển giám sát dòng cấp nhiệt ......................................................... 55 6.2. Điều khiển nung nóng/làm mát.................................................................. 56 6.3. Điều khiển vị trí van.................................................................................... 57 6.4. Điều khiển Internal Cascade...................................................................... 59 6.5. Điều khiển External Cascade...................................................................... 60 6.6. Điều khiển giá trị đặt Master...................................................................... 61 chương 7. xây dựng hệ thống điều khiển sử dụng thiết bị điều chỉnh nhiệt độ tcu. 62 7.1. Xác định đối tượng điều khiển .................................................................. 62 7.2. Mô hình và sơ đồ mạch kết nối ................................................................. 64 7.2.1. Mô hình ................................................................................................. 64 7.2.2. Sơ đồ mạch kết nối ............................................................................... 65 7.3. Bộ điều khiển công suất.............................................................................. 66 7.3.1. Đặc điểm ............................................................................................... 67 7.3.2. Nguyên lí làm việc của hệ thống điều chỉnh công suất.................... 68 7.4. Xác định đối tượng .................................................................................... 80 7.4.1. Đặc tính của đối tượng ......................................................................... 80 7.4.2. Xác định hàm truyền đạt của đối tượng ............................................ 81 7.5. Dùng Matlab xác định các bộ điều khiển PID......................................... 84 7.5.1. Hệ thống một vòng điều khiển........................................................ ... 84 7.5.2. Hệ thống Cascade dùng hai vòng điều khiển ................................... 89 7.6. Cài đặt thông số cho các bộ điều khiển của TCU.................................... 92 Kết luận . Tài liệu tham khảo. Kết luận Trong các dây truyền công nghệ hiện đại ngày nay, thiết bị điều chỉnh nhiệt độ TCU với các ưu điểm nổi bật như thiết bị nhỏ gọn có thể tích hợp vào các hệ thống điều khiển giám sát dòng cấp nhiệt ,điều khiển quá trình nung nóng/làm mát, điều khiển Internal Cascade ,điều khiển External Cascade và có thể dùng máy tính đặt giá trị từ các trung tâm điều khiển ,thường được sử dụng. Đây là một thiết bị điều khiển quen thuộc trên thế giới, tuy nhiên đối với Việt Nam nó vẫn còn rất mới mẻ, chưa được ứng dụng trong thực tế sản xuất. Với mục đích tìm hiểu để thấy được tính năng của thiết bị này thông qua đó phổ biến ứng dụng thiết bị trong thực tế,đồng thời củng cố kiến thức đ• được trang bị trong suốt thời gian học tập tại trường, đồ án đ• đi sâu vào tìm hiểu thiết bị và đ• đạt được một số kết quả sau: +Xác định cấu trúc phần cứng của thiết bị và khả năng phối ghép giữa thiết bị TCU với các thiết bị đo khác. +Thiết bị TCU hoạt động như thế nào trong các hệ thống công nghiệp. +Xác định các phương pháp điều khiển của thiết bị TCU. +Khả năng kết nối của thiết bị với các thiết bị ngoại vi,có sử dụng chuẩn truyền thông RS-485. +Khả năng ứng dụng thiết bị vào các hệ thống điều chỉnh nhiệt độ. +Thực nghiệm xây dựng hệ thống điều khiển sử dụng thiết bị TCU. Tuy nhiên do hạn chế về thời gian và trình độ ,cũng như hạn chế khi tiếp xúc thực tế sản xuất nên chắc chắn đồ án không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong được các thầy các cô nhận xét chỉ bảo. Chắc chắn đó sẽ là những kinh nghiệm quý báu giúp chúng em trong hành trang vào cuộc sống . Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Ts. Nguyễn Văn Hòa, Ths.Nguyễn Thu Hà đ• tận tình giúp đỡ để em hoàn thành đề tài này. Quá trình làm việc và thực hiện hệ thống của đề tài yêu cầu đ• tạo điều kiện cho em học hỏi, tiếp cận với nhiều kiến thức và công nghệ mới trong chuyên ngành của mình. Chương 1 Khái quát chung về thiết bị điều chỉnh nhiệt độ TCU. Bộ điều khiển TCU nhận tín hiệu từ các sensor đo nhiệt độ, hiển thị nhiệt độ quá trình và tạo ra một tín hiệu ra ( tỉ lệ thời gian, tuyến tính hay điều khiển van ) chính xác để điều khiển quá trình. Với tập các thao tác dễ dàng cho phép bộ điều khiển giải quyết nhiều yêu cầu ứng dụng phức tạp nhất. Bộ điều khiển có thể hoạt động trong chế độ điều khiển PID cho cả hai kiểu ứng dụng nung nóng, làm mát. Khi yêu cầu, chức năng tự chỉnh sẽ tự lựa chọn và thiết lập các hằng số cho bộ điều khiển PID. Sau đó các hằng số này có thể được tinh chỉnh và sau đó được khoá lại bởi người dùng ở bất kì thời điểm nào. Với các thông số đ• được chỉnh định, bộ điều khiển tạo ra một đáp ứng phù hợp, nhanh mà không tồn tại quá điều chỉnh. Khi chuyển sang chế độ điều chỉnh tay, người dùng có thể trực tiếp thay đổi các thông số trên bảng điều khiển cho tới khi được đáp ứng mong muốn. Ngoài ra , bộ điều khiển TCU còn có thể hoạt động trong chế độ điều khiển ON/OFF với khoảng trễ cho phép điều chỉnh, thay đổi. Hai d•y hiển thị (mỗi d•y có 4 digit – không kể dấu chấm ) hiện đồng thời cả nhiệt độ quá trình và điểm đặt. Sáu đèn báo chế độ thông báo đầy đủ trạng thái của hệ thống bao gồm: dạng điểm đặt ( địa phương hay từ xa ), chế độ điều khiển (tự động hay điều khiển tay ), trạng thái đầu ra cảnh báo...Các modul đầu ra (Relay, SSR Drive, Triac) dễ dàng tháo lắp và chuyển đổi có thể được cấu hình là một trong các đầu ra sau: đầu ra chính, đầu ra cảnh báo, đầu ra làm mát, đầu ra điều chỉnh van. Đầu ra tuyến tính một chiều cung cấp dòng 4 ? 20 mA hoặc áp 0 ? 10 VDC cho các cơ cấu chấp hành, máy ghi đồ thị , hiển thị ngoài hay các bộ điều khiển khác. Tín hiệu đầu ra được số hoá và lựa chọn để truyền đi một trong các thông số: % đầu ra, giá trị nhiệt độ quá trình, giá trị điểm đặt. Đầu vào giám sát dòng nhiệt được dùng như một đồng hồ số đo và giám sát dòng cấp nhiệt cho sợi đốt, lấy đầu vào trực tiếp từ bộ biến dòng ( ví dụ loại CT 005001 của h•ng Red Lion ). Một đầu ra cảnh báo theo sự kiện được lập trình để phát tín hiệu cảnh báo dây đốt hay thiết bị nào đó bị hỏng, trước khi sự cố đó xảy ra gây thiệt hại vật chất cho quá trình. Sự kiện báo động sẽ xuất hiện khi thoả m•n hai điều kiện sau: 1.Đầu ra chính OP1 ở trạng thái tích cực và dòng cấp nhiệt thấp hơn giá trị cảnh báo, đây là dấu hiệu của sự kiện dây đốt bị hỏng. 2.Đầu ra chính OP1 không tích cực và dòng cấp nhiệt vượt quá 10% giá trị cảnh báo , cho biết thiết bị điều khiển có thể bị ngắn mạch hoặc một số vấn đề khác. Đầu ra điều khiển van : trực tiếp điều khiển vị trí của van bằng cặp đầu ra ( đóng, mở van ) để điều khiển hướng mở van. Vị trí của động cơ xác định vị trí mở van. Có hai chế độ cho van: điều khiển vị trí van (có sử dụng vòng phản hồi ) và điều khiển tốc độ. Một đầu ra cảnh báo sự kiện được dùng khi mất tín hiệu phản hồi hay phát hiện hỏng van. Đầu vào tương tự thứ hai (0 ? 20 mA DC ) dùng làm điểm đặt từ xa hoặc tín hiệu vào cho quá trình của vòng trong ( trong mô hình Internal Cascade ). Nếu là kiểu giá trị đặt từ xa: cho phép thiết lập hệ thống mà chỉ có một TCU Master cung cấp giá trị đặt cho nhiều TCU Slave hoặc dùng cho hệ thống External Cascade. Khi là tín hiệu vào của quá trình trong sẽ tạo ra một hệ Cascade trong một thiết bị TCU ( Internal Cascade ). Giao diện kết nối truyền thông RS485 cung cấp một kết nối giữa TCU với các thiết bị khác ( ví dụ: máy in , PC, bộ điều khiển khả trình ...). Với khoảng địa chỉ khá rộng từ 0 ? 99 cho phép kết nối tới 32 thiết bị trên một cặp dây truyền. Các thông số của bộ điều khiển như giá trị điểm đặt, % đầu ra.... được thay đổi gián tiếp từ thiết bị ngoài thông qua kết nối truyền thông RS485 tới TCU. Chương 2 cấu trúc phần cứng và kết nối . 2.1. Bảng điều khiển (Front Panel). Bảng điều khiển có chiều cao 96.5 mm và chiều rộng 49.5 mm gồm hai d•y hiển thị , sáu đèn báo chế độ hoạt động và bốn nút điều khiển. 2.1.1. Hai d•y hiển thị. * D•y trên. - Cao 10.2 mm, khi hiển thị có màu đỏ. - Tác dụng: hiển thị nhiệt độ quá trình, đồng thời cũng hiện tên gợi nhớ của các thông số trong chế độ đặt cấu hình ( xem phần 3.5 ). Mặt khác tuỳ thuộc vào trạng thái hoạt động của thiết bị d•y này có thể hiện một số thông báo trạng thái. * D•y dưới. - Cao 7.6 mm, khi hiển thị có màu xanh. - Tác dụng: Hiển thị một trong các biến hoạt động, tên gợi nhớ hay các giá trị số khi thay đổi thông số. 2.1.2. Sáu đèn báo chế độ hoạt động. - Đèn Đ1: Sáng liên tục % PW khi d•y 2 đang hiển thị % giá trị đầu ra. - Đèn Đ2: Nhấp nháy MAN khi TCU đang trong chế độ điều chỉnh tay. Sáng liên tục REM khi TCU đang trong chế độ điểm đặt ngoài ( điểm đặt này do một thiết bị khác chẳng hạn PC ). Tắt hoàn toàn khi TCU trong chế độ điểm đặt địa phương. - Đèn Đ3: Sáng liên tục AL1 khi đầu ra ( lựa chọn ) cảnh báo 1 được cài đặt. Sáng liên tục OPN khi đầu ra van đang mở. - Đèn Đ4: Sáng liên tục DEV khi d•y 2 hiển thị sai lệch quá trình. Sáng liên tục CUR khi d•y 2 hiển thị dòng nhiệt. Sáng liên tục SEC khi d•y 2 hiển thị đầu vào số – giá trị điểm đặt ngoài. - Đèn Đ5: Sáng liên tục OP1 khi đầu ra điều chỉnh chính tích cực. Sáng liên tục AL1 khi đầu ra báo động 1 tích cực. - Đèn Đ6: Sáng liên tục AL2 khi có cài đặt đầu ra báo động ra. Sáng liên tục khi đầu ra chính đặt lựa chọn làm mát. Sáng liên tục CLS khi van ở vị trí đóng. 2.1.3. Bốn nút điều khiển. - Nút DSP: Khi TCU đang ở trong chế độ thường ( xem phần 3.1 ) dùng nút DSP để lựa chọn một trong các thông số hoạt động trên hiển thị dưới hay đơn vị đo nhiệt độ. - Nút PAR: Nút PAR được dùng để truy cập, thay đổi và cuốn qua các thông số ở bất kì chế độ nào ( khi thông số đó được phép truy cập ). - Nút UP và DOWN: Nút UP trên bảng điều khiển có hình mũi tên hướng lên, nút DOWN có hình mũi tên hướng xuống. Hai nút này được dùng để trực tiếp thay đổi giá trị ( tăng hoặc giảm ) điểm đặt hay phần trăm đầu ra ( chỉ dùng khi TCU đang ở chế độ điều chỉnh tay ) khi nhìn thấy biến nhớ của thông số đó xuất hiện trên hiển thị dưới. Đối với các thông số khác khi muốn cập nhật thì cần phải tìm tới biến nhớ của nó trước khi thay đổi giá trị. 2.2. Cấu trúc bên trong TCU. Quan sát hình 3 ta thấy có ba bộ phận quan trọng cần phải cài đặt: khoá chọn nguồn, chân chọn thiết bị đo nhiệt độ và các Modul ra. 2.2.1. Khoá chọn nguồn và chân chọn thiết bị đo nhiệt độ. Đây là khoá rất quan trọng cần đặt đúng vị trí phù hợp với nguồn cấp cho TCU nếu đặt sai có thể dẫn tới hỏng TCU: Vị trí trên cho nguồn 220 V, vị trí dưới cho nguồn 110 V. Sai số nguồn cho phép +10v,-15v nghĩa là có 2 dải điện áp được phép dùng là 100 125 V và 215 240 V. Có ba chân và một Jăm chọn thiết bị đo nhiệt độ: khi chọn thiết bị đo là cặp nhiệt độ thì cắm Jăm vào 2 chân dưới. Khi chọn thiết bị đo là RTD cắm Jăm lên 2 chân bên trên. 2.2.2. Các Modul đầu ra. Có 3 chân cắm cho Modul ra bao gồm: - Chân cắm cho đầu ra chính OP1 ( hoặc AL1 - điều khiển van ). - Chân cắm AL2/ OP2 ( hoặc đầu ra “đóng “ - điều khiển van ). - Chân cắm AL1 ( hoặc đầu ra “mở ” - điều khiển van ). Khi cần sử dụng đầu ra nào ta phải cắm Modul vào chân cắm thích hợp. Dưới đây là các loại Modul ra: * Modul Rơle. Modul Rơle là loại rơle 5A-120/240 VAC hay 28 VDC . Tải là đối tượng cần điều khiển, cần hạn chế tải để không ảnh hưởng tới tuổi thọ thiết bị. Modul này thường dùng cho điều khiển động cơ. * Modul Triac. Modul Triac là loại dùng cho điều khiển xoay chiều đây là loại Triac có phân cực, điện áp vào 120/240. - Dòng cực đại: 1A ở 350C và 0.75A ở 500C. - Dòng cực tiểu: 10mA. - Dòng rò: 7mA. * Modul Logic/SSR. Modul Logic/SSR là loại modul thường sử dụng cho điều khiển logic ON/OFF: đóng mở van, ngắt nguồn cho thiết bị... Modul này là loại không phân cực, áp một chiều 12VDC . Dòng tải cực đại 45mA. Có thể dùng để điều khiển nhiều SSR sau nó. Chú ý: ở ba hình vẽ trên các chân A,B,C tuỳ thuộc vào loại thiết bị, trên bảng hướng dẫn kết nối của TCU lưôn có hướng dẫn cách nối chân. 2.3. Lựa chọn và kết nối đầu vào, đầu ra. Trước khi nối dây, quan sát kĩ hướng dẫn ở mặt cạnh của TCU về chức năng của từng chân. Chuẩn bị các dây nối, đưa đầu dây cần nối vào chân tương ứng sau đó vặn chặt vít. Khi được phép đấu c