đồ án chế tạo hệ thống ổn định nhiệt độ lò sử dụng bộ điều khiển autonics tk4s

đồ án chuyên ngành Ngày nay lĩnh vực điều khiển đã được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị, sản phẩm phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt hằng ngày của con người như máy giặt, đồng hồ điện tử, ti vi ... nhằm giúp cho đời sống ngày càng hiện đại và tiện lợi hơn. Đề tài ứng dụng bộ điều khiển trong đời sống thực tế rất phong phú và đa dạng nhằm đáp ứng cho cuộc sống tiện nghi của con người.Với mục đích tìm hiểu và đáp ứng những yêu cầu trên chúng em đã lựa chọn một đề tài có tính ứng dụng trong thực tế nhưng không quá xa lạ đối với mọi người đó là : “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống đo và điều khiển ổn định nhiệt độ lò sử dụng bộ điều khiển Autonics TK 4s”

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập- Tự do- Hạnh Phúc

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH 2

Sinh viên thực hiện: 1 Phạm Văn Cừ

2 Nguyễn Văn Duy

Lớp: Đ-ĐT K11.4.1

Ngành đào tạo: Điều khiển và Tự động hóa

Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế hệ thống đo và điều khiển ổn định nhiệt độ trong lò

ấp trứng sử dụng bộ điều khiển Autonics TK 4s

Số ĐVHT/TC: 2

Thời gian thực hiện: …tuần

Giảng viên hướng dẫn: Trần Thị Thường

Mobile: 0163 481 4035

Email: thuonghd12@gmail.com

Ngày giao đề tài : … /…/2016Ngày hoàn thành: …/… /2016

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 4

LỜI CẢM ƠN 5

Chương I : Cơ sở lý thuyết 6

1.1 Giới thiệu chung về hệ thống đo và điều khiển nhiệt độ 6

1.2 Giới thiệu các loại cảm biến đo nhiệt độ, ưu và nhược điểm của cảm biến nhiệt PT100 6

Chương II : Giới thiệu về bộ điều khiển nhiệt độ Autonics TK 4s 17

2.1 Đặc điểm 17

2.2.Thông số kĩ thuật 19

2.3 Sơ đồ đấu nối : 20

2.4 Cách cài đặt, thao tác ,vận hành 25

Chương III : Thiết kế mô hình hệ thống đo và điều khiển ổn định nhiệt độ 41

3.1.Sơ đồ khối của hệ thống : 41

3.2 Lưu đồ thuật toán 42

3.3 Các khối thực tế : 43

3.4 Mô hình thực tế của đề tài : 45

3.5 Một số ứng dụng thực tế của bộ điều khiển 47

KẾT LUẬN 48

Nhận xét của giảng viên hướng dẫn

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

LỜI NÓI ĐẦU

Việt Nam ta ngày một phát triển và giàu mạnh Một trong những thay đổi đáng kể

là Việt Nam đã gia nhập WTO, một bước ngoặt quan trọng thay đổi đất nước, đểchúng ta - con người Việt có cơ hội nắm bắt nhiều thành tựu vĩ đại của thế giới, đặcbiệt là về các lĩnh vực khoa học kĩ thuật nói chung và ngành Điện - Điện Tử nói riêng Thế hệ trẻ chúng ta không tự mình phấn đấu học hỏi không ngừng thì chúng ta sẽ sớmlạc hậu và nhanh chóng thụt lùi Nhìn ra được điều đó Trường Đại Học Sư Phạm KỹThuật Hưng Yên đã sớm chủ trương hình thức đào tạo sâu rộng, từ thấp đến cao Đểtăng chất lượng học tập của sinh viên nhà trường nói chung và khoa Điêṇ - Điện Tửnói riêng đã tổ chức cho sinh viên làm các đồ án nhằm tạo nên tảng vững chắc chosinh viên khi ra trường, đáp ứng nhu cầu tuyển dụng việc làm Ngày nay lĩnh vực điềukhiển đã được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị, sản phẩm phục vụ cho nhu cầu sinhhoạt hằng ngày của con người như máy giặt, đồng hồ điện tử, ti vi nhằm giúp chođời sống ngày càng hiện đại và tiện lợi hơn Đề tài ứng dụng bộ điều khiển trong đờisống thực tế rất phong phú và đa dạng nhằm đáp ứng cho cuộc sống tiện nghi của conngười.Với mục đích tìm hiểu và đáp ứng những yêu cầu trên chúng em đã lựa chọnmột đề tài có tính ứng dụng trong thực tế nhưng không quá xa lạ đối với mọi người đó

là : “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống đo và điều khiển ổn định nhiệt độ lò ấp trứng sử dụng bộ điều khiển Autonics TK 4s”

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, em xin gửi lời cám ơn chân thành sâu sắc tới các thầy cô giáo

trong trường Đại học SPKT Hưng Yên nói chung và các thầy cô giáo trong khoa

Điện – Điện tử, bộ môn Đo lường và điều khiển tự động nói riêng đã tận tình giảngdạy,

truyền đạt cho em những kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian qua

Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn đến cô Trần Thị Thường, cô đã tận tình giúp đỡ,

trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn em trong suốt quá trình làm đồ án chuyên ngành Trongthời gian làm việc với cô, em không ngừng tiếp thu thêm nhiều kiến thức bổ ích màcòn học tập được tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệuquả, đây là những điều rất cần thiết cho em trong quá trình học tập và công tác saunày

Sau cùng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè đã động viên, đónggóp ý kiến và giúp đỡ trong quá trình học tâp, nghiên cứu và hoàn thành đồ án chuyênngành 2 này

Do kiến thức còn hạn hẹp nên trong quá trình thực hiện đồ án của chúng emkhông thể tránh khỏ i sai sót, mong quý thầy cô trong hội đồng khảo thi bỏ qua và

có hướng giúp đỡ để chúng em có thể hoàn chỉnh đồ án của mình được hoànchỉnh hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn

Chương I : Cơ sở lý thuyết

1.1 Giới thiệu chung về hệ thống đo và điều khiển nhiệt độ

Trong nghiên cứu khoa học, trong sản xuất cũng như trong đời sống sinh hoạt hàng ngày luôn luôn cần xác định nhiệt độ của môi trường hay của một vật nào đó Vì vậy việc đo nhiệt độ môi trường đã là một việc làm vô cùng cần thiết Đo nhiệt độ là một trong những phương thức đo lường không điện nhiệt độ cần đo có thể rất thấp ( một vài độ Kelvin ) cũng có thể rất cao ( vài ngàn, vài chục nghìn độ Kelvin) Độ chính xác của nhiệt

độ có khi cần tới một vài phần nghìn độ, nhưng có khi vài chục độ cũng có thể chấp nhận được Để giải quyết các vấn đề đó, với những kiến thức đã học về kĩ thuật điện điện tử, đo lường và cảm biến, vi điều khiển người ta đã thiết kế ra các hệ thống đo và điều khiển nhiệt

độ nhằm đo điều khiển nhiệt độ chính xác làm tăng hiệu quả và tránh các rủi ro không cần thiết

1.2 Giới thiệu các loại cảm biến đo nhiệt độ, ưu và nhược điểm của cảm biến nhiệt PT100.

- Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận các đại lượng vật lý không điện thành các tín hiệu điện

-Ví dụ: nhiệt độ là một tín hiêu không điện, qua cảm biến nó sẽ trở thành 1 dạng tín hiệu khác như điện trở hay điện áp, sau đó các bộ phận trung tâm thu nhận tín hiệu điệntrở hay điện áp đó để xử lý

Thông thường cảm biến nhiệt độ có 2 yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác đó là nhiệt độ

môi trường và nhiệt độ cảm nhận của cảm biến Điều này có nghĩa là việc truyền nhiệt

độ từ môi trường vào đầu đo của cảm biến tổn thất càng ít thì cảm biến đo càng chính xác

 Một số mẫu cảm biến thường gặp

- Cặp nhiệt điện ( can nhiệt )

Hình 1a: Can nhiệt

Can nhiệt thường có cấu tạo gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau hàn dính 1 đầu và

hoạt động khi nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi

Thông thường những loại cảm biến này rất bền, đo được nhiệt độ cao nhưng độ nhạykhông cao và hay sai số Can nhiệt thường được ứng dụng trong các ngành công nghiệpluyện kim, cơ khí, gia công,

Trên thị trường hiện nay có nhiều loại cặp nhiệt điện khác nhau( E, J, K, L, S, B, ) đó là vìmỗi cặp nhiệt điện được cấu tạo bởi một chất liệu khác nhau, từ đó sức điện động tạo racũng khác nhau dấn đến thang đo cũng khác nhau Vì vậy người sử dụng cũng cần phải lựachọn thiết bị đo cho phù hợp với yêu cầu sử dụng của mình

Những điểm lưu ý khi lắp đặt cặp nhiệt điện:

- Dây nối từ đầu đo đến bộ điều khiển càng ngắn càng tốt vì tín hiệu truyền đi dưới dạng điện áp mV nên nếu dây dài sẽ dẫn đến sai số nhiều

- Thực hiện việc cài đặt bù giá trị nhiệt độ( offset) để bù lại tổn thất mất mắt trên đường

- Nhiệt điện trở

Hình 1b: Nhiệt điện trở

Nhiệt điện trở thường có cấu tạo gồm dây kim loại làm từ đồng, Nikel, Platinum được

quấn tùy theo hình dáng của đầu đo Và nó hoạt động khi thay đổi nhiệt độ thì điện trở giữahai đầu dây cũng thay đổi Tuy nhiên nhiệt điện trở có độ chính xác cao, dễ sử dụng, chiều dài dây không hạn chế Và thường được ứng dụng trong các ngành thực phẩm, hóa chất, đồuống,

- Điện trở oxit kim loại :

Hình 1c

- Cấu tạo: Làm từ hổn hợp các oxit kim loại: mangan, nickel, cobalt,…

- Nguyên lý: Thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi

- Ưu điểm: Bền, rẽ tiền, dễ chế tạo

- Khuyết điểm: Dãy tuyến tính hẹp

-Dải đo: 50o

- Ứng dụng: Làm các chức năng bảo vệ, ép vào cuộn dây động cơ, mạch điện tử

- Có hai loại thermistor: Hệ số nhiệt dương PTC- điện trở tăng theo nhiệt độ; Hệ số nhiệt

âm NTC – điện trở giảm theo nhiệt độ Thường dùng nhất là loại NTC

Cảm biến sử dụng trong đồ án (PT100)

Hình 1d: PT100

Với yêu cầu độ chính xác càng cao thì việc đo nhiệt độ bằng các loại đồng hồ cơ khí đã không còn khả thi nữa Chính vì vậy các thiết bị đo nhiệt độ ngày càng được cải tiến hơn

chính xác hơn Trong đó phải kể đến 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 hình dáng của đầu dò nhiệt có giá trị điện trở khi ở 0 oC là 100 Ohm Đây là loại cảm biến thụ động nên khi

sử dụng cần phải cấp một nguồn ngoài ổn định

Các thông số kĩ thuật của dây đo nhiệt PT100

Các thông số cơ bản :

Dây cảm biến nhiệt PT100 bao gồm một đầu dò ống trụ có đường kính 4mm và chiều dài ống trụ là 30mm ,2 dây đầu ra có chiều dài 70cm

Dải nhiệt độ đo được là từ -200ºC đến 650ºC

Sơ đồ cấu tạo bên trong của đầu dò hình trụ

Bảng giá trị điện trở của Pt100 khi thay đổi nhiệt độ :

Hình 1f Bảng giá trị điện trở của Pt100 khi thay đổi nhiệt độ

 Ưu điểm, nhược điểm của pt100

+Dải nhiệt độ làm việc khá rộng từ -200℃ đến 1000℃

+Có quan hệ điện trở và nhiệt độ gần như tuyến tính hệ số tăng nhiệt độ của điện trở đủ lớn

để cho việc lấy kết quả đo dễ dàng

Bảng Chuyển Đổi từ độ F(°F) sang độ C(°C)

50.0 10.0 70.0 21.1 90.0 32.2 110.0 43.3 130.0 54.4

Chương II : Giới thiệu về bộ điều khiển nhiệt độ Autonics TK 4s

2.1 Đặc điểm

Hình 2a: Bộ điều khiển nhiệt độ Autonics

- Bộ điều khiển nhiệt độ Autonics TK

Cài đặt thông số đơn giản (bằng DAQMaster), mẫu mới ngõ ra cảnh báo 3 (Model có ngõ

ra Rơ le OUT2 (heating&cooling), ngõ ra truyền phát tín hiệu 2 ( Model ngõ ra

Transmission)

- Chu kỳ lấy mẫu với tốc độ cực nhanh: 50ms

- Cải thiện khả năng quan sát với phần hiển thị lớn và LED sáng cao

- Hiệu suất cao với những chế độ điều khiển heating/cooling và điều khiển tự động/bằng tay

- Hỗ trợ truyền thông RS485 (Modbus RTU).

- Cho phép cài đặt thông số qua cổng USB của PC

- Ngõ ra SSR/dòng có thể lựa chọn

- Ngõ ra SSRP (có thể lựa chọn điều khiển chuẩn/pha/chu kỳ)

- Cảnh báo đứt heater (ngõ vào CT) (ngoại trừ TK4SP)

- Chức năng cài đặt đa SV (Multi SV: max.4)

-Tiết kiệm không gian lắp đặt với thiết kế nhỏ gọn

- Đa ngõ vào, đa dải

- Ứng dụng bộ điều khiển nhiệt độ Autonics TK: Sử dụng để điều khiển nhiệt độ trong các

lò nhiệt, máy đúc nhựa, công nghiệp giấy, gỗ, hóa chất, linh kiện điện tử, chế biến thực phẩm

2.2.Thông số kĩ thuật

2.3 Sơ đồ đấu nối :

Kích thước

Định dạng các phần

2 Phần hiển thị giá trị cài đặt (PV):

Chế độ RUN: Hiển thị giá trị cài đặt (SV)

Chế độ cài đặt: Hiển thị giá trị cài đặt của thông số

3.Chỉ thị đơn vị (℃ / ℉ / %): Hiển thị đơn vị cài đặt tại thông số đơn vị hiển thị ON trong thông số nhóm 3

4 Chỉ thị điều khiển bằng tay:

Sẽ ON trong suốt quá trình điều khiển bằng tay

5 Chỉ thị Multi SV: Một trong LED SV1, SV2, SV3 sẽ ON nếu lựa chọn chức

năng multi-SV

6 Chỉ thị Auto tuning: Nhấp nháy 1 giây khi đang Auto-tuning

7 Chỉ thị ngõ ra alarm (AL1, AL2): Sẽ ON khi có ngõ ra cảnh báo

8 Chỉ thị Ngõ ra điều khiển (OUT1, OUT2):

Sẽ ON có ngõ ra điều khiển (ON)

※Trong suốt quá trình điều khiển chu kỳ/pha với loại ngõ ra SSRP, nếu MV

>5.0% thì nó sẽ ON

※Để sử dụng ngõ ra dòng, nếu MV là 0.0% với điều khiển bằng tay, thì nó sẽ OFF Bình thường nó luôn là ON Khi MV>3.0% với chế độ điều khiển tự động thì nó sẽ

ON và khi MV<2.0%, thì nó sẽ OFF

9 Phím : Được sử dụng khi chuyển chế độ điều khiển tự động sang điều khiển

bằng tay

※TK4N/S/SP không có phím Phím sẽ hoạt động chuyển đồng thời

10 Phím : Dùng để đăng nhập vào nhóm cài đặt thông số, trở về chế độ RUN, di chuyển thông số, lưu giá trị cài đặt

11 Phím , , : Dùng để đăng nhập vào giá trị cài đặt, thay đổi chế độ và di chuyển hoặc tăng/giảm chữ số

12 Phím ngõ vào số: Khi nhấn 2 phím + trong 3 giây đồng thời cùng lúc, thì nó

sẽ hoạt động chức năng (RUN/STOP, xóa cảnh báo, Auto tuning) được cài đặt tại thông số phím ngõ vào số [DI-K ] trong thông số nhóm 5

13 Cổng tải PC loader: PC loader là cổng truyền thông nố i tiếp dùng để cài đặt thông số và giám sát thông qua DAQMaster bằng PC Sử dụng để kết nối với SCM-

US (Bộ chuyển đổi USB sang Serial, được bán riêng)

14 Công tắc lựa chọn ngõ vào: Được sử dụng khi muốn chuyển đổi ngõ vào cảm biến (TC, RTD) ↔ ngõ vào analog (mV, V, mA).(chỉ dành cho các model cũ)

2.4 Cách cài đặt, thao tác ,vận hành

- Có thể cài đặt nhiệt độ điều khiển bằng các phím

- Dải cài đặt nằm trong giá trị giới hạn thấp SV [ L-SV ] đến giá trị giới hạn cao

SV [ H-SV ]

1 Phần hiển thị giá trị đo lường (SV): Chế độ RUN: Hiển thị giá trị đo được hiện thời

(PV) Chế độ cài đặt: Hiển thị thông số

2 Phần hiển thị giá trị cài đặt (PV): Chế độ RUN: Hiển thị giá trị cài đặt (SV) Chế độ cài

đặt: Hiển thị giá trị cài đặt của thông số

3 Chỉ thị đơn vị (℃ / ℉ / %): Hiển thị đơn vị cài đặt tại thông số đơn vị hiển thị trong

thông số Nhóm 3

6 Chỉ thị Auto tuning [AT]: Nhấp nháy 1 giây khi đang Auto-tuning

7 Chỉ thị ngõ ra alarm [AL1, AL2]: Sẽ ON khi có ngõ ra cảnh báo

8 Chỉ thị Ngõ ra điều khiển [OUT1, OUT2]: Sẽ ON có ngõ ra điều khiển (ON).

※Trong suốt quá trình điều khiển chu kỳ/pha với loại ngõ ra SSRP, nếu MV>5.0% thì nó

sẽ ON

※Để sử dụng ngõ ra dòng, nếu MV là 0.0% với điều khiển bằng tay, thì nó sẽ OFF Bình thường nó luôn là ON Khi MV>3.0% với chế độ điều khiển tự động thì nó sẽ ON và khi MV

9 Phím [Mode] : Dùng để đăng nhập vào nhóm cài đặt thông số, trở về chế độ RUN, di

chuyển thông số, lưu giá trị cài đặt

10 Phím [Mũi tên trái, lên, xuống] : Dùng để đăng nhập vào giá trị cài đặt, thay đổi chế

độ và di chuyển hoặc tăng/giảm chữ số

11 Phím ngõ vào số: Khi nhấn 2 [phím xuống +lên] trong 3 giây đồng thời cùng lúc, thì

nó sẽ hoạt động chức năng (RUN/STOP, xóa cảnh báo, Auto tuning) được cài đặt tại thông

số phím ngõ vào số [DI-K] trong thông số nhóm 5

■ Khởi tạo thông số

 Nhấn phím , để khởi tạo lại tất cả thông số trong bộ nhớ về giá trị mặc định

 Cài đặt thông số thành YES để khởi tạo tất cả thông số

Loại dải ngõ vào

■ Hiển thị bảng phía trước khi mở nguồn

Khi nguồn được cấp, phần hiển thị sẽ nhấp nháy trong 1 giây

■ Alarm

Hoạt động cảnh báo (Alarm)

※ H: Độ trễ ngõ ra cảnh báo

* Lựa chọn cảnh báo

※Điều kiện để ứng dụng lặp lại dự phòng tuần tự đối với Dự phòng tuần tự 1,

Chốt cảnh báo và Dự phòng tuần tự 1: NGUỒN ON

Điều kiện để ứng dụng lặp lại dự phòng tuần tự cho Dự phòng tuần tự 2, Chốt cảnh báo và Dự phòng tuần tự 2: NGUỒN ON, thay đổi cài đặt nhiệt độ, nhiệt độ cảnh báo [ AL1, AL2] hoặc hoạt động cảnh báo [ AL-1, AL-2], chuyển từ chế độ STOP sang chế độ RUN

Chương III : Thiết kế mô hình hệ thống đo và điều khiển ổn định nhiệt độ

3.1.Sơ đồ khối của hệ thống :

Hình3a Sơ đồ khối của hệ thống

 Khối nguồn : cung cấp nguồn AC 220V/50Hz cho toàn bộ hệ thống

 Khối điều khiển : tiếp nhận tín hiệu từ cảm biến và điều khiển các chân rơ

 Khối đèn : làm ấm không khí bên trong lò

Phương pháp điều khiển : điều khiển on-off

Chính là kiểm soát bật tắt

Đây là thiết bị điều khiển nhiệt độ đơn giản nhất Khi nhiệt độ vượt quá điểm đặt thì bộ

điều khiển sẽ tắt đầu ra Đối với kiểm soát nhiệt, khi nhiệt độ ở dưới điểm đặt thì đầu rađược bật và ngược lại

Thường thì kiểm soát bật tắt được sử dụng khi không đòi hỏi sự chính xác cao, trong các

hệ thống mà không thế bật và tắt liên tục, các hệ thống có nhiệt độ thay đổi rất chậm,hoặc sử dụng cho báo động nhiệt độ

3.2 Lưu đồ thuật toán

Hình 3 lưu đồ thuật toán

3.3 Các khối thực tế :

Bộ điều khiển autonics Tk 4s :

Cảm biến nhiệt độ Pt100:

Động cơ :

Đèn :