GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ 0 VÀ WỨNG DỤNG PLC S720INCC THỬ NGHIỆM TRÊN MÁY SẤY BƠM NHIỆT

Kết quả thu được: Thiết kế chế tạo bộ phận điều khiển tự động gồm các yếu tố: nhiệt độ được điều khiển tự động bằng PLC theo phương pháp điều khiển PID, mô hình giám sát trên Wincc và tốc độ gió được điều khiển thông qua biến tần Kết quả khảo nghiệm toàn bộ hệ thống hoạt động tương đối ổn định,nhiệt độ được điều khiển ở 42°C, sản phẩm sấy đã đạt được yêu cầu

GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ ỨNG DỤNG PLC S7-200

VÀ WINCC THỬ NGHIỆM TRÊN MÁY SẤY BƠM NHIỆT

Sinh viên thực hiên

• Ban chủ nhiệm Khoa Cơ Khí và Công Nghệ Trường ĐH Nông Lâm TPHCM.

• T.S Nguyễn Văn Hùng là giảng viên hướng dẫn đề tài đã tận tình giúp đỡ theo sát tôitrong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài

• Các anh tại Trung Tâm Năng Lượng đã tận tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thựchiện đề tài

• Tất cả các Thầy Cô bộ môn đã hết lòng truyền dạy các kiến thức cho tôi

Cuối lời, tôi kính dâng lên quý Thầy Cô, các anh và các bạn lời chúc sức khoẻ, thành công và lời cảm ơn chân thành nhất

Thành Phố Hồ Chí Minh, ngày tháng năm

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thành Tín

TÓM TẮT

Đề tài “giám sát và điều khiển nhiệt độ ứng dụng PLC S7 200 và Wincc thử nghiệm trên máy sấy bơm nhiệt” được tiến hành tại bộ môn cơ điện tử

Kết quả thu được:

Thiết kế chế tạo bộ phận điều khiển tự động gồm các yếu tố: nhiệt độ được điều khiển tự động bằng PLC theo phương pháp điều khiển PID, mô hình giám sát trên Wincc

và tốc độ gió được điều khiển thông qua biến tần

Kết quả khảo nghiệm toàn bộ hệ thống hoạt động tương đối ổn định,nhiệt độ được điều khiển ở 42°C, sản phẩm sấy đã đạt được yêu cầu

MỤC LỤC

TÓM TẮT iii

TÀI TIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC DANH SÁCH CÁC HÌNH Hinh 2-1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy sấy đa năng 3

Hình 2-2 Mô hình tổng quát của một PLC S7-200 6

Hình 2-3 Cấu trúc Module Analog EM235 10

Hình 2-4 Sơ đồ khối các ngõ vào ra của EM235 11

Hình 2-5 Dữ liệu chuyển đổi ADC trên module analog EM235 14

Hình 2-6 Nguyên lý cấu tạo cảm biến nhiệt điện trở PT100 16

Hình 2-7 Nguyên lý đo cảm biến nhiệt điện trở PT100 16

Hình 2-8 Đồ thị đường đặc tính của nhiệt điện trở pt100 17

Hình 2-9 Đồ thị bù giá trị nhiệt tương ứng cho từng đoạn của cảm biến PT100 18

Hình 3-1 Biểu đồ nhiệt độ tính toán rời rạc theo thời gian 23

Hình 4-1 Sơ đồ cấu tạo bộ phận điều khiển 27

Hình 4-2 Sơ đồ kết nối cảm biến và modul EM235 28

Hình 4-3 Giải thuật điều khiển nhiệt độ kiểu On-Off 29

Hình 4-4 Sơ đồ điều khiển kiểu On-Off 30

Hình 4-6 Lệnh vòng lặp PID 33

Hình 4-7 Sơ đồ điều khiển Thyristor 34

Hình 4-8 Giao diện trên PC Acess 35

Hình 4-9 Giao diện điều khiển nhiệt độ trên Wincc 36

Hình 4-10 Biểu đồ nhiệt độ sấy 37

Hình 4-11 Bảng giá trị nhiệt độ 37

Hình 4-12 Quy trình sấy khảo nghiệm 38

Hình 4-13 Đồ thị nhiệt độ buồng sấy của điều khiển On-Off 39

Khả năng giảm ẩm của gấc trong quá trình sấy 39

Hình 4-14 Đồ thị độ giảm ẩm của điều khiển On-Off 39

Hình 4-15 Đồ thị nhiệt độ buồng sấy của điều khiển PID 40

Hình 4-16 Đồ thị độ giảm ẩm của điều khiển PID 40

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2-1 Các công tắc định cấu hình cho mudule Analog EM235… 13

Bảng 2-2 Chế độ công tắc cho module analog EM235……… 25

Bảng 3-1 Đặc trưng của các bộ điều khiển P,I,D……… 19

Bảng 4-1 Số liệu khảo nghiệm của điều khiển On-Off……… 38

Bảng 4-2 Số liệu nhiệt độ: điều khiển nhiệt độ sấy 42°C……….39

Chương 1 MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề :

Sấy là một quá trình công nghệ được sử dụng trong rất nhiều ngành công nôngnghiệp Trong công nghiệp chế biến nông lâm, hải sản kỹ thuật sấy đóng vai trò đặc biệtquan trọng Việt Nam là nước có khí hậu nhiệt đới với gần 80% dân số làm nghề nông nêncác loại nông sản thực phẩm đa dạng, phong phú và có sản lượng rất lớn Vì vậy, nghiêncứu phát triển công nghệ sấy các loại nông sản thực phẩm có thể coi là nhiệm vụ chiếnlược trong sự nghiệp phát triển kinh tế Công nghệ sấy phát triển tạo ra các sản phẩm cógiá trị và chất lượng cao Một trong những công nghệ sấy đang được nhiều nước trên thếgiới nói chung và Việt Nam nói riêng quan tâm nghiên cứu là sấy bằng bơm nhiệt nén

Sấy bằng bơm nhiệt có nhiều ưu điểm như: quá trình sấy được thực hiện ở nhiệt độthấp, hiệu suất sử dụng năng lượng cao do cả nhiệt hiện và nhiệt ẩn của chất bay hơi đềuđược thu hồi, quá trình sấy hoàn toàn độc lập với điều kiện bên ngoài nên sản phẩm sấythu được có chất lượng cao, hình thức đẹp và giá thành vừa phải

Cụ thể, sản phẩm sấy quả gấc đem lại hiệu quả kinh tế cao gần đây Theo nghiêncứu của nhóm các nhà khoa học gồm GS.TS.BS Bùi Minh Đức, PGS.TS.BS NguyễnCông Khẩn - Viện dinh dưỡng Bộ y tế và ThS.BS Bùi Minh Thu - Viện quân y 354, trongcác loại rau quả cận nhiệt đới, chỉ có quả gấc Momordica cochinchinensis (Lour) Spreng,

họ Cucurbitaceae, được xem là có màu đỏ của lycopen và màu vàng của bêta caroten vớihàm lượng cao gấp nhiều lần các thực phẩm đang được sử dụng phổ biến trên thế giới.Thành phần màng đỏ của hạt quả gấc chín gồm có (g%): nước 77, protein 2,1, lipid 7,9,glucid 10,5, xơ 1,8 và muối khoáng 0,7, bêta caroten 0,046, lycopen 0,038

Khi sấy khô 60 - 700C, có thành phần (g%): nước 7,1, protein 9, glucid 40,4, lipid27,8, xơ 12,1 và muối khoáng 3,6; thành phần vi lượng (mg%): carotenoid (tổng số) 356,bêta caroten trên 26,5, alpha tocopherol 490,5, lycopen 304 Đã có nhiều công trình

nghiên cứu trong nước và quốc tế công nhận chứng minh giá trị của quả gấc Các kết quảnày cũng đã được công bố tại nhiều hội nghị khoa học trong và ngoài nước Qua phân tíchcho thấy, quả gấc của Việt Nam được xem là thực phẩm duy nhất chứa khá đầy đủ thànhphần các chất chống oxy hóa với hàm lượng đặc biệt cao Vì thế tại nhiều hội nghị quốc tếthực phẩm các báo cáo tham dự và giới thiệu về thành phần dinh dưỡng, giá trị sinh họcthực phẩm chức năng cùng sản phẩm chế biến từ quả gấc, bột màng đỏ hạt gấc, mứt gấc,bánh kem xốp, sữa chua, kẹo gấc đã được nhiều đại biểu quốc tế quan tâm.

Vì thế, với điều kiện thuận lợi của nước ta, máy sấy gấc là rất mới ,cần thiết và có

ý nghĩa quan trọng cho việc phát triển kinh tế,đặc biệt là kinh tế nông nghiêp.Do đó, vớimong muốn ứng dụng kiến thức đã học vào thực tế,được sự cho phép của ban chủ nhiệmKhoa Cơ khí -Công nghệ và dưới sự hướng dẫn trực tiếp của thầy Tiến sĩ Nguyễn VănHùng thực hiện đề tài : Giám sát và điều khiển nhiệt độ ứng dụng PLC S7 200 và Winccthử nghiệm trên máy Sấy gấc

06, 10: Dàn ngưng ; 07: Van tiết lưu;08: Dàn bay hơi; 09: Khay nước dàn bay hơi ; 11:

Quạt;12: Van điện từ; 13: Máy nén; 14: Quạt giải nhiệt; 15: Van lấy gió tươi; 16: Van hồi lưu;17: Van xả khí sấy

2.1.2 Nguyên tắc hoạt đông:

- Sấy nhiệt độ cao (phương pháp sấy thông thường): Các van 12, 15, 17 mở; van

05, 16 đóng Tác nhân sấy (không khí) được quạt lấy từ môi trường dẫn qua van 12 qua

bộ phận cấp nhiệt phụ 4 và vào buồng sấy Không khí thoát được thải hoàn toàn ra ngoài

- Sấy bơm nhiệt: Các van 12, 15, 17 đóng; van 05, 16 mở Tác nhân sấy từ buồngsấy với ẩm độ cao được quạt đưa vào buồng hút ẩm Tại dàn lạnh, tác nhấn sấy với nhiệt

độ và ẩm độ cao được làm lạnh đẳng ẩm đến trạng thái bão hòa Không khí tiếp tục đượclàm lạnh, một phần hơi nước trong không khí ngưng tụ lại trên bề mặt dàn lạnh và đixuống khay nước, vào ống thoát ẩm ra ngoài Không khí ra khỏi dàn lạnh với ẩm độ vànhiệt độ thấp được gia nhiệt đẳng ẩm một phần tại dàn ngưng sau đó tiếp tục được gia

nhiệt đẳng ẩm tại buồng nhiệt đến nhiệt độ sấy yêu cầu Không khí với nhiệt độ cao, ẩm

độ rất thấp được đưa vào buồng sấy để thực hiện quá trình sấy Tại buồng sấy, do vật liệusấy có ẩm độ cao nên áp suất hơi nước trong vật liệu sấy lớn hơn áp suất hơi nước trongtác nhân sấy Nhờ có sự chênh áp này mà quá trình sấy được thực hiện nhưng ở nhiệt độthấp hơn so với phương pháp sấy sử dụng nhiệt thông thường Tác nhân sấy sau khi rakhỏi buồng sấy với nhiệt độ và ẩm độ cao được quạt đưa vào buồng lạnh tiếp tục thựchiện quá trình làm lạnh và giảm ẩm Chu trình thực hiện cho đến khi sản phẩm đạt được

ẩm độ theo yêu cầu

2.2.1 Giới thiệu PLC:

PLC viết tắt của Programmable Logic Controller , là thiết bị điều khiển lập trìnhđược (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông quamột ngôn ngữ lập trình Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các

sự kiện Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vàoPLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định thì hay các sự kiện được đếm Mộtkhi sự kiện được kích hoạt thật sự, nó bật ON hay OFF thiết bị điều khiển bên ngoài đượcgọi là thiết bị vật lý Một bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục “lặp” trong chương trình doMột bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục “lặp” trong chương trình do “người sử dụng lập ra”chờ tín hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ ra tại các thời điểm đã lập trình

Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối ( bộ điều khiển bằngRelay) người ta đã chế tạo ra bộ PLC nhằm thỏa mãn các yêu cầu sau :

♦ Lập trình dể dàng , ngôn ngữ lập trình dể học

♦ Gọn nhẹ, dể dàng bảo quản , sửa chữa

♦ Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp

♦ Hoàn toàn tin cậy trog môi trường công nghiệp

♦ Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như : máy tính , nối mạng , các môiModul mở rộng.

♦ Giá cả cá thể cạnh tranh được

Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay thế cho các phần cứng Relay dây nối và các Logicthời gian Tuy nhiên ,bên cạnh đó việc đòi hỏi tăng cường dung lượng nhớ và tính dểdàng cho PLC mà vẫn bảo đảm tốc độ xử lý cũng như giá cả … Chính điều này đã gây ra

sự quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC trong công nghiệp Các tập lệnh nhanh chóng

đi từ các lệnh logic đơn giản đến các lệnh đếm , định thời , thanh ghi dịch … sau đó làcác chức năng làm toán trên các máy lớn … Sự phát triển các máy tính dẫn đến các bộPLC có dung lượng lớn , số lượng I / O nhiều hơn

Trong PLC, phần cứng CPU và chương trình là đơn vị cơ bản cho quá trình điềukhiển hoặc xử lý hệ thống Chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện sẽ được xác địnhbởi một chương trình Chương trình này được nạp sẵn vào bộ nhớ của PLC, PLC sẽ thựchiện viêc điều khiển dựa vào chương trình này Như vậy nếu muốn thay đổi hay mở rộngchức năng của qui trình công nghệ , ta chỉ cần thay đổi chương trình bên trong bộ nhớ củaPLC

Việc thay đổi hay mở rộng chức năng sẽ được thực hiện một cách dể dàng mà khôngcần một sự can thiệp vật lý nào so với các bộ dây nối hay Relay Mô hình tổng quát PLCxem hình dưới:

Hình 2-2Mô hình tổng quát của một PLC S7-200

2.2.2 Câú trúc, nguyên lý hoạt động của PLC:

Tất cả các PLC đều có thành phần chính là :

- Một bộ nhớ chương trình RAM bên trong ( có thể mở rộng thêm một số bộnhớ ngoài EPROM )

- Một bộ vi xử lý có cổng giao tiếp dùng cho việc ghép nối với PLC

- Các Modul vào /ra

Bên cạnh đó, một bộ PLC hoàn chỉnh còn đi kèm thêm môt đơn vị lập trình bằngtay hay bằng máy tính Hầu hết các đơn vị lập trình đơn giản đều có đủ RAM để chứađựng chương trình dưới dạng hoàn thiện hay bổ sung Nếu đơn vị lập trình là đơn vị xáchtay , RAM thường là loại CMOS có pin dự phòng, chỉ khi nào chương trình đã đượckiểm tra và sẳn sàng sử dụng thì nó mới truyền sang bộ nhớ PLC Đối với các PLC lớnthường lập trình trên máy tính nhằm hổ trợ cho việc viết, đọc và kiểm tra chương trình Các đơn vị lập trình nối với PLC qua cổng RS232, RS422, RS458,

2.2.2.2. Nguyên lý hoạt động của PLC

 Đơn vị xử lý trung tâm:

CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra chươngtrình được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trong chương trình , sẽđóng hay ngắt các đầu ra Các trạng thái ngõ ra ấy được phát tới các thiết bị liên kết đểthực thi Và toàn bộ các hoạt động thực thi đó đều phụ thuộc vào chương trình điều khiểnđược giữ trong bộ nhớ.

 Hệ thống bus

Hệ thống Bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín hiệusong song :

- Address Bus : Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến các Modul khác nhau

- Data Bus : Bus dùng để truyền dữ liệu

- Control Bus : Bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thì và điểu khiểnđồng bộ các hoạt động trong PLC

Trong PLC các số liệu được trao đổi giữa bộ vi xử lý và các modul vào ra thôngqua Data Bus Address Bus và Data Bus gồm 8 đường, ở cùng thời điểm cho phép truyền

8 bit của 1 byte một cách đồng thời hay song song

Nếu môt modul đầu vào nhận được địa chỉ của nó trên Address Bus , nó sẽ chuyểntất cả trạnh thái đầu vào của nó vào Data Bus Nếu một địa chỉ byte của 8 đầu ra xuất hiệntrên Address Bus, modul đầu ra tương ứng sẽ nhận được dữ liệu từ Data bus Control Bus

sẽ chuyển các tín hiệu điều khiển vào theo dõi chu trình hoạt động của PLC

Các địa chỉ và số liệu được chuyển lên các Bus tương ứng trong một thời gian hạnchế

Hê thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O Bêncạch đó, CPU được cung cấp một xung Clock có tần số từ 1÷8 MHZ Xung này quyếtBên cạch đó, CPU được cung cấp một xung Clock có tần số từ 1÷8 MHZ

Xung này quyết định tốc độ hoạt động của PLC và cung cấp các yếu tố về định thời,đồng hồ của hệ thống

 Bộ nhớ

PLC thường yêu cầu bộ nhớ trong các trường hợp :

Làm bộ định thời cho các kênh trạng thái I/O

Làm bộ đệm trạng thái các chức năng trong PLC như định thời, đếm, ghi các Relay Mỗi lệnh của chương trình có một vị trí riêng trong bộ nhớ, tất cả mọi vị trí trong bộnhớ đều được đánh số, những số này chính là địa chỉ trong bộ nhớ

Địa chỉ của từng ô nhớ sẽ được trỏ đến bởi một bộ đếm địa chỉ ở bên trong bộ vi xử

lý Bộ vi xử lý sẽ giá trị trong bộ đếm này lên một trước khi xử lý lệnh tiếp theo Với mộtđịa chỉ mới , nội dung của ô nhớ tương ứng sẽ xuất hiện ở đấu ra, quá trình này được gọi

là quá trình đọc

Bộ nhớ bên trong PLC được tạo bỡi các vi mạch bán dẫn, mỗi vi mạch này có khảnăng chứa 2000 ÷ 16000 dòng lệnh , tùy theo loại vi mạch Trong PLC các bộ nhớ nhưRAM, EPROM đều được sử dụng

RAM (Random Access Memory ) có thể nạp chương trình, thay đổi hay xóa bỏ nộidung bất kỳ lúc nào Nội dung của RAM sẽ bị mất nếu nguồn điện nuôi bị mất Để tránhtình trạng này các PLC đều được trang bị một pin khô, có khả năng cung cấp năng lượng

dự trữ cho RAM từ vài tháng đến vài năm Trong thực tế RAM được dùng để khởi tạo vàkiểm tra chương trình Khuynh hướng hiện nay dùng CMOSRAM nhờ khả năng tiêu thụthấp và tuổi thọ lớn

EPROM (Electrically Programmable Read Only Memory) là bộ nhớ mà người sửdụng bình thường chỉ có thể đọc chứ không ghi nội dung vào được Nội dung củaEPROM không bị mất khi mất nguồn , nó được gắn sẵn trong máy , đã được nhà sản xuấtnạp và chứa hệ điều hành sẵn Nếu người sử dụng không muốn mở rộng bộ nhớ thì chỉdùng thêm EPROM gắn bên trong PLC Trên PG (Programer) có sẵn chổ ghi và xóaEPROM

Nội dung của EPROM không bị mất khi mất nguồn , nó được gắn sẵn trong máy , đãđược nhà sản xuất nạp và chứa hệ điều hành sẵn Nếu người sử dụng không muốn mở

rộng bộ nhớ thì chỉ dùng thêm EPROM gắn bên trong PLC Trên PG (Programer) cósẵn chổ ghi và xóa EPROM.

Môi trường ghi dữ liệu thứ ba là đĩa cứng hoạc đĩa mềm, được sử dụng trong máy lậptrình Đĩa cứng hoăc đĩa mềm có dung lượng lớn nên thường được dùng để lưu nhữngchương trình lớn trong một thời gian dài

Kích thước bộ nhớ :

♦ Các PLC loại nhỏ có thể chứa từ 300 ÷1000 dòng lệnh tùy vào công nghệ chế tạo

♦ Các PLC loại lớn có kích thước từ 1K ÷ 16K, có khả năng chứa từ 2000 ÷16000dòng lệnh

Ngoài ra còn cho phép gắn thêm bộ nhớ mở rộng như RAM , EPROM

Bộ xử lý đọc và xác định các trạng thái đầu vào (ON,OFF) để thực hiện việc đónghay ngắt mạch ở đầu ra

2.3 Giới thiệu Module Analog EM235 của PLC S7-200:

2.3.1 Cấu trúc Module Analog EM235:

Thể hiện như hình dưới:

Hình 2-3Cấu trúc Module Analog EM235EM235 :modul mở rộng 4 ngõ vào 1 ngõ ra analog cho PLC S7-200

Sơ đồ các khối ngõ vào ra:

Chọn ngõ vào

Hình 2-4 Sơ đồ khối các ngõ vào ra của EM235

2.3.2 Các thông số của module Analog EM235:

Đầu vào không sử dụng

Cấp nguồn 24 VDC

Tín hiệu ra

SW6: chọn điện áp và dòng vào có dấu hoặc không dấu; SW4, SW5: chọn hệ số khuyếch đại; SW3,2,1: chọn hệ số suy giảm.

Lưu ý rằng: Ngõ vào +/-10V & ngõ vào 0-10V là 2 ngõ vào khác nhau, vì nó ảnh hưởng đến cách mã hóa bên trong thanh ghi AIW Vậy nên, tuỳ theo loại cảm biến, cho ngõ ra là bao nhiêu, khi kết nối vào Module Analog, ta phải set cố định giá trị đó

Bảng 2-1 Các công tắc định cấu hình cho mudule Analog EM235

2.3.3 Một số thông số cần phải biết khi tính toán thiêt kế:

Thông số ngõ vào: tùy cảm biến

Thông số ngõ ra: +/-10V, 0-20mA

Độ phân giải: 12bit/V

Định dạng ngõ ra có dấu: +/-32,000 (lưỡng cực Bipolar)

Định dạng ngõ ra không dấu: 0-32,000 (đơn cực Unipolar

Giá trị chuyển đổi ADC 12 bit của từ đơn đối với tín hiệu vào có/không có dấu:

Hình 2-5Dữ liệu chuyển đổi ADC trên module analog EM235Tuỳ thuộc vào số kênh sử dụng trên module analog EM235 tương ứng với địa chỉđầu vào (từ đơn) phải sử dụng trong quá strình lập trình: AWI0_cho channel 1, AWI2_chochannel 2, AWI4_cho channel 3.

Module tiến hành đọc giá trị nhiệt điện trở được biến thành giá trị điện áp theo bậc.Đầu đầu ra analog được sử dụng như hằng số của nguồn dòng Dòng cung cấp cho Pt100

là 12.5 mA nguồn dòng

Với mạch này đầu vào là tuyến tính của 5mV/1°C Giá trị analog của đầu vào được

số hoá qua hệ thống biến đổi ADC và được đọc đều đặn theo chu kỳ Từ giá trị này,chương trình sẽ thực hiện tính toán và chuyển đổi theo công thức sau:

T[°C] = (Digital value - 0°C offset)/ 1°C value

Digital value: giá trị đầu vào analog đã được chuyển đổi 0°C offset: giá trị số,được đo ở 0°C; trong ví dụ này giá trị offset là 4000 1°C value: giá trị tương ứng với1°C, trong ví dụ này thì 1°C =16 Chương trình tính toán giá trị thập phân và ghi kết quảvào biến

VD: Ngõ ra cảm biến là 0-50mV Vậy khi kết nối vào module analog, trên moduleanalog, ta có 6 cái SW Ta phải gạt các SW này theo vị trí như trong bảng trên (gạtlên:ON;gạt,xuống:OFF)

Tại đây, ta đã cố định giá trị cho nó Khi đưa 1 cảm biến khác có ngõ vào 25mV, mà không chỉnh lại SW thì nó sẽ chỉ giải mã từ 0-25mV thôi Còn -25mV->0V sẽxem như = 0

+/-Cách đọc dữ liệu Analog:

+ Đơn cực: ngõ vào thay đổi 1 đơn vị, AIW thay đổi 8 đơn vị

+ Lưỡng cực: ngõ vào thay đổi 1 đơn vị, AIW thay đổi 16 đơn vị.

(cách trên là xét theo hệ thập phân)

VD: Nếu module analog được thiết lập đọc giá trị từ 0-50mV, độ phân giải 0.01V.Vậy:+ 50mV ứng với 32,000

+ 49.99V ứng với 31,992 (mất đi 8 đơn vị)

Định dạng ngõ vào của EM235:

Đối với Unipolar: ta có 12bit dữ liệu, bit 15 (MSB) là bit dấu và có giá trị luôn luôn =0 (giá trị này là thể hiện kết quả ngõ ra DƯƠNG) Đây là đơn cực, nên sẽ không có giá trị âm

Đối với Bipolar: ta cũng có 12bit dữ liệu, bit 15 (MSB) là bit dấu và có giá trị 0 hoặc 1 tùy theo dấu của đại lượng ngõ vào

Định dạng dữ liệu ngõ ra:

Ngõ ra dòng: dùng 11 bit, và bit dấu luôn = 0 (ko có dòng đi ngược vào module)

Ngõ ra áp: dùng 12 bit (1 bit dấu, 11 bit dữ liệu)

2.4 Giới thiệu cảm biến nhiệt điện trở PT100:

2.4.1 Nguyên lý, cấu tạo:

Thiết bị đo nhiệt độ Pt100 hay còn gọi là cảm biến nhiệt Pt có cấu tạo là một điện trở nhiệt (điện trở thay đổi khi nhiệt độ thay đổi).Điện trở này là một dây kim loại có bọc các đoạn sứ bao quanh toàn bộ dây kim loại.Phần bao bọc này lại được đặt trong một ống bảo vệ(thermowell) thường có dạng hình tròn,chỉ đưa 2 đầu dây kim loại ra để kết nối với thiết bị chuyển đổi.Phần ống bảo vệ sẽ được đặt ở nơi cần đo nhiệt độ,thông thường can nhiệt Pt100 chỉ đo được nhiệt độ tối đa là 600 độ C

Gồm 2 chất liệu khác nhau hàn dính vào 1 đầu,nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện đông thayđổi

Hai đầu dây kim loại để chừa ra ở phần ống bảo vệ được kết nối tới một thiết bị gọi là bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt thành tín hiệu điện phục vụ cho việc truyền tới phòng điều khiểngiám sát.Thiết bị chuyển đổi có cấu tạo chẳng qua là một cầu điện trở có một nhánh chính

là Pt100(có điện trở là 100 ôm ở 0 độ C)

Hình 2-6 Nguyên lý cấu tạo cảm biến nhiệt điện trở PT100

Chi tiết về nguyên lý đo xem trong hình vẽ minh họa:

Hình 2-7 Nguyên lý đo cảm biến nhiệt điện trở PT100

2.4.2 Tính toán hoạt động:

Đo điện trở shunt của Pt100 sử dụng ở ví dụ này là phù hợp trong giới hạn nhiệt độ

từ -200°C÷100°C Đường đặc tính của Pt100 xem bên dưới, nó không hoàn toàn tuyếntính Sai khác một ít so với đường thẳng, hầu hết sự sai lệch này đều nằm trong giới hạn

Hình 2-8 Đồ thị đường đặc tính của nhiệt điện trở pt100

Nhiệt độ trong giới hạn từ -200°C ÷ -130°C và từ 0°C ÷ 100°C.Nhiệt độ đo được

ít hơn giá trị thực tế một ít và phải bù thêm

Sự sai lệch về điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ , xem hình bên dưới Trong trường hợp này ta phân dãy nhiệt độ ra làm 30 đoạn, 10°C cho mỗi đoạn Nhờ đó ta mới tìm được giá trị độ lệch trung bình cho từng đoạn Kết quả độ lẹch trong 30 đoạn này sẽ được

sử dụng trong suốt quá trình "tuyến tính hoá" của chương trình bằng cách bù giá trị nhiệt

độ tương ứng cho từng đoạn

Kết quả độ lẹch trong 30 đoạn này sẽ được sử dụng trong suốt quá trình "tuyến tínhhoá" của chương trình bằng cách bù giá trị nhiệt độ tương ứng cho từng đoạn:

Hình 2-9 Đồ thị bù giá trị nhiệt tương ứng cho từng đoạn của cảm biến PT100

Điện trở thay đổi 0.4 Ω tương ứng với nhiệt độ thay đổi 1°C Giá trị bù có thể chuyển đổi sang °C và có thể đưa trực tiếp vào chương trình tính toán nhiệt độ

Trong suốt quá trình thiết lập, giá trị hiệu chỉnh được lưu lại trong vùng nhớ đệm

và sau đó chương trình sẽ thêm vào trong giá trị nhiệt độ đo được Giá trị điện trở đô đượccủa Pt100 ở 0°C là 100Ω Điện trở thay đổi tuuyến tính theo nhiệt độ theo hệ số 0.4Ω/°C.Nguồn nuôi cung cấp cho cảm biến phải là nguồn dòng ổn định 2.5mA

Dãy điện áp lựa chọn từ 0V ÷ 1V, trong đó độ phân dải là 10µA/đơn vị Như vậy 2.5mA được quy đổi thành 250 đơn vị Chọn giá trị ngưỡng thấp tương ứng với 2.5mA là

4000, từ phương trình biến đổi sau: (32000*2.5mA)/20mA = 4000

Lựa chọn điện áp trong giới hạn từ 0V ÷ 1V bằng cách lựa chọn các công tắc cho

module analog EM235 theo các chế độ như sau:

Bảng 2-2 Chế độ công tắc cho module analog EM235

Switch: 1 3 5 7 9 11

ON OFF ON OFF ON OFF

2.5 Giới thiệu phần mềm Wincc6.0:

- WinCC (Windows Control Center) là phần mềm tích hợp giao diện người máyIHMI (Intergrate Human Machine Interface) đầu tiên cho phép kết hợp phần mềm điềukhiển với quá trình tự động hoá Những thành phần dễ sử dụngcủa WinCC giúp tích hợpnhững ứng dụng mới hoạc có sẵn mà không gặp bất kỳ trở ngại nào

- Đặc biệt với WinCC, người sử dụng có thể tạo ra một giao diện điều khiển giúpquan sát mọi hoạt động của quá trình tự động hoá một cách dễ dàng

- Phần mềm này có thể trao đổi trực tiếp với nhiều loại PLC của các hãng khácnhau như: SIEMENS, MITSUBISHI, ALLEN BRADLEY, , nhưng nó truyền thông rấttốt với PLC của hãng SIEMENS Nó dược cài đặt trên máy và tính giao tiếp với PLCthông qua cổng COM1 hoặc COM2 (chuẩn RS-232) của máy tính Do đó, cần phải cómột bộ chuyển đổi từ chuẩn RS-232 sang chuẩn RS-485 của PLC

- WinCC còn có đặc điểm là đặc tính mở Nó có thể sử dụng một cách dễ dàng vớicác phần mềm chuẩn và phần mềm của người sử dụng, tạo nên giao diện người-máy đáp ứng nhu càu thực tế một cách chính xác Những nhà cung cấp hệ thống có thể

phát triển ứng dụng của họ thông qua giao diện mở của WinCC như một nền tảng để mởrộng hệ thống

Ngoài khả ngăng thích ứng cho việc xây dựng các hệ thống có qui mô lớn nhỏkhác nhau, WinCC còn có thể dễ dàng tích hợp với những hệ thống cấp cao như MES(Manufacturing Excution System - Hệ thống quản lý việc thực hiện sản suất) và ERP(Enterprise Resourse Planning) WinCC cũng có thể sử dụng trên cơ sở qui mô toàn cầunhờ hệ thống trợ giúp của SIEMENS có mặt trên khắp thế giới

Kết nối với S7-200

Có 2 cách thông thường không phải thêm bất kì phần cứng nào để kết nối s7-200 với WINCC: qua MODBUS hay qua OPC (PCa hay Kep, )

-S7-200 với WINCC qua MODBUS:

Với cách này bạn cần phải config S7-200 về MODBUS slave Thư viện trong microwin

hỗ trợ MODBUS slave Chỉ việc add vào và lập trình trong MICROWIN theo Help Trong WINCC V5 thì vào tag management, Add modbus serial vào và sử dụng như các driver khác.

-Qua OPC:

Với cách này bạn không kết nối trực tiếp S7-200 mà qua OPC Ví dụ như PCa,

KEPWARE,S7200 OPC, Cách này rất dễ làm chỉ cần cài OPC (PCa, KEPWARE,S7200OPC, ) Trong WinCC tag management, Add OPC vào và sử dụng nó để kết nối với S7-

200 Với cách này bạn có thể sử dụng WINCC với bất kỳPLC nào của các hãng khác với điều kiện là có OPC hỗ trợ loại PLC đó

* Với cách thứ nhất có ưu điểm là ko phải cần thêm phần mềm nào khác (OPC) nhưng nhược điểm là phải viết lệnh trong MICROWIN tốc độ kết nối thấp ( do tôi đã test với số tag ít thì không phát hiện nhưng số tag tăng lên tốc độ giảm nhanh chóng)

* Với cách thứ hai có ưu điểm tốc độ kết nối tốt không phải thêm bất kỳ dòng lệnh nào trong PLC nhược điểm là phải cài thêm phần mềm OPC

Phần mềm PC Acess kết nối Wincc với PLC: do S7-200 không có driver sẵn trong

Wincc do vậy để liên kết S7-200 với phần mềm Wincc ta phải cài đặt driver cho nó,driver

đó là phần mềm PC Acess

Chương 3 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN

CỨU

3.1 Nội dung nghiên cứu:

 Khảo sát, tìm hiểu các thông số lam việc của máy sấy bơm nhiệt hiện có

 Nghiên cứu điều khiển tự động hệ thống máy sấy ứng dụng Plc S7-200 và giao diện điều khiển trên Wincc

3.2 Phương pháp nghiên cứu:

 Nghiên cứu tìm hiểu công nghệ sản xuất hiện tại đã có

 Tham khảo tài liệu, sách báo và thông tin trên internet

 Tiến hành thí nghiệm với điều kiện có được

 Trực tiếp tham khảo ý kiến từ bạn bè, giáo viên và ngươi hướng dẫn

3.3 Phương tiện thực hiện:

3.3.1 Thiết bị phần cứng:

 Máy sấy bơm nhiệt

 Cảm biến nhiệt độ PT100, rơle

3.3.2 Thiết bị điều khiển:

 Tìm hiểu lập trình PLC nhân tín hiệu từ cảm biến PT100

 Nghiên cứu lập trình PID mềm trên PLC

 Cách thức giao tiếp Wincc và PLC thông qua lập trình

3.4.2 Phương pháp điều khiển PID:

Thực tế các phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID dùng quỹ đạo nghiệm số, giản

đồ Bode hay phương pháp giải tích rất ít được sử dụng do việc khó khăn trong xây dựnghàm truyền đối tượng

Phương pháp phổ biến nhất để chọn tham số PID thương mại hiện nay là phươngpháp Ziegler-Nichols

Bộ điều khiển PID có hàm truyền liên tục như sau:

Do nguyên lý hoạt động của máy sấy bơm nhiệt với chu trình kín nên ta cho

phương pháp là điều khiển kín

Phương pháp thực nghiệm: tính toán rời rạc hóa trong miền thời gian

Trong miền thời gian, bộ điều khiển PID được mô tả bằng mô hình vào

ra:

trong đó e(t) là tín hiệu ngõ vào, u(t) là tín hiệu ngõ ra của bộ điều khiển

Tuy nhiên,việc tính toán các thành phần P,I,D nói cách khác là tính các tích phân hay đạo hàm trong côngthức trên là không thực hiện được Lý do: CPU không thể tính toán chính xác tới mức Δ t =0, nghĩa là không liên tục

Do đó, ta chỉ có thể tính toán gần đúng bằng cách ta cho Δ t= ε rất nhỏ nhưng lớn hơn 0

Để tìm hệ thức PID rời rạc ,ta xét đồ thị sau đây:

Hình 3-1 Biểu đồ nhiệt độ tính toán rời rạc theo thời gian

Chú thích: ‐ đường chấm gạch biểu diễn nhiệt độ cần thiết T_set

‐ đường gạch gạch biểu diễn nhiệt độ thực tế của động cơ

‐ đường gạch đậm là đồ thị rời rạc hóa của vận tốc động cơ

‐ Δt là thời gian lấy mẫu

Tính toán:

Thành phần tích phân:

e(t) dt = lim Δt ‐‐> 0 ( Σ e(t) Δt ) Do đó khi lấy gần đúng Δt = ε >0, ta có:

T(°C)