Đồ án tốt nghiệp 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 đã 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 đã mang lại những chuyển biến rõ rệt ,ghóp ph ần 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 h ọc, 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 đã 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 nhiệ t 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 th ời củng cố kiến thức đã được trang bị trong suốt thời gian học tập tại trường, em đã 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 hoạ t 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 đã 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 nghiệ p . Đặc biệt em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo Ts.Nguyễn Văn Hoà và Ths.Nguyễn Thu Hà đã trực tiếp tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp. Mục lục Lời nói đầu . Tran g 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 dãy 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. Hằ ng 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 khiể n 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 bi ến ứng dụng thiết bị trong thực tế,đồng thời củng cố kiến thức đã được trang bị trong suốt thời gian học tập tại trường, đồ án đã đi sâu vào tìm hiểu thiết bị và đã 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 vớ i 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 cả m ơn thầy giáo Ts. Nguyễn Văn Hòa, Ths.Nguyễn Thu Hà đã 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 đã 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 nhậ n 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 đ iều 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 đã được chỉnh định, bộ điều khiển t ạo 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 dãy hiển thị (mỗi dãy 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 ho ặc 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 ti ếp từ bộ biến dòng ( ví dụ loại CT 005001 của hãng 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 mãn hai điều kiện sau: 1.Đầu ra chính OP1 ở trạng thái tích cực và dòng cấp nhiệt th ấp 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 khi ển có chiều cao 96.5 mm và chiều rộng 49.5 mm gồm hai dãy hiển thị , sáu đèn báo chế độ hoạt động và bốn nút điều khiển. 2.1.1. Hai dãy hiển thị. * Dãy trên. Hình 1: Bảng điều khiển. Dãy hiển thị trên Đèn báo chế độ N út điều khiển Dãy hiển thị dưới [...]... Modul u vo 1_IN xem 4.5.1 ) s c kớch hot chng 3 hot ng ca thit b TCU PAR giữ 3s PAR Chế độ ẩn (không có đầu vào ng-ời dùng) Ch khụng bo v thụng s PAR PAR Chế độ th-ờng PAR (có đầu vào ng-ời dùng) Chế độ bảo vệ thông số Nhập mã PAR DSP Các modul lập cấu hình thông số Mã không phù hợp Mã phù hợp Hình 10: Truy cập các chế độ hoạt động của TCU S hot ng v cu hỡnh b iu khin c phõn chia thnh 5 ch hot ng... A_Hi cnh bỏo mc cao A_LO cnh bỏo mc thp chng 3 hot ng ca thit b TCU PAR giữ 3s PAR Chế độ ẩn (không có đầu vào ng-ời dùng) Ch khụng bo v thụng s PAR PAR Chế độ th-ờng PAR (có đầu vào ng-ời dùng) Chế độ bảo vệ thông số Nhập mã PAR DSP Các modul lập cấu hình thông số Mã không phù hợp Mã phù hợp Hình 10: Truy cập các chế độ hoạt động của TCU S hot ng v cu hỡnh b iu khin c phõn chia thnh 5 ch hot ng... thit b i vi cỏc ng dng s dng nhiu cp nhit ly nhit trung bỡnh, hai hay nhiu cp cú th ni ti TCU ( chỳ ý: luụn luụn s dng loi cp nhit ging nhau ) Khụng nờn dựng mt cp nhit cho nhiu TCU Nhỡn chung dõy ca cp nhit l dõy õm, hóy ni nú vi chõn t ca TCU + 8 Đầu vào cặp nhiệt điện 9 10 - 11 12 Hình 7: Nối dây cho cặp nhiệt điện Thit b nhit k in tr (RTD) thng c s dng i vi ng dng cú yờu cu cao v chớnh xỏc,... nh hn 10 / 1 dõy 7 8 9 đầu vào RTD 10 11 Hình 8: Nối dây cho thiết bị đo nhiệt độ RTD hn ch nhiu ti dõy dn ( nh hng ti cht lng iu khin ) cn: + Khụng dựng chung ng cỏch in vi: dõy dn ng c, cun cm, dõy nung, rle m nờn t dõy o trong ng cỏch in riờng + Khi s dng loi dõy cú v bo v, ni v bo v vi chõn s 10, u cũn li khụng ni + B trớ a im t TCU khong cỏch ngn nht cú th vi i tng o + Dõy o cn phi c cỏch... cho tớn hiu vo cng cao nhng ng thi tc ỏp ng ca TCU li cng gim + Cỏc h s tham chiu (SPAN&SHFt): nhit quỏ trỡnh a vo TCU v nhit thc ca quỏ trỡnh cú th tn ti sai lch ( do tớnh khụng chớnh xỏc ca thit b o ), khi ú t giỏ tr cho cỏc h s tham chiu ny t c mc ớch: nhit a vo TCU l nhit thc ca quỏ trỡnh Mi quan h c biu din qua cụng thc : Nhit thc = (nhit TCU c ì SPAN) + SHFt + t phm vi giỏ tr im t (SPLO&SPHI):... cho tớn hiu vo cng cao nhng ng thi tc ỏp ng ca TCU li cng gim + Cỏc h s tham chiu (SPAN&SHFt): nhit quỏ trỡnh a vo TCU v nhit thc ca quỏ trỡnh cú th tn ti sai lch ( do tớnh khụng chớnh xỏc ca thit b o ), khi ú t giỏ tr cho cỏc h s tham chiu ny t c mc ớch: nhit a vo TCU l nhit thc ca quỏ trỡnh Mi quan h c biu din qua cụng thc : Nhit thc = (nhit TCU c ì SPAN) + SHFt + t phm vi giỏ tr im t (SPLO&SPHI):... Đ1 Đ2 Đ3 Đ4 Đ5 Đ6 Hỡnh 2: Sỏu ốn bỏo ch hot ng - ốn 1: Sỏng liờn tc % PW khi dóy 2 ang hin th % giỏ tr u ra - ốn 2: Nhp nhỏy MAN khi TCU ang trong ch iu chnh tay Sỏng liờn tc REM khi TCU ang trong ch im t ngoi ( im t ny do mt thit b khỏc chng hn PC ) Tt hon ton khi TCU trong ch im t a phng - ốn 3: Sỏng liờn tc AL1 khi u ra ( la chn ) cnh bỏo 1 c ci t Sỏng liờn tc OPN khi u ra van ang m - ốn 4: Sỏng... thng c s dng truyn giỏ tr cỏc thụng s hot ng ca TCU cho cỏc c cu chp hnh, thit b ghi th hoc ch th s - Chn thụng s cn truyn qua u ra Linear DC: chn mt trong cỏc thụng s hot ng ca TCU gm % u ra v sai lch quỏ trỡnh - Lp khong cht v chu k cp nht: Thụng s khong cht yờu cu giỏ tr ra ,tớnh phn trm, phi thay i nhiu hn s lng vựng cht u ra cp nht B iu khin TCU s cp nht giỏ tr vi chu k cp nht ó chn 3.5.3... tip thay i giỏ tr ( tng hoc gim ) im t hay phn trm u ra ( ch dựng khi Hình 3: Cấu trúc bên trong của TCU TCU ang ch iu chnh tay ) khi nhỡn thy bin nh ca thụng s ú xut hin trờn hin th di i vi cỏc thụng s khỏc khi mun cp nht thỡ cn phi tỡm ti bin nh ca nú trc khi thay i giỏ tr 2.2 Cu trỳc bờn trong TCU Quan sỏt hỡnh 3 ta thy cú ba b phn quan trng cn phi ci t: khoỏ chn ngun, chõn chn thit b o nhit ... * Modul Logic/SSR A B Thiết bị Logic/SSR Nguồn C Không nối Tải Hình 6: Kết nối Modul Logic/SSR Modul Logic/SSR l loi modul thng s dng cho iu khin logic ON/OFF: úng m van, ngt ngun cho thit b Modul ny l loi khụng phõn cc, ỏp mt chiu 12VDC Dũng ti cc i 45mA Cú th dựng iu khin nhiu SSR sau nú Chỳ ý: ba hỡnh v trờn cỏc chõn A,B,C tu thuc vo loi thit b, trờn bng hng dn kt ni ca TCU lụn cú hng dn cỏch . 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. . 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.