Đồ Án Tốt Nghiệp Cao Đẳng Điều Khiển Nhiệt Độ Lò Nhiệt Theo Góc Kích Sử Dụng Giải Thuật PID

Đồ Án Tốt Nghiệp Cao Đẳng Điều Khiển Nhiệt Độ Lò Nhiệt Theo Góc Kích Sử Dụng Giải Thuật PIDĐồ Án Tốt Nghiệp Cao Đẳng Điều Khiển Nhiệt Độ Lò Nhiệt Theo Góc Kích Sử Dụng Giải Thuật PIDĐồ Án Tốt Nghiệp Cao Đẳng Điều Khiển Nhiệt Độ Lò Nhiệt Theo Góc Kích Sử Dụng Giải Thuật PIDĐồ Án Tốt Nghiệp Cao Đẳng Điều Khiển Nhiệt Độ Lò Nhiệt Theo Góc Kích Sử Dụng Giải Thuật PIDĐồ Án Tốt Nghiệp Cao Đẳng Điều Khiển Nhiệt Độ Lò Nhiệt Theo Góc Kích Sử Dụng Giải Thuật PIDĐồ Án Tốt Nghiệp Cao Đẳng Điều Khiển Nhiệt Độ Lò Nhiệt Theo Góc Kích Sử Dụng Giải Thuật PIDĐồ Án Tốt Nghiệp Cao Đẳng Điều Khiển Nhiệt Độ Lò Nhiệt Theo Góc Kích Sử Dụng Giải Thuật PID

Đồ Án Tốt Nghiệp Cao Đẳng

Điều Khiển Nhiệt Độ Lò Nhiệt

Theo Góc Kích Sử Dụng Giải Thuật PID

Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Trần Gia Huy MSSV:0309171148

Đỗ Công Minh MSSV:0309171170

Bộ Môn Tự Động Hóa Khoa Điện – Điện tử Trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng

Tháng 8 năm 2020

Điều Khiển Nhiệt Độ Lò Nhiệt

Theo Góc Kích Sử Dụng Giải Thuật PID

Giảng viên hướng dẫn: Th.S Cù Minh Phước

Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Trần Gia Huy MSSV:0309171148

Đỗ Công Minh MSSV:0309171170

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN

Họ tên sinh viên:

1 Nguyễn Trần Gia Huy MSSV: 0309171148

Khóa: 2017 Khoa: Điện - Điện tử Ngành: CNKT Điều

khiển & tự động hóa

1 Đầu đề đồ án:

ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT THEO GÓC KÍCH

SỬ DỤNG GIẢI THUẬT PID

2 Các số liệu và dữ liệu ban đầu

- Nguồn 220VAC - 24VDC/5VDC, lò nhiệt

- Phần mềm CCS, GX Developer, Easy Builder 8000, Matlab 2020A

- Cảm biến nhiệt độ PT100, PLC Mitsubishi FX3U - 24MT, HMIWeintek

3 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán

- Thiết kế, vẽ mạch và viết chương trình board driver điều chỉnh điện áphiệu dụng tuyến tính theo góc kích

- Thiết kế và thi công mô hình lò nhiệt có thể tác động theo hai chiều

- Xử lý, tính toán tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ PT100

- Điều khiển nhiệt độ lò nhiệt bằng PLC sử dụng giải thuật PID

- Giao tiếp giám sát và điều khiển mô hình bằng màn hình HMI

4 Các bản vẽ, đồ thị

- Bản vẽ mô hình khung lò nhiệt

- Sơ đồ đấu dây các thiết bị

5 Họ và tên giảng viên hướng dẫn: Cù Minh Phước.

6 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 13/07/2020.

7 Ngày hoàn thành đồ án: 08/08/2020.

TP HCM, ngày 13 tháng 07 năm 2020

Nhận Xét Của Giảng Viên Hướng Dẫn

Nhận Xét Của Giảng Viên Phản Biện

Điều Khiển Nhiệt Độ Lò Nhiệt Theo Góc Kích

Sử Dụng Giải Thuật PID

Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Trần Gia Huy

Lời Cảm Ơn

Đồ án tốt nghiệp là thử thách cuối cùng của nhóm sinh viên thực hiện

đề tài trong hành trình 3 năm học Cao đẳng, là cơ hội để các sinh viên cóthể vận dụng kiến thức, kinh nghiệm để hoàn thành tốt bài báo cáo kết thúckhóa học

Được sự phân công của bộ môn Tự động hóa thuộc Khoa Điện – Điện

tử trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng, nhóm sinh viên đã thực hiện đềtài: “Điều khiển nhiệt độ lò nhiệt theo góc kích sử dụng giải thuật PID”.Nhóm sinh viên thực hiện đề tài xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy

Cù Minh Phước – giảng viên bộ môn Tự động hóa, người đã tận tình hướngdẫn nhóm sinh viên qua từng buổi chia sẻ, thảo luận về đề tài Những lờikhuyên, góp ý của thầy đã giúp đỡ nhóm rất nhiều trong quá trình thực hiện

đề tài Những thiết sót, lỗi kỹ thuật cũng đã được thầy chỉ dạy tận tình Mộtlần nữa, nhóm thực hiện đề tài xin chân thành cảm ơn thầy

Nhóm thực hiện đề tài cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất cảcác thầy cô trong Bộ môn Tự động Hóa, đã tận tâm truyền đạt những kiếnthức quý báu qua các buổi học, cũng như trong quá trình thực hiện đề tài đãđóng góp ý kiến, chia sẻ cho nhóm

Với điều kiện thời gian cũng như kinh nghiệm thực tế còn có hạn củanhóm, quá trình thực hiện báo cáo này không thể tránh được những sai sót.Nhóm thực hiện đề tài mong nhận được sự chỉ bảo, ý kiến đánh giá của cácthầy, cô để báo cáo được hoàn thiện hơn

Nhóm sinh viên thực hiện đề tài xin chân thành cảm ơn

Mục Lục

Lời cảm ơn

Mục Lục

Danh Sách Các Hình

Danh Sách Các Bảng Và Sơ Đồ

Các Ký Hiệu, Chữ Viết Tắt

Tóm Tắt

Chương 1: Giới Thiệu Đề Tài

1.1 Giới thiệu chung

1.2 Mục tiêu của đề tài

1.3 Cấu trúc quyển báo cáo

1.4 Kế hoạch thực hiện đề tài

Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

2.1 Tổng quan về board PLC FX3U – 24MT

2.1.1 Giới thiệu

2.1.2 Các chân sử dụng trong hệ thống

2.1.3 Các lệnh chính sử dụng trong chương trình điều khiển

2.2 Tổng quan về vi điều khiển PIC16F877A sử dụng trong board driver góc kích

2.2.1 Giới thiệu

2.2.2 Chức năng ADC sử dụng trong VĐK PIC16F877A

2.2.3 Chức năng ngắt ngoài RB0 sử dụng trong PIC16F877A

2.2.4 Chức năng ngắt Timer 1 sử dụng trong PIC16F877A

2.2.5 Bộ xuất xung PWM CCP1 sử dụng trong PIC16F877A

2.3 Giới thiệu về linh kiện bán dẫn Triac

2.3.1 Cấu tạo

2.3.2 Kí hiệu và sơ đồ kết nối

2.3.3 Đặc tuyến Volt-Ampere

2.4 Cảm biến nhiệt độ PT100 và bộ chuyển đổi tín hiệu

2.4.1 Cảm biến nhiệt độ PT100

2.4.2 Bộ chuyển đổi tín hiệu PT100

2.5 Giới thiệu linh kiện MOC3052

2.6 Tổng quan về màn hình giao diện HMI Weintek MT6070iH

2.6.1 Giới thiệu

2.6.2 Các thông số kỹ thuật

2.7 Giới thiệu về giao thức truyền thông Modbus

2.7.1 Tổng quan về giao thức Modbus

2.7.2 Modbus RTU

2.8 Biến đổi điện áp xoay chiều

2.9 Phần mềm biên dịch chương trình CCS

2.10 Phần mềm GX Developer

2.10.1 Giới thiệu về phần mềm GX Developer

2.10.2 Môi trường lập trình trên phần mềm GX Developer

2.10.3 Kết nối PLC và nạp chương trình

2.11 Phần mềm Easy Builder 8000

2.11.1 Giới thiệu phần mềm Easy Builder 8000

2.11.2 Cài đặt giao tiếp giữa PLC và HMI

2.11.3 Thiết kế giao diện đồ thị trên phần mềm Easy Builder 8000

2.11.4 Giao diện điều khiển

2.12 Phần mềm Matlab 2020A

2.12.1 Giới thiệu

2.13 Các phương pháp dò tìm thông số PID trong mô hình

2.13.1 Tính toán giá trị PID dựa vào đồ thị trên Matlab bằng phương pháp Ziegler – Nichols

2.13.2 Phương pháp điều chỉnh PID bằng tay

Chương 3: Thiết Kế Và Thi Công Mô Hình

3.1 Sơ đồ khối

Sơ đồ khối của hệ thống

3.2 Thiết kế và thi công phần cứng của mô hình

3.2.1 Bản vẽ cơ khí của mô hình

3.2.2 Tổng thể của mô hình sau khi hoàn thiện

3.3 Board driver góc kích

3.3.1 Giới thiệu

3.3.2 Thiết kế và thi công mạch

Chương 4: Chương Trình Điều Khiển

4.1 Lưu đồ giải thuật

4.1.1 Lưu đồ giải thuật chương trình trên VĐK

4.1.2 Lưu đồ giải thuật chương trình trên PLC

4.2 Chương trình PID trên PLC

Chương 5: Kết Quả Và Hướng Phát Triển

5.1 Kết quả của đồ án

5.1.1 Phần cứng

5.1.2 Phần mềm

5.2 Mặt hạn chế của đề tài

5.3 Hướng phát triển của đề tài

Phụ Lục

Tài Liệu Tham Khảo 101

Bảng Tính Vật Tư 102

Danh Sách Các Hình

Hình 2.1 PLC Mitsubishi FX3U – 24MT 17

Hình 2.2 Lệnh đọc giá trị Analog 18

Hình 2.3 Lệnh xuất giá trị Analog 18

Hình 2.4 Lệnh nhân số thực 18

Hình 2.5 Lệnh chia số thực 19

Hình 2.6 Lệnh cộng số thực 19

Hình 2.7 Lệnh trừ số thực 19

Hình 2.8 Lệnh so sánh 19

Hình 2.9 Lệnh di chuyển 19

Hình 2.10 Vi điều khiển PIC16F877A 20

Hình 2.11 Sơ đồ khối chức năng của PIC16F877A 21

Hình 2.12 Cấu tạo Triac 23

Hình 2.13 Kí hiệu và sơ đồ kết nối bên trong của Triac 24

Hình 2.14 Đặc tuyến Volt-Ampere Triac 24

Hình 2.15 Hình ảnh thực tế Triac BTA16 25

Hình 2.16 Cảm biến nhiệt độ PT100 26

Hình 2.17 Bộ chuyển đổi tín hiệu PT100 27

Hình 2.18 Sơ đồ chân MOC3052 27

Hình 2.19 Hình ảnh thực tế MOC3052 28

Hình 2.20 HMI Weintek MT6070iH 30

Hình 2.21 Đơn vị dữ liệu giao thức Modbus 31

Hình 2.22 Khung truyền Modbus nối tiếp 31

Hình 2.23 Bit trình tự trong chế độ RTU 32

Hình 2.24 Khung dữ liệu RTU 33

Hình 2.25 Cấu trúc một bản tin Modbus RTU 33

Hình 2.26 Thời gian truyền nhận giữa các bản tin Modbus 34

Hình 2.28 Sơ đồ trạng thái chế độ truyền dẫn RTU 36

Hình 2.29 Mô tả về Input-Output của bộ biến đổi điện áp xoay chiều 40

Hình 2.30 Mạch điều khiển Triac tải R 41

Hình 2.31 Dạng sóng mạch điều khiển Triac tải R 42

Hình 2.32 Giao diện làm việc chính của phần mềm CCS 43

Hình 2.33 Màn hình soạn thảo chương trình Gx Developer 44

Hình 2.34 Thiết lập kết nối PLC 46

Hình 2.35 Chọn serial USB, thiết lập cổng COM và tốc độ truyền 47

Hình 2.36 Nạp chương trình xuống PLC 47

Hình 2.37 Lựa chọn các mục tải xuống PLC 48

Hình 2.38 Hoàn tất tải chương trình xuống PLC 48

Hình 2.39 Giao diện làm việc chính của phần mềm 49

Hình 2.40 Hộp thoại Device Properties 50

Hình 2.41 Hộp thoại Data Sampling Object 51

Hình 2.42 Hộp thoại Data Format 51

Hình 2.43 Hộp thoại Trend Display Object’s Properties 52

Hình 2.44 Cài đặt tại mục Trend cho đồ thị 52

Hình 2.45 Cài đặt tại mục Channel cho đồ thị 53

Hình 2.46 Giao diện đồ thị sau khi cài đặt 53

Hình 2.47 Giao diện điều khiển 54

Hình 2.48 Lựa chọn mục Modbus Explorer 56

Hình 2.49 Cửa sổ Modbus Explorer 56

Hình 2.50 Cài đặt truyền thông Modbus giữa PLC và Matlab 56

Hình 2.51 Giao diện đồ thị trên Matlab 57

Hình 2.52 Đồ thị thu được bằng công cụ Matlab 57

Hình 2.53 Đồ thị đáp ứng của các thông số PID tìm bằng phương pháp Ziegler – Nichols hiển thị qua HMI 58

Hình 3.1 Hình chiếu đứng (mặt trước) của mô hình 61

Hình 3.2 Hình chiếu đứng (mặt sau) của mô hình 62

Hình 3.3 Hình chiếu bằng của mô hình 62

Hình 3.4 Hình chiếu cạnh của mô hình 63

Hình 3.5 Lò gia nhiệt 63

Hình 3.6 Bản vẽ 3D của mô hình – mặt trước 64

Hình 3.7 Bản vẽ 3D của mô hình – mặt sau 64

Hình 3.8 Mô hình tổng thể sau khi hoàn thiện 65

Hình 3.9 Khối nguồn trong board driver góc kích 66

Hình 3.10 Khối xử lý trung tâm 67

Hình 3.11 Khối lấy điểm Zero crossing 67

Hình 3.12 Dạng sóng thu được của khối Zero crossing 68

Hình 3.13 Nguyên lí khối công suất tải AC 69

Hình 3.14 Khối băm xung 69

Hình 3.15 Board driver góc kích hoàn thiện 70

Hình 3.16 Dạng sóng điện áp lưới khi góc kích α bằng 0 70

Hình 3.17 Dạng sóng điện áp lưới khi góc kích α bằng 13,70 71

Hình 3.18 Dạng sóng điện áp lưới khi góc kích α bằng 106o 71

Hình 4.1 Tính giá trị Pout 76

Hình 4.2 Tính giá trị Iout 77

Hình 4.3 Tính giá trị Dout 77

Hình 4.4 Tính tổng out PID 78

Hình 5.1 Tổng thể của mô hình 79 Hình 5.2 Bố trí các thiết bị bên trong mô hình 79

Hình 5.3 Giao diện điều khiển trên màn hình HMI 80

Hình 5.4 Giao diện giám sát của mô hình 80

Hình 5.5 Chọn chế độ vận hành 81

Hình 5.6 Thiết lập nhiệt độ đặt Setpoint 81

Hình 5.7 Nhấn START để vận hành hệ thống 82

Hình 5.8 Nhấn Stop để ngừng gia nhiệt 82

Hình 5.9 Nhấn RUN/STOP để bật/tắt quạt tản nhiệt 83

Hình 5.10 Chuyển tiếp các trang giao diện 83

Danh Sách Các Bảng Và Sơ Đồ

Bảng 1.1 Bảng phân công thực hiện nhiệm vụ đồ án 14

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của board PLC FX3U – 24MT 17

Bảng 2.2 Các chân PLC sử dụng trong đề tài 17

Bảng 2.3 Bảng phân loại và địa chỉ bộ nhớ Modbus RTU 32

Bảng 2.4 Nhiệm vụ của mã chức năng trong giao tiếp Modbus 34

Bảng 2.5 Thư viện logic dưới dạng Ladder 46

Bảng 2.6 Thông số P,I,D tương ứng với dải nhiệt độ 59

Sơ đồ 2.1 Quy trình vận hành của hệ thống 55

Sơ đồ 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống 60

Sơ đồ 3.2 Sơ đồ khối chức năng của board driver góc kích 66

Sơ đồ 4.1 Lưu đồ giải thuật chương trình chính VĐK 72

Sơ đồ 4.2 Lưu đồ giải thuật chương trình ngắt ngoài RB0 73

Sơ đồ 4.3 Lưu đồ giải thuật chương trình ngắt Timer 1 74

Sơ đồ 4.4 Lưu đồ giải thuật chương trình chính trên PLC 75

Sơ đồ 4.5 Lưu đồ giải thuật chương trình chính trên PLC 76

Bảng tính vật tư 1 102

từ xa

Tóm Tắt

Đề tài điều khiển nhiệt độ lò nhiệt theo góc kích bao gồm những nộidung sau:

- Ứng dụng thuật toán của bộ điều khiển PID vào đề tài

- Xây dựng giao diện điều khiển, giám sát từ HMI

- Hiệu chỉnh góc mở alpha của triac để điều khiển điện áp xoay chiều.Mục đích chính của đề tài là điều khiển, giám sát sự tác động của bộđiều khiển PID lên mô hình bằng giao diện HMI Ổn định nhiệt dộ của lònhiệt với một giới hạn nhất định được thiết lập theo yêu cầu của người điềukhiển Mở ra hướng phát triển cho các hệ thống sử dụng bộ điều khiển PIDmột cách trực quan nhất Nhận xét và đánh giá được chất lượng của hệthống thông qua đồ thị đáp ứng trên giao diện, qua đó có thể lựa chọn cácthông số Kp, Ki, Kd phù hợp nhất cho hệ thống

Đề tài đã đạt được những kết quả sau:

- Hoàn thiện được giao diện và giao thức truyền thông giữa PLC vàHMI

- Hoàn thành mô hình ứng dụng bộ điều khiển PID như mục tiêu banđầu

- Hiệu chỉnh được các thông số Kp, Ki và Kd để ổn định hệ thống bằngphương pháp dò PID

Chương 1: Giới Thiệu Đề Tài 1.1 Giới thiệu chung

Trong thực tế công nghiệp và sinh hoạt hàng ngày, năng lượng nhiệtđóng vai trò rất quan trọng, nhất là nghành công nghệ luyện kim, chế biếnthực phẩm Vấn đề đo và khống chế nhiệt độ đặc biệt được chú trọng vì nó

là một yếu tố quyết định đến chất lượng của sản phẩm Nắm được tầm quantrọng của vấn đề trên nhóm em đã chọn đề tài tốt nghiệp “Điều Khiển Nhiệt

Độ Lò Nhiệt Theo Góc Kích Sử Dụng Giải Thuật PID”

Đề tài “Điều khiển nhiệt độ lò nhiệt theo góc kích sử dụng giải thuậtPID” dùng để điều khiển nhiệt độ lò nhiệt bằng bộ điều khiển PID Giámsát, điều khiển, vẽ đồ thị đáp ứng và hiệu chỉnh các thông số trên màn hìnhgiao diện HMI

Hệ thống chương trình này có thể mở rộng ra cho nhiều ứng dụng khácnhư hệ thống điều khiển vị trí, tốc độ cho các động cơ ứng dụng trong côngnghiệp

1.2 Mục tiêu của đề tài

- Tìm hiểu các thiết bị điều khiển nhiệt độ.

- Thiết kế bản vẽ cơ khí, lắp ráp mô hình

- Xây dựng thuật toán PID trên phần mềm lập trình PLC GX Developer,điều khiển nhiệt độ lò nhiệt

- Xây dựng giao diện HMI trên phần mềm Easy Builder 8000

- Xây dựng giao thức truyền thông giữa PLC và HMI

1.3 Cấu trúc quyển báo cáo

- Nội dung quyển báo cáo gồm 5 phần:

+ Chương 1: Giới thiệu đề tài

+ Chương 2: Cơ sở lý thuyết

+ Chương 3: Thiết kế và thi công mô hình

+ Chương 4: Chương trình điều khiển

+ Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

1.4 Kế hoạch thực hiện đề tài

Thời gian Công việc Sinh viên thực hiện

31/05/2020 Mua linh kiện, vật

tư cần thiết Nguyễn Trần Gia Huy01/06/2020 - 15/06/2020 Thiết kế và thi

16/06/2020

Lắp ráp và hoànthiện cơ bản môhình

Đỗ Công Minh

góc kích 16/07/2020 - 20/07/2020 Thiết kế giao diện

Cả nhóm

Bảng 1.1 Bảng phân công thực hiện nhiệm vụ đồ án

Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết 2.1 Tổng quan về board PLC FX3U – 24MT

2.1.1 Giới thiệu

- Board PLC FX3U – 24MT là board PLC do Trung Quốc sản xuất, sửdụng trên nền tảng của dòng PLC Mitsubishi Có hỗ trợ các hàm giống PLCFX1N, FX2N, FX3U và phần mềm lập trình GX Developer, GX Works 2tương tự như PLC Mitsubishi chính hãng

Đầu vào X

X0 – X15: Ngõ vào DC, tích cực thấp; X0 – X5:ngõ vào xung tốc độ cao (tốc độ mặc định là

12000, tùy chọn có thể lên tới 100KHz)

Đầu ra Y Y0 – Y11: Ngõ ra transistor

Đầu vào analog

6 ngõ vào analog, độ chính xác 12 bit, 3 kênhngõ vào analog 0 – 10V, 3 kênh ngõ vào analog 0– 20mA; hỗ trợ lệnh đọc analog RD3A

Đầu ra analog 2 ngõ ra analog, độ chính xác 12 bit; analog ngõ

ra: 0 – 10V; hỗ trợ lệnh ghi analog WD3A

Relay trung gian

M0 – M3071, bit trung gian mặc định được lưukhi mất điện từ M500 – M1023, tuy nhiên có thểcài đặt từ M0 – M1023

Các bit M đặc biệt

M8000: ON khi PLC RUNM8002: xung nguồnM8011: xung clock 10msM8012: xung clock 100msM8013: cung clock 1sM8014: xung clock 1m

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của board PLC FX3U – 24MT

Hình 2.1 PLC Mitsubishi FX3U – 24MT

2.1.2 Các chân sử dụng trong hệ thống

DC+, DC- Cấp nguồn hoạt động 24VDC cho PLC

ADC4 Nhận tín hiệu analog dòng từ bộ chuyển PT100DAC0, DAC1 2 kênh xuất tín hiệu analog điện áp

A+, B- Cổng RS485 giao tiếp PLC và HMI

X0 Nhận tín hiệu từ công tắc hành trình

Y0 Xuất tín hiệu điều khiển còi báo động

Bảng 2.2 Các chân PLC sử dụng trong đề tài

2.1.3 Các lệnh chính sử dụng trong chương trình điều khiển

- Lệnh RD3A: Lệnh đọc tín hiệu analog từ cảm biến nhiệt độ PT100

Hình 2.2 Lệnh đọc giá trị Analog

Trong đó:

+ K0: Module số, dùng trực tiếp trên board nên là 0

+ K4: Kênh đọc analog là 4

+ D5: Giá trị đọc tức thời được lưu ở thanh ghi D5

- Lệnh WR3A: Lệnh xuất giá trị analog điện áp

Hình 2.3 Lệnh xuất giá trị Analog

Trong đó:

+ K0: Module số, dùng trực tiếp trên board nên là 0

+ K1: Kênh xuất analog là 1

+ D160: giá trị xuất được lấy từ thanh ghi D160

- Lệnh DEMUL, DEDIV, DEADD, DESUB: Lệnh nhân, chia, cộng trừ

- Tương tự như thế với các lệnh chia, cộng, trừ.

+ E2000: Giá trị cần gửi

+ D125: Thanh ghi nhận giá trị gửi

2.2 Tổng quan về vi điều khiển PIC16F877A sử dụng trong board driver góc kích.

2.2.1 Giới thiệu

Hình 2.10 Vi điều khiển PIC16F877A

- PIC16F877A là một vi điều khiển loại chip cắm 40 chân 8 bit củahãng Microchip với các đặc điểm:

+ Gồm 35 tập lệnh có độ dài 14 bit Mỗi lệnh đều được thực thi trongmột chu kỳ lệnh

+ Tốc độ hoạt động tối đa cho phép là 20MHz với một chu kỳ lệnh là200ms

+ Bộ nhớ chương trình 8KB x 14bit

+ Bộ nhớ dữ liệu 368 x 8 byte RAM

+ 5 PORT I/O với 33 chân I/O

+ 3 bộ Timer: Timer 0 (bộ đếm 8 bit), Timer 1 (bộ đếm 16 bit) và Timer

2 (bộ đếm 8 bit)

+ 8 kênh chuyển đổi ADC 10 bit

Hình 2.11 Sơ đồ khối chức năng của PIC16F877A

2.2.2 Chức năng ADC sử dụng trong VĐK PIC16F877A

- Trong các ứng dụng đo lường và điều khiển bằng vi điều khiển, bộchuyển đổi tín hiệu tương tự - số (ADC – Analog Digital Converter) là mộtthành phần rất quan trọng

- VĐK PIC16F877A có 8 chân tín hiệu analog (RA0 – RA7) sử dụng

độ phân giải 10 bit (0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V →5V

- VĐK PIC16F877A trong board Driver góc kích sử dụng 2 chân RA0

và RA1 nhận tín hiệu analog điện áp từ PLC:

+ Chân RA0: Nhận tín hiệu sau đó tính toán thời gian tạo góc kíchalpha

+ Chân RA1: Nhận và xử lý tín hiệu để điều chỉnh độ rộng xung PWMcủa quạt tản nhiệt.

2.2.3 Chức năng ngắt ngoài RB0 sử dụng trong PIC16F877A

- Trong PIC16F877A có 1 ngõ vào ngắt ngoài tại chân INT (RB0) Khi

có một sự kiện trên chân INT (cạnh lên hoặc cạnh xuống) sẽ sinh ra mộtngắt (nếu được cho phép)

- Để sự kiện ngắt RB0 xảy ra phải thỏa mãn đồng thời các điều kiệnsau:

+ Có cạnh xung tác động lên chân RB0, cạnh xung này có thể là cạnhlên hoặc cạnh xuống

2.2.4 Chức năng ngắt Timer 1 sử dụng trong PIC16F877A

- Timer 1 trong PIC16F877A là bộ thanh ghi 16 bit gồm 2 thanh ghi 8bit TMR1H và TMR1L Có thể đếm tới giá trị 65535 trong một chu kỳđếm Timer 1 có hai chế độ hoạt động: chế độ định thời hoặc đếm ngõ ra.Trong chế độ định thời Timer 1 tăng giá trị ở mỗi chu kỳ lệnh Hiện tượngngắt sẽ xảy ra khi Timer 1 tràn từ FFFFh đến 0000h

- Chức năng ngắt Timer 1 trong hệ thống được sử dụng để điều chỉnh

độ rộng của góc kích

2.2.5 Bộ xuất xung PWM CCP1 sử dụng trong PIC16F877A

VĐK PIC16F877A được tích hợp sẵn 2 khối CCP: CCP1 và CCP2

Khối CCP1 có một thanh ghi 16 bit(CCPR1H:CCPR1L), chân điềukhiển cho khối CCP1 là RC2 Các chức năng của CCP bao gồm: Capture,

so sánh, điều chế độ điều rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) Khihoạt động ở chế độ PWM tín hiệu sẽ được đưa ra chân tương ứng của khốiCPP được sử dụng

Bộ CCP1 sử dụng chức năng PWM trong đề tài để điều khiển tốc độquạt tản nhiệt cho lò nhiệt

2.3 Giới thiệu về linh kiện bán dẫn Triac

2.3.1 Cấu tạo

Hình 2.12 Cấu tạo Triac

Triac(viết tắt của TRIode for Alternating Current) là một linh kiện bándẫn có 3 cực và 5 lớp, làm việc như 2 Thyristor mắc song song ngược chiềunhau do đó có thể dẫn điện theo hai chiều

2.3.2 Kí hiệu và sơ đồ kết nối

Hình 2.13 Kí hiệu và sơ đồ kết nối bên trong của Triac

Để điều khiển Triac ta chỉ cần cấp xung cho chân G Triac có thể điềukhiển cho mở dẫn dòng bằng cả xung dương (dòng đi vào cực điều khiển)lẫn xung âm (dòng đi ra khỏi cực điều khiển) Tuy nhiên xung dòng điềukhiển âm có độ nhạy kém hơn Vì vậy trong thực tế để đảm bảo tính đốixứng của dòng điện qua Triac thì sử dụng dòng điện dương là tốt nhất.

2.3.3 Đặc tuyến Volt-Ampere

Hình 2.14 Đặc tuyến Volt-Ampere Triac

+ Đặc tuyến Volt – Ampere có những tính chất như:

- Gồm hai phần đối xứng nhau qua gốc O, mỗi phần tương tự đặc tuyếnthuận của Thyristor

- Vẽ theo chiều quy ước của cực T1

- Có tính đối xứng

+ Các thông số và tính chất cơ bản của Triac

- Khái niệm Anode và Cathode không có ý nghĩa đối với Triac

- Triac chỉ bị khóa khi IG = 0 và điện áp nhỏ hơn áp ngưỡng

- Ưu điểm cơ bản của Triac là mạch điều khiển đơn giản nhưng côngsuất giới hạn và nhỏ hơn Thysistor.

- Triac tự bảo vệ chống lại quá điện áp theo cả hai chiều

Hình 2.15 Hình ảnh thực tế Triac BTA16

Thông số kỹ thuật:

- Điện áp cực đại: VV(DRM)/ V(RRM) 600V/800V

- Dòng điện thuận cực đại: I T(RMS) 16A

- Điện áp điều khiển mở van: VG = 1.5V

- Dòng điều khiển mở van: IG = 100mA

- Nhiệt độ làm việc: TSTG = -40oC ~ 125oC

2.4 Cảm biến nhiệt độ PT100 và bộ chuyển đổi tín hiệu

2.4.1 Cảm biến nhiệt độ PT100

- Cảm biến nhiệt độ PT100 hay còn gọi là nhiệt điện trở kim loại( RTD) PT100 được cấu tạo từ kim loại Platinum được quấn tùy theo hìnhdáng của đầu dò nhiệt có giá trị điện trở khi ở 00C là 100Ω

- Cảm biến nhiệt độ PT100 được dùng phổ biến trong công nghiệp vì cóchất lượng tốt, sai số nhỏ, độ bền cao

Hình 2.16 Cảm biến nhiệt độ PT100

- Thông số kỹ thuật:

+ Loại cảm biến: loại A - 3 dây

+ Dải nhiệt độ hoạt động: -500 - 2000C

+ Chiều dài: 1.5m

2.4.2 Bộ chuyển đổi tín hiệu PT100

Bộ chuyển đổi tín hiệu có chức năng chuyển đổi tín hiệu điện trở từPT100 sang tín hiệu dòng điện tuyến tính từ 4 - 20mA

Hình 2.17 Bộ chuyển đổi tín hiệu PT100

- Thông số kỹ thuật:

+ Đầu vào: đầu vào cảm biến phổ quát PT100

+ Tín hiệu ngõ ra: tín hiệu dòng điện từ 4 - 20mA

+ Độ chính xác: ± 0.500C

2.5 Giới thiệu linh kiện MOC3052

MOC3052 là Opto cách ly quang 2 chiều Sử dụng phù hợp cho điệnmột chiều hoặc xoay chiều Thường được kết hợp trong các mạch sử dụngTriac

Hình 2.18 Sơ đồ chân MOC3052

Các thông số quan trọng:

- Điện áp kích: 3V

- Dòng kích:50mA

- Điện áp qua cực đại VDRM = 600V

- Dòng qua cực đại ITSM =1A

- Nhiệt độ hoạt động TOPR = -40 oC  +85oC

+ USB Host port x 1, USB Client port x 1

+ COM port: COM1 (RS232/RS485 2w/4w), COM2 (RS232), COM3(RS232/RS485 2w)

- Nguồn cấp: 24VDC – 250mA

- Kích thước: 200 x 146 x 42.5 (mm)

Hình 2.20 HMI Weintek MT6070iH

- Màn hình giao diện HMI trong hệ thống được kết nối với PLC quagiao thức truyền thông Modbus

2.7 Giới thiệu về giao thức truyền thông Modbus

2.7.1 Tổng quan về giao thức Modbus

- Modbus là một giao thức giao tiếp được sử dụng để truyền thông tinqua các đường nối tiếp giữa các thiết bị điện tử được phát triển bởiModicon do Modicon (nay thuộc Schneider) phát hành năm 1979 để sửdụng với các bộ điều khiển logic lập trình (PLC) Thiết bị yêu cầu thông tin

và viết cho thiết bị khác được gọi là Master và thiết bị cung cấp thông tin làSlaves Trong mạng Modbus tiêu chuẩn, có một Master và tối đa 247Slaves, mỗi Slave có một địa chỉ duy nhất từ 1 đến 247

- Khi một “Master” muốn có thông tin từ thiết bị, “Master” sẽ gửi thôngđiệp dữ liệu cần, tóm tắt dò lỗi tới địa chỉ thiết bị Mọi thiết bị khác trênmạng đều nhận được thông điệp này nhưng chỉ có thiết bị nào đúng địa chỉmới có phản hồi

- Trong một đường truyền dẫn Modbus, tất cả các giao thức phải làgiống nhau, có nghĩa là Modbus ASCII không thể giao tiếp với modbusRTU và ngược lại.

Hình 2.21 Đơn vị dữ liệu giao thức Modbus

Hình 2.22 Khung truyền Modbus nối tiếp

Phân loại Modbus.

Hiện nay, có 03 chuẩn modbus đang được sử dụng phổ biến trong côngnghiệp - tự động hóa là: Modbus RTU, Modbus ASCII, Modbus TCP

- Trong hệ thống này sử dụng chuẩn Modbus RTU để giao tiếp PLC vàHMI

2.7.2 Modbus RTU

Trong Modbus RTU, dữ liệu được mã hóa theo hệ nhị phân, đượctruyền theo byte 8 bit, mỗi lần một bit, với tốc độ baud dao động từ 1200bit mỗi giây (baud) đến 115200 bit mỗi giây Đây là giao thức truyền lýtưởng đối với mạng RS232 hay RS485 đa điểm Modbus RTU là giao thứcđược sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp do tính ổn định – đơn giản -

dễ dùng

Phân loại và địa chỉ bộ nhớ Modbus RTU được trình bày dưới bảng sau:

Loại dữ liệu Modbus RTU Tên gọi chung Dải địa chỉ

Cuộn Modbus Bits, giá trị nhị phân, cờ 00001 - 09999Ngõ vào digital Ngõ vào nhị phân 10001 - 19999Ngõ vào analog Ngõ vào nhị phân 30001 - 39999Thanh ghi Modbus Giá trị analog, biến 40001 - 49999

Bảng 2.3 Bảng phân loại và địa chỉ bộ nhớ Modbus RTU

2.7.2.1 Cách truyền dữ liệu nối tiếp

- Khi thông tin được truyền trên các mạng Modbus nối tiếp tiêu chuẩn,mỗi ký tự hoặc byte được gửi theo thứ tự từ trái sang phải: bit ít quan trọng(LSB)… bit quan trọng nhất (MSB)

- Các thiết bị có thể chấp nhận cấu hình Even, Odd hoặc No Parity đểkiểm tra Nếu chế độ No Parity được thực hiện, một Stop bit được truyền đi

để lấp đầy khung truyền dữ liệu 11 bit ký tự không đồng bộ

Hình 2.23 Bit trình tự trong chế độ RTU