ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM BẰNG PID CHO MÁY SẤY NGANG DÒNG DÙNG PLC S71200

Kết quả thu được: Mạch công suất để điều khiển các cặp điện trở kết hợp với lập trình sử dụng hàm PID để điều khiển nhiệt độ và độ ẩm một cách tự động, nhanh chóng, chính xác hơn chế độ ONOFF khi độ vột lố nhiệt độ từ 10C đến 20C. Giao diện WinCC để giao tiếp với người điều khiển dễ dàng hơn thông qua các nút nhấn để hiển thị độ ẩm và nhiệt độ, giám sát quá trình điều khiển nhiệt độ. Bộ giám sát nhiệt độ buồng sấy hiển thị lên LCD.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM BẰNG PID CHO MÁY

SẤY NGANG DÒNG DÙNG PLC S7-1200

Họ Và Tên Sinh Viên: HUỲNH CÔNG CHÍNH

NGUYỄN NHẬT KING Ngành: CƠ ĐIỆN TỬ

Niên khóa: 2013-2017

Tháng 06/2017

ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM BẰNG PID CHO MÁY SẤY

NGANG DÒNG DÙNG PLC S7-1200

Tác giả

HUỲNH CÔNG CHÍNHNGUYỄN NHẬT KING

Khóa luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu

cấp bằng Kỹ sư ngành

Cơ điện tử

Giảng viên hướng dẫnTh.s NGUYỄN ĐĂNG KHOA

Tháng 06 năm 2017

CẢM TẠ

Để hoàn thành Khóa Luận Tốt Nghiệp này nhóm đã nhận đượcrất nhiều sự hỗ trợ, sự động viên cũng như sự giúp đỡ từ quý Thầy cô

và bạn bè Nhóm xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến với:

Quý Thầy cô trường Đại Học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh,đặc biệt là các thầy cô trong Bộ môn cơ điện tử đã truyền đạt cho tôirất nhiều kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong suốt quá trình họctập tại trường

Thầy Nguyễn Đăng Khoa đã hướng dẫn, động viên và chỉ dẫntận tình trong suốt quá trình thực hiện đề tài Tập thể lớp DH13CD đãgiúp đỡ, hỗ trợ và chia sẻ trong suốt thời gian học tập và thực hiện

đề tài

Xin chân thành cảm ơn!

Thành phố Hồ Chí Minh, Tháng 06 năm 2017

Sinh viên thực hiệnHUỲNH CÔNG CHÍNHNGUYỄN NHẬT KING

TÓM TẮT

Đề tài: “ Điều khiển nhiệt độ, độ ẩm bằng PID cho máy sấy

ngang dòng dùng PLC S7-1200 ” được thực hiện tại trung tâm máy

nông nghiệp với máy sáy ngang dòng MST-ND_300-2i, thời gian từgiữa tháng 02/2016 đến cuối tháng 06/2016 Nhóm sẽ tiến hànhkhảo sát tháp sấy ngang dòng có đảo hạt; đồng thời, nghiên cứu vàtiến hành thiết kế bộ hệ thống điều khiển nhiệt độ bằng PID dùngcho PLC S7-1200 cho tháp sấy

Kết quả thu được: Mạch công suất để điều khiển các cặp điệntrở kết hợp với lập trình sử dụng hàm PID để điều khiển nhiệt độ và

độ ẩm một cách tự động, nhanh chóng, chính xác hơn chế độ OFF khi độ vột lố nhiệt độ từ 10C đến 20C Giao diện WinCC để giaotiếp với người điều khiển dễ dàng hơn thông qua các nút nhấn đểhiển thị độ ẩm và nhiệt độ, giám sát quá trình điều khiển nhiệt độ

ON-Bộ giám sát nhiệt độ buồng sấy hiển thị lên LCD

MỤC LỤC

Trang

DANH SÁC CÁC HÌNH

Trang

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Trang

vị thế của mình bởi về số lượng lẫn chất lượng gạo Mà những vấn đề

đó được giải thích bởi rất nhiều lý do khác nhau nhưng nguyên nhânchính vẫn là xuất phát điểm từ khâu sản xuất, thu hoạch, chế biến

và bảo quản Khâu sản xuất chiếm phần trăm cao nhất, quyết địnhchiếm khoảng 90% chất lượng gạo, khâu thu hoạch khoảng 75%,khâu bảo quản 13% -15% và xay xát chiếm 100% Thế nhưng, côngđoạn ở giữa, khâu sấy lại chiếm tỷ lệ rất thấp, chỉ khoảng 38,7%, nócũng là một khâu then chốt Chính việc ít chú trọng khâu then chốtnày gây tổn thất lớn, ảnh hưởng đến chất lượng hạt gạo

Yêu cầu chất lượng hạt lúa ngày càng cao thì việc đẩy mạnhđầu tư lò sấy lúa theo công nghệ hiện đại là rất cần thiết, nhằmhướng đến một nền sản xuất nông nghiệp bền vững Với ưu thế, cả

về vị trí địa lí đó là lắp đặt lò sấy trong nhà xưởng đảm bảo tránhđược bất lợi thời tiết và sản lượng; tiếp theo đó, công nghệ sấy hiệnđại đảm bảo được độ ẩm và độ đều về độ ẩm

Các dòng cải tiến từ các máy sấy liên tục ra đời như máy sấy vỉngang có đảo chiều, máy sấy tháp tròn, máy sấy tầng sôi,…

Với ưu thế kiểm soát nhiệt độ trong quá trình sấy và đồng nhất

ẩm độ lúa sau sấy, giảm tiếng ồn, giảm bụi, tăng chất lượng gạo và

tỷ lệ gạo nguyên, thời gian tồn trữ lâu (trên 6 tháng) và diện tích xâydựng nhỏ… nên hình thức sấy tháp được ưu chuộng hiện nay

Hình 1.1: Máy sấy tháp vĩ ngang có đảo chiều

Hình 1.2: Máy sấy tháp

1 Máy sấy tầng sôi 2 Máy sấy tháp trònTuy nhiên, việc một số máy sấy tháp điều khiển theo kiểu ON-OFF thủ công tốn thời gian sấy lâu, kết quả điều chỉnh nhiệt độ thiếuchính xác, sai lệch độ ẩm cao, quá trình giám sát nhiệt độ trong suốtquá trình sấy không liên tục, độ ẩm đầu ra của hạt lúa không đạt yêucầu do quá trình điều chỉnh còn phụ thuộc vào người trực tiếp điềuchỉnh dẫn đến hao hụt về số lượng và chất lượng cũng giảm theo

Hiểu được tầm quan trọng của việc điều khiển, giám sát nhiệt

độ (ºC ) của máy sấy tháp trong quá trình sấy nên nhóm đã chọn đề

tài “ Điều khiển nhiệt độ, độ ẩm bằng PID cho máy sấy

ngang dòng dùng PLC s7-1200 ” với tính năng tự động đọc giá trị

và điều chỉnh nhiệt độ chính xác trên giao diện điều khiển winCC của

phần mềm TIA PORTAL, đáp ứng nhiệt đưa vào các buồng sấy phùhợp với từng loại nông sản.

1.2 Mục tiêu

• Khảo sát máy ngang dòng MST - ND_300 - 2i có đảo chiều hạt

để tìm ra các thông số cần điều khiển khi máy hoạt động

• Thiết kế tủ điều khiển nhiệt độ bằng PID dùng PLC S7-1200 đểđiều khiển nhiệt độ với độ sai số hợp lí

o Mạch công suất sử dụng Triac để kích đóng ngắt, điềukhiển các cặp điện trở

o Mạch Driver giao tiếp giữa ngõ ra analog của PLC với bộphân cơ cấu chấp hành để điều khiển nhiệt độ

o Lập trình hàm PID để xử lý tín hiệu nhận được từ modulechuyển tín hiệu

o Hiển thị và giám sát hoạt động của máy lên WinCC thôngqua giao tiếp giữa PLC và máy tính

o Thiết kế thêm hộp giám sát nhiệt độ để hỗ trợ cho việcquan sát nhiệt độ hai buồng sấy

• Thiết kế bộ gia nhiệt gồm sáu cặp điện trở ( 5 cặp 1 kW và 1cặp 2 kW)

• Sản phẩm của để tài được ứng dụng :

o Thay thế chế độ điều khiển nhiệt độ theo phương phápthủ công với kiểu điều khiển ON-OFF trong máy sấy thápngang dòng MST - ND_300 – 2i của trường Đại Học NôngLâm Thành Phố Hồ Chí Minh

Chương 2

TỔNG QUAN

2.1 Khảo sát máy sấy tháp trong và ngoài nước

Sấy là quá trình trao đổi nhiệt và ẩm, dẫn đến loại bỏ một phầnnước và độ ẩm ra khỏi vật liệu sấy bằng phương pháp sấy nóng vàsấy lạnh

Quá trình sấy không đơn thuần chỉ là quá trình tách nước và hơinước ra khỏi vật liệu mà là một quá trình công nghệ Nó đòi hỏi saukhi sấy vật liệu sấy phải đảm bảo chất lượng cao, tiêu tốn nănglượng ít, chi phí vận hành thấp và đảm bảo tỉ lệ nứt gãy khi say xát làthấp nhất

Tháp máy sấy tháp chứa gồm các tầng ghép lại với nhau theochiều cao, tăng sức chứa hạt, giảm diện tích lắp đặt, tăng khả năngtiếp xúc không khí sấy với hạt Đồng thời do có cơ cấu tháo liệu dạngtrục rải nên độ giảm ẩm của khối hạt như nhau

2.1.1 Máy sấy tháp SUNSAY 20 tấn, xuất sứ Hàn Quốc, mã HSD - 200HFO 2.1.1.1 Thông số cơ bản của máy sấy tháp SUNSAY

o Lò đốt trấu gián tiếp HSHF- 25 S tự động

o Van điều chỉnh áp suất gió, bộ tự động điều khiển nhiệt, namchâm tách từ, bộ đếm và hiển thị thời gian, cảnh báo sự cố,

hệ thống hiển thị, cảm biến đầy, bộ tự động dò tìm ẩm độ, bộngăn ngừa nguy cơ cháy.

Hình 2.1: Máy sấy tháp SUNSAY 20 tấn

1 Quạt Turbo 2 Hệ thống sàn

3 Gầu tải 4 Ống dẫn tác nhân sấy

2.1.2 Mấy sấy tháp tròn công ty cổ phần cơ khí An Giang

2.1.2.1 Nguyên lý hoạt động của Máy sấy tròn

Nhiệt được cung cấp từ lò đốt được quạt ly tâm hút và đẩy trựctiếp vào buồng sấy bao gồm phần đáy bin và ống gió hình trụ phíatrong Từ đây khí sấy được phân bố đều xuyên qua lớp liệu thoát rangoài Trong quá trình trao đổi, đối lưu giữa vật sấy và tác nhân sấydưới áp lực của quạt khí nóng liên tục xuyên qua lớp vật liệu sấymang hơi ẩm ra ngoài Khi sấy ẩm độ của hạt giảm dần từ trong rangoài và khi lớp hạt ngoài cùng đạt ẩm độ yêu cầu thì quá trình sấykết thúc

2.1.2.2 Thông số kỹ thuật :

o Năng suất: 20 tấn/mẻ

o Với ẩm độ đầu vào là 25% sấy xuống 15%, thời gian sấy làkhoảng 10 giờ/mẻ.

o Tốc độ giảm ẩm từ 0,7 – 1% ( cho lúa)

o Quạt li tâm động cơ 18.5 kW

o Lò đốt : than hoặc củi trấu

o Gầu tải : năng suất 20 tấn/Giờ

o Công suất điện : 22.5 kW

o Nạp nguyên liệu : 60 – 65 phút

o Xả nguyên liệu : 50 – 55 phút

Hình 2.2: Máy sấy tháp tròn 20 tấn

3 Đáy bin 4 Quạt ly tâm5.Lò đốt

2.1.3 Khảo sát máy sấy tháp ngang dòng có đảo hạt MST - ND_300 -2i

2.1.3.1 Bản vẽ sơ đồ cấu tạo máy sấy tháp ngang dòng ND_300- 2i

MSTThông qua quá trình khảo sát máy sấy tháp ngang dòng MST ND_300 - 2i tại trung tâm máy nông nghiệp Đại Học Nông Lâm thành

-Phố Hồ Chí Minh nhóm đã xây dựng lại hệ thống cấu tạo của máyqua sơ đồ Hình 2.3.

Hình 2.3: Bản vẽ tháp sấy ngang dòng

1 Quạt ly tâm 6 Buồng sấy 1

2 Ống dẫn gió 7 Buồng chứa nguyên liệusấy

3 Bộ điều chỉnh nhiệt độ 8 Gầu tải

4 Ống dẫn tác nhân sấy 9 Trục tải lúa ra

5 Buồng sấy 2 10 Đế tháp sấy

2.1.3.1.2 Thông tin một số linh kiện của máy sấy

o Lưu lượng:3000-

Hình 2.4: Quạt ly tâm của máy sấy ngang dòng

1.Cửa hút 3 Quạt ly tâm lồng sốc

• Bộ điều khiển nhiệt độ :

Hộp điều khiển chứa sáu cặp điện trở được sắp xếp theo chiềusong song, có chức năng cung cấp hơi nóng từ những cặp điện trởtỏa ra khi được đốt nóng bằng điện 220V, hoạt động theo kiểu ON-OFF thông qua công tắc; ngoài ra, còn có thêm một nút vặn tùychỉnh một cặp điện trở Lượng hơi nóng này kết hợp với bơm ly tâmđược đẩy vào trong các buồng sấy

Hình 2.5: Bộ điều khiển nhiệt độ

Bộ điều khiển nhiệt độ gồm : 6 công tắc điều khiển cặp điện trởtương ứng ( 1 ) và nút vặn thay đổi công suất ( 2 )

• Ống dẫn tác nhân sấy : sử dụng ống PVC lắp vào hai miếng ốngtrái của tháp sấy để cung cấp hơi nóng khi tiến hành sấy

• Ốp trái : dẫn tác nhân sấy vào buồng sấy , chặn không cho lúarơi ngược vào ống dẫn tác nhân sấy

Hình 2.6: Ống dẫn gió được lắp vào Buồng Sấy 1, Buồng Sấy 2 và

bản vẽ mô phỏng

1 Hộp ốp phải 4 Ống dẫn tác nhân sấy vào buồngsấy 1

2 Buồng sấy 1 5 Buồng sấy 2

3 Hộp ốp trái 1 6 Ống dẫn tác nhân sấy vào buồngsấy 2

7 Hộp ốp trái 2

Hình 2.7: Hộp ốp trái

• Ốp phải : tăng diện tích buồng sấy, tăng sự trao đổi nhiệt giữa hạt lúa và tác nhân sấy

Hình 2.8: Hộp ốp phải

• Gầu tải: truyền nguyên liệu vào buống chứa của máy sấy khichuẩn bị sấy, máy đã sử dụng gầu tải với chức dẫn động củabăng tải nguyên liệu được di chuyển vào buồng chứa khi sấy

Hình 2.9: Gầu tải của tháp máy sấy ngang dòng

1 Gầu tải 2 Buồng chứa nguyên liệu

o Nguyên lý hoạt động gầu tải:

+ Kết cấu gầu tải bao gồm 2 rulô truyền động đặt trong 1khung cố định, rulô chủ động đặt ở trên, rulô bị động đặt ởdưới Giữa hai rulô này được liên kết với nhau bởi một sợidây gọi là dây gầu tải

+ Khi rulô chủ động quay làm cho dây băng tải chuyển độngtheo phương thẳng đứng nhờ lực ma sát giữa rulô và dâygầu tải tạo ra lực ma sát giữa rulô và dây gầu tải, khi dâygầu tải bị trùng thì ta điều chỉnh rulô bị động để dây băng

tải gầu căng ra tạo lực ma sát giữa dây băng tải gầu vàrulô Trên dây gầu có gắn các gầu múc thông qua bulongbắt gầu chuyên dụng.

+ Nguyên liệu được đổ vào gầu múc qua miệng nhận liệu củagầu tải Dây gầu tải chuyển động thẳng đứng sẽ đưa gầumúc có nguyên liệu chuyển động theo dây gầu tải khi gầumúc đến vị trí rulô chủ động thì đột ngột chuyển hướng từchuyển động thẳng sang chuyển động quay, khi đó sẽ tạo

ra lực ly tâm, lực ly tâm này sẽ làm cho nguyên liệu bịvăng ra khỏi gầu múc và đi ra khỏi hệ thống băng tải gầunăng qua cửa xả liệu

+ Gầu múc sau khi đã xả hết liệu tiếp tục được dây gầu tảiđưa về vị trí nhận liệu ban đầu và quy trình được lập lại.Dây gầu được làm từ cao su tổng hợp bên trong có bện cácsợi bố Dây gầu tải đòi hỏi phải bền, chắc, chịu mài mòn và

ma sát cao

• Buồng chứa nguyên liệu sấy : nguyên liệu sau khi được gầu tảitruyền vào sẽ được giữ lại ở buồng chứa; sau đó, nguyên liệu sẽđược di chuyển tiếp qua các buồng sấy trong quá trình sấy

• Buồng sấy 1: là khu vực mà nguyên liệu sẽ được đi qua đầutiên với lượng tán nhân sấy thổi vào nguyên liệu sẽ được sấylần đầu một bên

• Buồng sấy 2: sau khi nguyên liêu được sấy ở buồng sấy 1 sẽ được đảo vị trí để đi đến buồng sấy 2 thực hiện quá trình sấy bên còn lại Sau khi thực hiện sấy hoàn chỉnh nguyên liệu sẽ được đưa ra ngoài từ buồng sấy này

• Ống dẫn gió : dẫn lượng không khí được từ quạt ly tâm qua bộ điều chỉnh nhiệt độ

• Lưới chắn : Mỗi khe hở của than tháp ngay tại vị trí tiếp xúc với

ốp trái và ốp phải sẽ có các tấm lưới Ø3 để phân bố đều tácnhân sấy đi vào buồng sấy

• Đĩa xích : Motor sẽ truyền động và đĩa xích – xích sẽ dẫn độngđến trục tải lúa ra

• Trục tải lúa ra : lúa từ buồng sấy 2 sẽ được chuyển ra ngoài vớilưu lượng và tốc độ phụ thuộc vào tốc độ của motor truyềnđộng và hệ thống dẫn động đĩa xích - xích

Hình 2.11: Motor chuyển động cho trục tải lúa ra

o Bản vẽ mô phỏng các thiết bị của trục tải lúa ra:

Hình 2.12: Bản vẽ trục tải lúa ra

Hình 2.13: Trục tải lúa ra

1 Trục tải lúa ra 2 Đĩa xích dẫn động cho trục

3 Buống sấy 2 4 Lưới chắc giữa buồng sấy 2 và hộp

ốp phải

Hình 2.14: Bản vẽ lưới chắn

• Bản vẽ mô phỏng hệ thống máy sấy :

Hình 2.15: Bản vẽ mô phỏng máy sáy tháp ngang dòng MST

-ND_300 – 2i

2.1.3.3 Phương pháp điều khiển của máy sấy tháp ngang dòng MST - ND_300 -2i

Máy được hoạt động theo kiểu điều khiển ON-OFF với phần điềukhiển chính nằm ở bộ phần điều chỉnh nhiệt độ Gió sau khi được dẫnqua ống dẫn sẽ được gia nhiệt ở bộ phận điều chỉnh nhiệt độ nhờ quatrình đốt nóng các cặp điện trở ( 5 cặp 1 kW và 1 cặp 2kW, 1 nút vặn) tùy theo yêu cầu nhiệt độ ở mỗi thời điểm khác nhau Gió sau khiqua bộ gia nhiệt được gọi là tác nhân sấy, nó sẽ được dẫn qua hệthống ống dẫn tác nhân sấy để vào lần lượt 2 buồng sấy Đồng thời,gầu tải sẽ đưa nguyên liệu sấy vào buồng chứa, sau đó, sẽ đượcchảy vào lần lượt buồng sấy 1 và 2 rồi ra ngoài thông qua trục tảinguyên liệu ra Quá trình này sẽ lặp đi lặp lại đến khi lúa đạt được độ

ẩm yêu cầu

2.2 Tổng quan lý thuyết về điều khiển PID

2.2.1 Khái quát về PID

Bộ điều khiển PID là bộ điều khiển sử dụng kỹ thuật điều khiểntheo vòng lặp có hồi tiếp được sử dụng rộng rãi trong các hệ thốngđiều khiển tự động Một bộ điều khiển PID cố gắng hiệu chỉnh sailệch giữa tín hiệu ngõ ra và ngõ vào sau đó đưa ra một tín hiệu điềukhiển để điều chỉnh quá trình cho phù hợp

Hình 2.16: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vòng kín

Bộ điều khiển PID là một cơ chế điều khiển lặp hồi tiếp được sửdụng rộng rãi trong hệ thống điều khiển công nghiệp do dễ sử dụng.Một bộ điều khiển PID điều chỉnh giữa giá trị biến đo được và giá trị

mong muốn đạt được bằng cách tính toán và xuất ra một "tín hiệuđiều chỉnh" nhanh chóng để giữ cho sai lệch ở mức nhỏ nhất có thểđược.

Bộ điều khiển PID gồm 3 thông số riêng: Tỷ lệ, Tích phân và Viphân

Thành phần vi phân (Kd) làm tăng độ ổn định hệ thống, giảm

độ vọt lố và cải thiện tốc độ đáp ứng của hệ

Hình 2.17: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID

• Khi thiết kế bộ PID cần phải theo các bước sau để có kết quảnhư mong muốn:

o Tìm đáp ứng hệ hở và xác định thông số nào cần cảithiện

o Thêm thành phần Kp để cải thiện thời gian đáp ứng

o Thêm thành phần Kd để giảm độ vọt lố

o Thêm thành phần Ki để triệt tiêu sai số xác lập

o Điều chỉnh Kp, Ki, Kd cho đến khi đáp ứng các thông sốyêu cầu

2.2.2 Phương pháp xác định các thông số hàm PID

Bộ điều khiển PID đươc xác định trên hai phương pháp:

• Xác định được mô hình toán học của đối tượng, phải phù hợpvới đối tượng cũng như thỏa mãn yêu cầu của bài toán thiết kế

• Trong trường hợp không thể xác định được mô hình toán họccủa đối tượng, có thể tìm luật điều khiển cũng như các tham sốcủa bộ điều khiển thông qua thực nghiệm.Ziegler và Nichols đãđưa ra phương pháp xác định thông số tối ưu của bộ PID là dựa

trên đồ thị hàm quá độ của đối tượng hoặc dựa trên các giá trịtới hạn thu được qua thực nghiệm.

o Sử dụng hàm quá độ của đối tượng:

Phương pháp này còn có tên là phương pháp thứ nhất củaZiegler – Nichols Nó có nhiệm vụ xác định các thông số Kp , TN , TVcho các bộ điều khiển P, PI và PID trên cơ sở đối tượng có thể mô tảxấp xỉ bởi hàm truyền đạt dạng:

trong đó :

T là hằng số thời gian quán tính

K là hệ số khuếch đại

Tt là khoảng thời gian tín hiệu

Ba tham số Tt (thời gian trễ), K (hệ số khuếch đại) và T (hằng sốthời gian quán tính) của mô hình xấp xỉ có thể xác định được gầnđúng từ đồ thị hàm quá độ h(t) của đối tượng

Hình 2.18: Xác định tham số cho mô hình xấp xỉ bậc nhất có trễ

Như vậy điều kiện để áp dụng được phương pháp xấp xỉ môhình bậc nhất có trễ của đối tượng là đối tượng phải ổn định, không

có dao động và ít nhất hàm quá độ của nó phải có dạng chữ S Saukhi đã có các tham số cho mô hình xấp xỉ của đối tượng, ta chọn cácthông số của bộ điều khiển theo bảng sau :

Bảng 2.1: Tính toán thông số bộ điều khiển

o Sử dụng các giá trị tới hạn thu được từ thực nghiệm:

Trong trường hợp không thể xây dựng phương pháp mô hìnhcho đối tượng thì phương pháp thiết kế thích hợp là phương phápthực nghiệm Thực nghiệm chỉ có thể tiến hành nếu hệ thống đảmbảo điều kiện: khi đưa trạng thái làm việc của hệ đến biên giới ổnđịnh thì mọi giá trị của tín hiệu trong hệ thống điều phải nằm tronggiới hạn cho phép

Phương pháp này còn có tên là phương pháp thứ hai củaZiegler – Nichols Điều đặc biệt là phương pháp này không sử dụng

mô hình toán học của đối tượng điều khiển, ngay cả mô hình xấp xỉgần đúng

Các bước tiến hành như sau :

+ Trước tiên, sử dụng bộ P lắp vào hệ kín (hoặc dùng bộ PID

và chỉnh các thành phần KI và KD về giá trị 0) Khởi độngquá trình với hệ số khuếch đại KP thấp, sau đó tăng dần KPtới giá trị tới hạn Kgh để hệ kín ở chế độ giới hạn ổn định,tức là tín hiệu ra h(t) có dạng dao động điều hòa Xác địnhchu kỳ tới hạn Tgh của dao động

+ Xác định thông số của bộ điều khiển theo bảng sau :

Bảng 2.2: Xác định các thông số

Bộ điềukhiển

o Một vấn đề khác xảy ra đối với các bộ điều khiển PID đó làchúng tuyến tính và đối xứng từng phần Do đó, kết quả củacác bộ điều khiển PID trong các hệ phi tuyến thì khác nhau.Ví

dụ : trong điều khiển nhiệt độ, một trường hợp sử dụng phổbiến là nung nóng chủ động (qua một bộ nung) nhưng làmlạnh bị động (ngưng làm nóng, nhưng không làm lạnh) vì vậychỉ có thể loại trừ quá độ một cách chậm chạp - không thể épxuống cưỡng bức

o Một vấn đề với khâu vi phân là một lượng nhỏ đại lượng đolường hoặc xử lý nhiễu có thể gây ra các thay đổi lớn ở đầura

2.3 Tổng quan về khối hàm PID_Compact trong TIA Portal

Để đáp ứng được các điều kiện đặt ra khi thiết kế một hàm PIDdùng cho PLC S7-1200 nhóm đã sử dụng hàm PID_Compact đã đượcxậy dựng trong phần mềm TIA Portal, phẩn mềm dùng để lập trình

và kết nối điều khiển PLC S7-1200

Hình 2.19: Khối hàm PID_Compact

Khối hàm PID_Compact có chức năng cung cấp 1 bộ điều khiểnPID với khả năng tự điều chỉnh cho chế độ tự động hoặc bằng tay tùytheo nhu câu sử dụng

Bảng 2.3: Các thông số liên quan tới khối hàm

Setpoint IN Real Điểm đặt của bộ điều khiển PID

trong chế độ tự động.Giá trị mặc định:0.0

Input IN Real Process value Default value(Giá trị

mặc định): 0.0You must also set sPid_Cmpt.b_Input_PER_On = FALSE.Input_PER IN Word Giá trị xử lý analog(tùy chọn).Giá trị

mặc định: W#16#0

You must also set sPid_Cmpt.b_Input_PER_On = TRUE.ManualEnable IN Bool Cho phép hoặc không cho phép chế

độ vận hành bằng tay.Default value: FALSE

Trên cạnh của sự chuyển đổi từ FALSE sang TRUE,bộ điều khiển PID

chuyển sang chứ độ bằng tay,State=4 và sRet.i_Mode vẫn không đổi

Trên cạnh của sự thay đổi từ TRUE sang FALSE,bộ điều khiển PID chuyển tới chế độ vận hành cuối cùng và State = sRet.i_ModeManualValue IN Real Giá trị xử lí cho việc vận hành bằng

tay

Default value: 0.0Reset IN Bool Khởi động lại bộ điều khiển Default

value: FALSENếu Reset=TRUE,những điều sau

)

OUT Word Analog output value Default value:

W#16#0Output_PWM(

1)

OUT Bool Output value for pulse width

modulation Default value: FALSESetpointLimit_

H

OUT Bool Giới hạn trên của SP Default value:

FALSENếu SetpointLimit_H=TRUE,đạt đến

value: FALSESetpointLimit_

L

OUT Bool Giới hạn dưới của SP Default value:

FALSENếu SetpointLimit_H=TRUE,đạt đếngiới hạn dưới tuyệt đối của SP.Default value: FALSEInputWarning

_H

OUT Bool Nếu InputWarning_H = TRUE ,giá trị

xử lí(PV) đạt đến hay vượt mức giới hạn trên Default value: FALSE

InputWarning

_L

OUT Bool Nếu InputWarning_H = TRUE ,giá trị

xử lí(PV) đạt đến hay vượt mức giới hạn dưới Default value: FALSE

State OUT Int Chế độ vận hành hiện tại của bộ điều

khiển PID Default value: 0

Sử dụng sRet.i_Mode để chuyển chế độ

 State = 0: Inactive

 State = 1: Pretuning (điều chỉnh

sơ bộ)

 State = 2: Manual fine tuning

 State = 3: Automatic mode

 State = 4: Manual modeError OUT DWord Error message Default value:

DW#16#0000 (no error)

• Cách cấu hình và sử dụng bộ PID_Compact trong TIA Portal:

o Đầu tiên phải tạo một khối hàm ngắt chu kỳ OB30 đối vớiCPU 1211C vì bộ PID cần thời gian để thực thi

o Chọn Organization block(OB) → Cyclic interrupt → LAD →Cycle time 100→ OK Số thứ tự của OB được tự động đánh số

là OB30

o Lấy khối hàm PID_Compact : Chọn Extended instructions →PID → PID_Compact → OK

Hình 2.20: Chỉnh thời gian cập nhật hàm PID

Hình 2.21: Cách lấy hàm PID_Compact

o Trong khối OB30 nhập vào các biến khai báo (tùy thuộc vào ứngdụng để nhập đúng thông số) vào khối hàm PID theo nhu cầu

sử dụng Sau đó ấn vào biểu tượng trên khối PID_Compact

o Trong phần Basic parameters: ở phần input value -> input;output value -> ouput; Controllertype ->

Hình 2.22: Chọn thông số tương ứng trong phần Basic parameters

o Trong phần Advance settings chỉ cần quan tâm tới PIDparameter → PID parameters : với mỗi một hệ thống sẽ

có những thông số để hệ thống ổn định, ở đây chúng tachỉ đưa ra thông số gần đúng để chức năng auto turninghoạt động nhanh hơn, chúng ta cũng có thể để thông sốmặc định Thực hiện xong nhấn Save project để lưu lạithiết lập

o Nếu quá trình tự điều chỉnh không có lỗi xảy ra,các thông

số PID sẽ được điều chỉnh cho tối ưu Bộ điều khiển PIDchuyển sang chế độ tự động và sử dụng các thông sổ tối

ưu đó Các thông số tối ưu được lưu lại bằng cách nhấnnút (Upload PID parameters to project) Và mỗi khiPower ON lại PLC thì thông số này sẽ được sử dụng

2.4 Tổng quan một số linh kiện sử dụng trong đề tài

2.4.1 Thông tin cơ bản về PLC S7 -1200 CPU 1211C DC/DC/DC ( 1AE40-0XB0 )

6ES7211-2.4.1.1Thông số cấu tạo của CPU 1211C DC/DC/DC 1AE40-0XB0 )

(6ES7211-o DI : 24 VDC

o Kết nối FROFINET : chuẩn Ethernet và TCP/IP.

o Giới hạn nhiệt độ trong quá trình hoạt động : từ -20 °C đến

60 °C

o Tốc độ thực thi tính toán thực : 18 μs/lệnh

o Tốc độ thực thi Boolean : 0,1 μs/lệnh

o Ngôn ngữ lập trình :

+ Ladder Logic( LAD)

+ Function Block Diagram ( FBD)

+ Structured Control Language ( SCL)

• Sơ đồ nối dây

Hình 2.23: Sơ đồ nối dây PLC với nguồn 2.4.1.2 Moduel SB 1232 AQ-6ES7232-4HA30-0XB0 mở rộng với PLC S7-1200 :

o Board tín hiệu: Là một dạng module mở rộng tín hiệu vào/ravới số lượng tín hiệu ít, giúp tiết kiệm chi phí cho các ứngdụng yêu cầu mở rộng số lượng tín hiệu ít.

o Thông số cơ bản của Board :

+ 1 cổng tín hiệu ra analog 12 bit (0-10VDC, 0-20mA)

+ Giới hạn nhiệt độ trong quá trình hoạt động : 0 °C - 55 °C

+ Độ phân giải : V/12 bits, I/11 bit

Hình 2.24 : Moduel SB 1232 AQ-6ES7232-4HA30-0XB0

2.4.1.3 Phần mềm lập trình SIMATIC TIA Portal V13

Phần mềm cơ sở tích hợp tất cả các phần mềm lập trình chocác hệ tự động hóa và truyền động điện: PLC, HMI, Inverter củaSiemens

Được thiết kế với giao diện thân thiện người sử dụng với ngườidùng, từ hiệu chỉnh, thư viện, và bộ điều chỉnh logic cần thiết đếnứng dụng điều khiển

SIMATIC TIA Portal V13 cung cấp hai ngôn ngữ lập trình (LAD vàFBD), thích hợp và hiệu quả trong cải tiến lập trình điều khiển trongứng dụng Ngoài ra SIMATIC TIA Portal V13 còn cung cấp bộ công cụtạo và cấu hình thiết bị HMI

Phần mềm SIMATIC TIA Portal V13 chạy hệ điều hành Windows,phần mềm làm nhiệm vụ trung gian giữa người lập trình và PLC

Hình 2.25: Giao diện chính của phần mềm.

• Để tạo một project mới ta thực hiện theo các bước sau:

Từ giao diện chính của phần mềm: chọn Start / Create newproject / Create / Create a PLC program / Main

• Lúc này vùng soạn thảo chương trình dưới dạng Ladder hiện ra

(Hinh 3.14)

Hình 2.26:

Giao diệnsoạn thảochính

• Các thanh công cụ thường dùng :

o Chọn PLC ở chế độ STOP bằng cách từ menu chính chọnOnline / STOP (hình 3.15) hoặc click trái chuột lên biểu tượng trên thanh công cụ Lúc này trên giao diện xuất hiện hộpthoại thông báo xác nhận việc chọn PLC ở chế STOP, chọnyes

o Từ menu chính chọn Online / download to device hoặcclick trái chuột lên biểu tượng từ thanh công cụ đểnạp chương trình xuống PLC

2.4.2 IC TCA 785

TCA-785 được dùng để điều khiển các thiết bị chỉnh lưu như :thyristor, triacs và xung kích hoạt Có thể điểu chỉnh thay đổi góc α

từ 00 đến 1800 Vi mạch IC TCA-785 là một vi mạch phức hợp thựchiện được bốn chức năng của một mạch điều khiển : tạo điện ápđồng bộ, tạo điện áp răng cưa đồng bộ, so sánh và tạo xung ra

Hình 2.27: TCA 785 Bảng 2.4: Ký hiệu và chức năng các chân của TCA 785

Châ

n

Ký hiệu

quang là 1 doide phát quang dùng để phát ra ánh sáng kích cho cáccảm biến quang dẫn, còn cảm biến quang là triac

Hình 2.28: Sơ đồ chân MOC3020

o +5.0mA ≤ Iout ≤ Imax

o Khoảng nhiệt độ hoạt động : -40°C to +125°C

Hình 2.29 : LM7812 và kí hiệu chân Bảng 2.5 : Datasheet IC LM7812

2.2.5 Triac BTA-41 600B

Triac BTA41 - 600B là một linh kiện bán dẫn có ba cực năm lớp, làmviệc như 2 Thyristor mắc song song ngược chiều, có thể dẫn điện theo

Hình 2.30: Triac BTA-41 600B và sơ đồ chân Bảng 2.6: Thông số BTA-41 600B theo datasheet

• Thông số kỹ thuật:

o Điện áp cực đại: 600V

o Dòng điện thuận cực đại: 40A

o Điện áp điều khiển mở van: 1.5V

o Dòng điều khiển mở van: 50mA

o Nhiệt độ làm việc: -400¬C ~ 1250C

2.4.6 Vi điều khiển và LCD mở rộng

2.4.6.1 Board Arduino Uno R3

Arduino là bo mạch vi điều khiển mạch đơn được sử dụng đểtương tác với các thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn vàcác thiết bị khác Phần cứng bao gồm một bảng mạch điện tử, phầncứng dạng nguồn mở được thiết kế từ bộ vi xử lý 8 bit Atmel AVR,hoặc 32 bit Atmel ARM Phần mềm cho phần cứng này bao gồm mộttrình biên dịch ngôn ngữ lập trình chuẩn và một bộ nạp khởi động,

để có thể thực hiện các lệnh trên bộ vi điều khiển Các boardArduino hiện nay sử dụng phổ biến bao gồm: Arduino Nano, ArduinoUno, Arduino Mega, Arduino Pro Mini, Arduino Enthernet…

Phần này nhóm xin trình bày cấu trúc, thông số kỹ thuật, phầnmềm và ứng dụng của board Arduino Uno R3 được sử dụng trong đềtài

Hình 2.31: Board mạch Arduino Uno R3

• Một vài thông số cơ bản của Board Arduino Uno R3 :

o Điện áp hoạt động : 5 VDC ( đối với riêng cổng USB)

o Dòng điện tiêu thụ :30 mA

o Điện áp khuyên dùng : 7 VDC đến 12 VDC

o Chân Digital I/O : 14 ( 6 chân hardware PWM)

o Chân Analog : 6 ( độ phân giải 10bit)