Luận văn Xây dựng hệ thống điều khiển đo và giám sát nhiệt độ dựa trên mô phỏng ứng dụng của phần mềm Win CC doc

Nó có thể là tín hiệu liên tục Analog hoặc tín hiệu rời rạc Digital - Đại lượng đo: là một thông số xác định quá trình vật lý nào đó như đạilượng điện, đại lượng theo thời gian… 1.3 Điều

Xây dựng hệ thống điều khiển đo và giám sát nhiệt độ dựa trên mô phỏng ứng dụng của phần mềm Win CC

Lời Nói Đầu

Trong quá trình phát triển đất nước vấn đề công nghiệp hóa hiện đại hóađất nước được đặt lên hang đầu Do đó khoa học có một vị trí quan trọng.Những thành tựu của nó đã được ứng dụng vào phục vụ đời sống của conngười hang ngày Và nghành đo lường điều khiển cũng được nâng lên mộttầm mới Bởi trong hệ thống sản xuất nó chính là khâu kiểm tra giám sát, lấytín hiệu phản hồi, và điều khiển các bộ chấp hành hoạt động

Trong các nhu cầu của chúng ta, điện năng đóng vai trò quan trọng và

nó như là một phần không thể thiếu của con người Nó đóng vai trò chủ đạo

và được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực từ nhu cầu cuộc sống tới cáclĩnh vực như kinh tế, chính trị, văn hóa…

Từ khi con người biết tới điện và sử dụng nó như là một nhu cầu cầnthiết của cuộc sống thì càng có nhiều phát minh liên quan đến việc sử dụngđiện, cùng với đó các hệ thống sản xuất, dây truyền sản xuất ra đời, các hệthống thông minh cũng lần lượt ra đời Điều đó giúp giải quyết các nhu cầucủa con người, của cuộc sống Với sự thay đổi của khí hậu, nhiệt độ cũngthay đổi theo Để chống lại sự thay đổi đó thì con người đã sử dụng ứngdụng của điện năng vào việc này Đó chính là phát minh ra hệ thống điềukhiển nhiệt độ

Trong bài báo cáo này em sẽ thực hiện việc xây dựng hệ thống điềukhiển đo và giám sát nhiệt độ dựa trên mô phỏng ứng dụng của phần mềmWin CC Và phần mềm S7-200 của hãng siemens

I Tổng quan về kiến thức và yêu cầu

1 Các vấn đề cơ bản của kỹ thuật đo lường

1.1 Khái niệm:

- Đo lường là một quá trình đánh giá định hướng các đại lượng cần đo

để có kết quả bằng số với kỹ thuật đo

Kết quả đo lường là giá trị bằng số của đại lượng cần đo A, nó bằng tỷ

số giữa đại lượng đo X và đơn vị cần đo X0, đây chính là phương trình

cơ bản của phép đo X = A.X0 nó chỉ rõ sự so sánh đại lượng cần đo vớimẫu và cho kết quả bằng số

- Các cách thực hiện phương pháp đo gồm: đo trực tiếp; đo gián tiếp; đothống kê

1.2Các đại lượng đặc trưng của kỹ thuật đo lường

- Tín hiệu đo: là tín hiệu mang thong tin về giá trị của đại lượng đo Nó

có thể là tín hiệu liên tục Analog hoặc tín hiệu rời rạc Digital

- Đại lượng đo: là một thông số xác định quá trình vật lý nào đó như đạilượng điện, đại lượng theo thời gian…

1.3 Điều kiện đo

Các thông tin đo lường bao giờ cũng gắn chặt với môi trường sinh

ra đại lượng đo Khi tiến hành phép đo ta phải tính tới ảnh hưởng củamôi trường đến kết quả đo và khi dùng dụng cụ đo không được để ảnhhưởng đến đối tượng đo, cần phải tính đến các điều kiện đo khác nhau

để chọn thiết bị đo và tổ chức các phép đo cho tốt nhất

1.4 Đơn vị đo

Là giá trị đơn vị tiêu chuẩn về một đại lượng đo nào đấy được quốc

tế quy định mà mỗi quốc gia đều phải tuân theo Các đơn vị tiêu chuẩn

cơ bản là:

Chiều dài là mét (m)

Khối lượng là kilogram (kg)

Thời gian là giây (s)

Cường độ dòng điện là ampe (A)

Nhiệt độ là Kenvin (K)

Cường độ ánh sang là Candela (cd)

Số lượng vật chất là mol (mol)

1.5Thiết bị đo và các phương pháp đo

A, Thiết bị đo

Là thiết bị kỹ thuật dùng để gia công tín hiệu mang thông tin đothành dạng tiện lợi cho người quan sát

Để thực hiện phép đo cần có: - Thiết bị tạo mẫu đây là thiết bị đo

để khôi phục một đại lượng vật lý nhất định Thiết bị mẫu phải đạt độchính xác cao

- Dụng cụ đo: là thiết bị để gia công các thông tin đo lường và thểhiện kết quả đo dưới dạng con số, đồ thị hoặc bảng sô, tùy theo cáchbiến đổi tín hiệu và chỉ thị, dụng cụ đo được chia thành dụng cụ đoanalog và digital

- So sánh: gồm có thiết bị tự động hoặc người điều khiển

- Biến đổi

Kết quả đo trình cơ bản của phép đo, nó chỉ rõ sự so sánh đại lượng cần

đo với mẫu và cho kết quả bằng số

- Các thao tác cơ bản về đo lường: thao tác xác định mẫu và thành lậpmẫu; thao tác so sánh ; thao tác biến đổi; thao tác thể hiện kết quả hay chỉthị

B, Các phương pháp đo

- Đo trực tiếp: là cách đo mà kết quả nhận được trực tiếp từ 1phép đo duy nhất.

- Đo gián tiếp: là cách đo mà kết quả được suy ra từ phép đo, từ sựphối hợp của nhiều phương pháp đo trực tiếp

- Đo thống kê: là phép đo nhiều lần 1 đai lượng nào đó trong cùngmột điều kiện và cùng 1 giá Từ đó dùng phép tính xác xuất để thể hiệnkết quả đo có độ chính xác cần thiết

Kết quả đo của Phương pháp biến đổi thẳng:

có thể là chuyển đổi điện – điện, hoặc chuyển đổi không điện – điện

Và có thể ở dạng liên tục hoặc dạng rời rạc

khuếch đại; mạch logic

kim chỉ thị, hoặc chỉ thị số

Xk

X: là đại lượng đo

X : là đại lượng chuẩn phản hồi ∆X = X - ∆X

Chuyển đổi Mạch đo Chỉ thị

Chuyển.

đổi

Chuyển đổi ngược

Mạch đo Chỉ thị

So sánh cân bằng: X – X = ∆X = 0

2 Các đại lượng đặc trưng cơ bản

- Sai số tuyệt đối: ∆ = Xđo – Xthực với Xđo do các dụng cụ đo được;

X max: sai số lớn nhất của thang đo

∆ max:sai số tuyệt đối cảu thang đo

- Độ nhạy S:là độ biến thiên tương đối giữa đại lượng ra và vào

S = ∆ X ∆ Y nếu là tuyến tính

S = d y dx nếu là phi tuyến

Với x là đại lượng vào; y là đại lượng ra

- Ngoài ra còn tổng trở vào ra của dụng cụ

3 Các vấn đề cơ bản của kỹ thuật điều khiển

- Điều khiển là tác động lên đối tượng để đối tượng làm việc theo mộtđích nào đó

- Hệ thống điều khiển: là một tập hợp các thành phần vật lý co liên hệtác động qua lại với nhau để chỉ huy hoặc hiệu chỉnh bản thân đối tượnghay một hệ thống khác

- Xung quanh chúng ta có nhiều hệ thống điều khiển nhưng có thểphân chia thành 3 dạng hệ thống điều khiển cơ bản: Hệ thống điều khiển tự

nhiên; hệ thống điều khiển nhân tạo; hệ thống điều khiển tự nhiên và nhântạo.

Trong các hệ thống đó đối tượng điều khiển có thể là hệ thống vật lý,thiết bị kỹ thuật, cơ chế sinh vật, hệ thống kinh tế,quá trình… đối tượngnghiên cứu là các thiết bị kỹ thuật gọi la điều khiển học kỹ thuật

Mỗi hệ thống kỹ thuật, đều chịu tác động của bên ngoài và cho ta cácđáp ứng Tác động vào là đầu vào tác động ra là đầu ra

 Phân tích hệ thống

Nhằm xác định các đặc tính đầu ra của hệ sau đó đem so sánh vớinhững chỉ tiêu yêu cầu để đánh giá chất lượng điều khiển của hệ thống đó.Muốn phân tích hệ thống điều khiển tự động người ta dùng phươngpháp trực tiếp hoặc gián tiếp để giải quyết hai vấn đề cơ bản:

sẽ cho mô hình toán của toàn bộ hệ thống

Ta có thể xác định đặc tính ổn định của hệ thống qua mô hình toán của

hệ thống với việc sử dụng lý thuyết ổn định trong toán học

 Tổng hợp hệ thống

Hệ thống hoặc các phần tử của hệ thống

Chính là xác định thông số và cấu trúc của thiết bị điều khiển.Thực ra đây chính là thiết kế hệ thống điều khiển, trong qua trình tổnghợp này thường kèm theo bài toán phân tích

và thuận tiện như:

- Hệ thống các phương trình vi phân

- Sơ đồ khối

- Graph tín hiệu

- Hàm truyền đạt

- Không gian trạng thái

Về mặt lý thuyết mỗi hệ thống điều khiển đều có thể diễn tả bằngcác phương trình toán Giải các phương trình này và nghiệp của chúng sẽdiễn tả trạng thái của hệ thống Tuy nhiên việc giải phương trình thườngkhó tìm nghiệm, lúc đó cần đặt các giả thuyết để đơn giản hóa nhằm dẫntới các phương trình vi phân thường-Hệ điều khiển tuyến tính liên tục

Ta dựa vào mô hình toán học để nghiên cứa các tính chất của hệthống

 Phương trình vi phân

Các nội dung cơ bản của phương trình vi phân

x(t) và y(t) là các biến phụ thuộ còn t là biến độc lập, ta có:

Xét phương trình vi phân trên ta có:

Nghiệm của phương trình đặc trưng này rất có ý ngĩa khi ta xét đến tính ổn định của hệ thống

Trong sơ đồ khối có các khối các khâu biểu thị sự tác động của các phần

tử, các phần tử tác động, các phần tử chịu sự tác động, các biến số vào, cáctín hiệu gây nhiễu, các tín hiệu phản hồi

hoặc điều khiển gián tiếp Trong thực tế hiện nay người ta thường sử dụngcác bộ điều khiển nhiệt độ kiểu tự động

4 Yêu cầu thiết kế

Trong xu thế công nghiệp đang ngày càng hội nhập, đất nước ngàycàng phát triển thì việc sử dụng các hệ thống điều khiển tự động là điều tấtyếu, nhưng điều đó cũng đồng nghĩa với yêu cầu đặt ra là hệ thống phảiđảm bảo các yêu cầu về các chỉ tiêu chất lượng các chỉ tiêu về kỹ thuật Trong bài báo cáo này em sẽ thực hiện việc thiết kế trên phần mềmWin CC lS7-200 và các ứng dụng của nó Đề tài ở đây là ứng dụng xâydựng hệ thống điều khiển đo và giám sát nhiệt độ, để cho cụ thể thì em sẽ

thực hiện việc thiết kế hệ thống điều khiển đo và giám sát nhiệt độ lò.

Việc xây dựng thiết kế mô phỏng sẽ được thực hiện dựa trên phần mềmWicc Thiết kế hệ thống sao cho phải hoạt động tốt trong mọi điều kiện,không bị lỗi cho dù có sự tác động của các nhiễu Hệ thống phải đáp ứngđúng thời gian, kịp thời

Do hệ thống ở đây bao gồm điều khiển đo và giám sát nhiệt độ, nên ta

sẽ tách ra làm 2 phần đó là xây dựng hệ thống điều khiển đo và xây dựng hệthống giám sát nhiệt độ và sau đó ta ghép nối 2 phần này lại với nhau.Nhưng trước khi xây dựng hệ thống ta cần phải nói qua về các thiết bị chính

sẽ được dùng, ưu điểm khi sử dụng hệ thống này

a) Các thiết bị chủ yếu

 PLC S7-200

PLC (Programmable Logic Controller ) là bộ điều khiển lập trình, PLC được xếp vào trong họ máy tính, được sử dụng trong các ứng dụng

xử lý Ngoài ra, PLC có tích hợp thêm một số hàm chuyên dùng như bộ điều khiển PID, dịch chuyển khối dữ liệu, khối truyền thông…

- Có kích thước nhỏ, được thiết kế và tăng bền để chịu được rungđộng, nhiệt, ẩm và tiếng ồn, đáng tin cậy

- Rẻ tiền đối với các ứng dụng điều khiển cho hệ thống phức tạp

- Dễ dàng và nhanh chống thay đổi cấu trúc của mạch điều khiển

- PLC có các chức năng kiểm tra lỗi, chẩn đoán lỗi

- Có thể nhân đôi các ứng dụng nhanh và ít tốn kém

- Các cổng/module truyền thông (CP: Communication Professor): dùng

để nối CPU với các thiết bị khác để kết nối thành mạng, xử lý thực hiệntruyền thông giữa các trạm trong mạng

- Các loại module chức năng (FM: Function Module) Ví dụ các moduleđiều khiển vòng kín, các module thực hiện logic mờ…

Hình 2.4: Sơ đồ cấu trúc bên trong của plc S7-200

a) Nguyên tắc thực hiện chương trình:

PLC thực hiện chương trình theo chu trình vòng lặp Mõi vòng lặp đượcgọi là vòng quét Trong từng vòng quét, chương trình được thực hiện tư lệnhđầu tiên và kết thúc tại lệnh kết thúc (MEND).

Có thể lập trình cho PLC S7-200 bằng cách sử dụng phần mềm sauSTEP7- Micro/WIN

Các chương trình cho S7-200 phải có cấu trúc bao gồm chươngtrình chính (main program) và sau đó đến các chương trình con và cácchương trình xử lý ngắt

b) Giới thiệu về PLC S7-200 CPU224 AC/DC/RELAY

Với đề tài này em sử dụng PLC S7-200 CPU 224 AC/DC/RELAY: CPUđược cấp nguồn 220VAC Tích hợp 14 ngõ vào số (mức 1 là 24Vdc, mức 0

là 0Vdc) 10 ngõ ra dạng relay

Hình ảnh về PLC S7-200 của siemens:

c) Mô tả các đèn báo trên S7-200:

- SF: Đèn đỏ SF báo hiệu khi PLC có hỏng hóc.

- RUN: Đèn xanh sáng báo hiệu PLC đang ở chế độ làm việc và thực

hiện chương trình nạp ở trong máy

- STOP: Đèn vàng sáng báo hiệu PLC đang ở chế độ dừng, không

thực hiện chương trình hiện có

- Ix.x: chỉ trạng thái logic tức thời của cổng Ix.x Đèn sáng tương ứng

mức logic là 1

- Qx.x: chỉ trạng thái logic tức thời của cổng Qx.x Đèn sáng tương ứng

mức logic là 1

Cách đấu nối ngõ vào ra PLC:

Hình 2.6: Sơ đồ đấu nối ngõ vào ra của PLC S7-200 CPU224 AC/

DC/RELAY

b) Cảm biển nhiệt độ

Ngày nay với trình độ công nghệ kỹ thuật cao đã tao ra được các cảmbiến điện trở chia ra làm 3 nhóm: kim loại, bán dẫn và nhiệt điện trở; ưuđiểm của cảm biển điện trở là đơn giản, độ nhạy cao, ổn định dài hạn.

d) Cảm biến nhiệt độ điện trở kim loại

Nguyên lý làm việc của hệ thống đo nhiệt độ này là dựa trên sự thayđổi điện trở của kim loại làm điện trở khi nhiệt độ môi trường đo thay đổi

so với trị số điện trở ở nhiệt độ tiêu chuẩn.Ví dụ về điện trở của dây đồngthay đổi theo nhiệt độ:

Với RCu0 là điện trở của dây đồng làm cảm biến ở nhiệt độ t0 Nhiệt độ

t0 trong thực tế người ta thường lấy ở 00C, t là nhiệt độ của môi trường đo

là hệ số tăng điện trở của đồng trên 10C

Các điện trở bằng kim loại thường là các dây tròn, được quấn trên lõicách điện và được lắp đặt trong ống kim loại bảo vệ và đã bịt kín đầudưới, hoăc ống gốm bịt kín

Đây là hình ảnh về cảm biến điện trở bạch kim:

Điện trở bạch kim sử dụng làm cảm biến1: tấm mica có đường gen

2: dây platin

3: đầu nối ra

4: đệm mica

5: dây bạc để gắn đệm mica

e) Cảm biến điện trở Silic

Silic tinh khiết hoặc đơn tinh thể có hệ số điện trở âm, tuy nhiên khiđược kích tạp loại chất n ở một dải nhiệt độ nào đó hệ số điện trở của nóthành dương Ta có thể tính gần đúng điện trở của cảm biến Silic như sau:

; Với T, T0 tính theo nhiệt độ K Vì độ nhạy của cảm biến điện trở caonên thường dùng để phát hiện nhiệt độ biến thiên rất nhỏ từ (10-4-10-3)K

f) Ta có sơ đồ nối cảm biến nhiệt độ điện trở

Giả sử thang chia độ của mV được chia từ 00C thì muốn kim

milivon-mV chỉ 00C thì điện thế ở điển 1 và điển 2 trên sơ đồ phải bằng nhau tức là:

cảm biến là: U1-2= E R¿ −R¿

R 2+ R¿

Khi dẫn tín hiệu đi xa và tránh ảnh hưởng của điện trở dây dẫn theonhiệt độ tới phép đo, thì ta có thể nối dây như sơ đồ hình b, do nhánh cầucần được nối vào điện trở dây dẫn Rd1, Rd2 nên điện thế tai 2 điểm trên sơ

đồ phản ánh đúng điện thế gây ra do nhiệt độ của cảm biến Rt

Ngoài ra ta còng có thể đo nhiệt độ bằng Diode và Transistor và một sốloại khác

g Thiết bị giám sát

Thiết bị giám sát ở đây ta dùng màn hình hiển thị là máy tính và đểgiám sát được nhiệt đô thì ta dùng một phần mềm hiển thị trên máy tính đó

là phần mềm TEMPERATURE AND HUMIDITY MONITORING.

Phần mềm này giúp chúng ta có thể giám sát được nhiệt độ đồng thời cũng

có thể đưa ra cảnh báo để biết mà có những điều chỉnh kịp thời

II Thiết kế hệ thống đo và giám sát nhiệt độ

1 Sơ đồ khối của hệ thống

a) Sơ đồ tổng quát

Trong đó các hệ thống này được nối với nhan thông qua cáp truyền thông

b) sơ đồ khối chi tiết

Chức năng của các khối và từng phần tử trong khối:

 Khối cảm biến

- Đây chính là bộ phận cảm biến nhiệt độ dùng để biến tín hiệu

không điện thành tín hiệu điện

Khối cảm biến

Khối khuếch đại

Khối PID

Khối chấp hành

Khối so sánh

Khối hiển thị

Khối giám sát

Khối chuyển và nhớ kênh

Khối tạo xung

Khối nguồn cấp

Ở đây ta sử dụng đo nhiệt độ bằng điện trở vì:

Để đo nhiệt độ được chính xác, tất nhiên cần có một đầu dò thích hợp.Đầu dò là một cảm biến nhiệt độ có nhiệm vụ vận chuyển từ nhiệt độ từtín hiệu không điện qua tín hiệu điện Có rất nhiều loại cảm biến như giớithiệu ở trên Nhưng dựa vào lý thuyết và thực tế của mạch cần thiết kế tadùng phương pháp đo bằng Pt100loại 3 dây

dây), sau đây là sơ đồ Pt100 3 dây, tầm biến thiên điện áp theo nhiệt độ là20mV/0C, tầm đo 0-2500 C U16 có chức năng là mạch trừ, U17 khuếch đạiđảo

RT = Ro (1 0.385%T)

Yêu cầu chung: thông tin phản ánh nhiệt độ được truyền tuần tự, chínhxác và liên tục theo thời gian; tạo điện áp biến thiên tuyến tính với nhiệtđộ

 Khối khuyếch đại trung gian

- Bộ phận này có nhiệm vụ khuyếch đạtín hiêụ từ Sensor, (các cảm biến)

Khối khuyếch đại trung gian gồm các bộ khuyếch đại thuật toán đo lường tuyến tính Như vậy ta dùng các IC TL084

Sơ đồ chân IC TL084

Sơ đồ này chống nhiễu đồng pha:

Ur = k.Ucầu (3)Với k = k1.k2 trong đó: k1 = 1 + R1 +R3

R2 ; k2 = -R5

R4

Ở công thức (3) ta muốn thay đổi hệ số khuyếch đại phù hợp thì tađiều chỉnh điện trở R2 sao cho phù hợp

Ta có sơ đồ khuyếch đại đo lường IC TL084:

a Khối chuyển và nhớ kênh

Khối này cho phép từng kênh đọc một khi xong chuyển kênh khác

và báo kênh nào đang được đọc

Nhiêm vụ của khối chuyển kênh là nhận tín hiệu từ các kênh tới, sau

đó sẽ chỉ thị đo và cho biết kênh nào đang được đọc và nhiệt độ của nó.Việc chuyển kênh có thể được thực hiện theo nhiều cách, nhưng tổngquát có thể chia ra làm hai cách là dùng mạch có tiếp điểm (điều khiểnbằng cơ) và dùng mạch không tiếp điểm Hiện nay người ta thường dùngmạch không tiếp điểm vì mạch có tiếp điểm:

hao mòn về điện hồ quang và về cơ khí

khiển phức tạp cồng kềnh và kém tin cậy

Bên cạnh đó thì dùng mạch không tiếp điểm có nhiều ưu điểm như:

- Có thể tác động nhanh

- Kích thước nhỏ, dễ điều khiển

- Độ tin cậy cao

Với ý do đó ta chọn mạch không tiếp điểm, dùng IC 4051B tức làloại HEF4051B của Nhật Bản:

- IC HEF4051B bao gồm mạch đa/giả đa hợp với 3 ngõ vào chophép (A0 – A2 ), một ngõ vào cho phép hoạt động mức thấp (E), 8ngõ vào/ra độc lập và một ngoc vào/ra chung (z)

- IC gồm 8 khóa 2 chiều một phía được nối với các ngõ vào/ra độclập (Y0 –A7), phía còn lại được nối với ngõ chung(Z)

- Khi chân (E) =L khóa chọn các trạng thái bởi các chân (A0 – A2 )Khi chân E=H khóa ở trạng thái cao, độc lập với (A0 – A2 )

- VDD và VSS là chân cấp nguồn giá trị VDD - VSS không vượt quá15V

- Trong trường hợp hoạt động như một bộ đa hợp/giải đa hợp dạng

số

- Nhiệm vụ các chân: Y0 – Y9 các ngõ vào/ra

A0 – A2 các ngõ vào địa chỉ

E ngõ vào cho phép tac động mức thấp

Z chân chung vào/ra

b Khối so sánh

 Khối này lấy tín hiệu từ khối khuyếch, có nhiệm so sánh tín hiệu vào (tín hiệu đo) với tín hiệu chuẩn (tín hiệu đặt) để cho ra khối chấp hành

 Khâu so sánh tín hiệu thường dùng khuyếch đại thuật toán ký hiệu OA

- OA có hai cổng vào: (+) U+ là cổng vào không đảo dấu

(+) U- là cổng vào đảo dấu

- M là điểm nối đất của sơ đồ, là điểm chuẩn để đo điện thế của các điểm khác nhau trong sơ đồ

- Vp+,Vp- là nguồn nuôi OA