Embed Size (px)
Citation preview
บทท1
บทน า
1.1 ความส าคญของปญหา
ปจจบนการประยกตใชอปกรณอเลกทรอนกสในกระบวนการควบคมอณหภมการท าความรอนส าหรบการหลอมชนงานเพอใหไดผลตภณฑโดยใหไดขนาดชนงานตามตองการ อาทเชน โรงงานอตสาหกรรม-ยานยนต ใชความรอนหลอม ชนงาน เชน ยางรถยนต,เครองยนต,ลอแมก และงานอนๆ อกมากมาย รวมถง การอบสตกเกอรดวย โดยมการใหความรอนกบแบบหรอแมพมพหลากหลายชนด ซงการควบคมความรอนโดยการสงผานความรอนไปยงวสดนนในอดตมระบบการควบคมซงใชอปกรณการควบคมแบบอนาลอก และยงไมสะดวกมากนกในการปรบเปลยนคาระดบควบคมการท างานไดสะดวกมากนก อกทงยงไมสามารถเชอมกบอปกรณคอมพวเตอร และมขนาดแผงวงจรทใหญโตดงนนจงน ามาส การใช ไมโครคอนโทรลเลอรมาชวยในการควบคมกระบวนการสงผานความรอนใหกบแบบงานหรอแมพมพ ดวยระบบโปรแกรมพไอด คอนโทรลเลอร มาใชในกระบวนการผลต ดงนนจงขอน าเสนอโครงงาน การควบคมเตาอบดวย ออดโน ไมโครคอนโทรลเลอรเพอน าไปประยกตใชกบงาน ควบคมเตาความรอนดวยระบบโปรแกรม พไอดคอนโทรลเพอการควบคมอณหภมใหเขาใกลอณหภมทตองการไดอยางแมนย ามากขนและมราคาทถกกวา ชดควบคมอณหภมฮตเตอร
1.2 วตถประสงคของโครงงาน
เพอสรางตวควบคมชดขบเคลอนความรอน เพอศกษาการออกแบบตวควบคมระบบ พไอดคอนโทรล ดวย ออดโน เพอศกษาแนวทางและวธการน าไปประยกตใชงานในกระบวนการผลต
2
1.3 ขอบเขตของโครงงาน
สรางตวควบคม เตาความรอนขนาด 1500 วตต
สรางชดขบเคลอน ดวยอเลกทรอนกสก าลง
ออกแบบตวควบคมเตาความรอนดวยพไอด คอนโทรลเลอร แบบ ซเกลอร-นโคลส เพอทดสอบการเปลยนระดบความรอน
ภาพท 1.1 ล าดบการท างานของการสรางโครงงาน
ชดตรวจจบ
ชดขบเคลอน
ชดตรวจจบ
ชดควบคม
ชดขบเคลอน
ชดควบคม
ขนตอนการด าเนนงาน
ออกแบบแบบ
สรางวงจร
ทดสอบวงจร
3
1.4 โครงสรางเตาอบ
ภาพท 1.2 เตาอบจรงทไดก าหนดในโครงงาน
1.5 ประโยชนของโครงงาน
เพอน าความรความสามารถไปใชในการปฎบตงานได ไดใชความรความในกระบวนการของ ออดโน ไมโครคอนโทรลเลอรอยางละเอยด สามารถน าไปประยกตใชงานเพอศกษา ออดโน ไมโครคอนโทรลเลอรในระบบ PID เพอ
ควบคมความรอน เชน อบใบชา อบสตอรเบอรร และอบชนงานชนสวนรถยนต
400 mm.
500 mm.
400 mm.
4
1.6 ทบทวนวรรณกรรม
ประชา เหลาอวยพร คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลธญบร ป
การศกษา 2554 น าเสนอ การพฒนาระบบควบคมอณหภมในเตาปลกผลกโดยใชแบบจ าลอง
ทางคณตศาสตร เปนการสรางเตาเผาเพอไลระดบความรอนอยางชาๆ โดยการควบคมอณหภม
ใหคงท โดยการน า ไมโครคอนโทรลเลอร MCS51 เปนตวควบคมการเคลอนท และใชสเตปปง
มอเตอรเปนตนก าลง ควบคมอณหภมดวยระบบ พไอด
Smarajit Ghosh Assistant Professor Department of Electrical and Electronics Engineering
,2012“Control Systems Theory and Applications” หนงสอประพนธโดยในเนอหามบทความ
และงานวจยทฤษฎการควบคม
5
บทท2
ทฤษฎทเกยวของ
2.1 ระบบความรอน
ในกระบวนการความรอนทวไประบบควบคมอณหภมทอยในตอบนนจะมการเกยวโยงของอณหภมดงแสดงในภาพท2.1
ภาพท 2.1 ระบบการท าความรอนเมอจายไฟฟาใหฮตเตอรท างานความรอนจากฮตเตอร
จะถถายเทความรอนไปยงเตาอบและชนงาน
R
TaTq
(2.1)
โดยท
คอ อณหภมความรอน
คอ อณหภมความรอนของระบบ
คอ อณหภมความภายนอกรอนของระบบ
จากสมการท 2.1 แสดงถงคาอณหภมความรอนเทากบอณหภมความรอนของระบบลบดวยอณหภมความรอนภายนอกของระบบหารดวยความตานทานความรอน
C1 r q T
Ta
6
2.2 ความตานทานความรอน
ความตานทานความรอน คอ การตานทานของความรอนในระบบในระหวางการสงผานความรอนดงแสดงในภาพท2.2
ภาพท 2.2 การสงผานความรอน T1 ส T2
ka
lR (2.2)
โดยท
คอ คาความตานทานความรอน
l คอ ระยะความยาวของวสดทสงผานความรอน
คอ พนทหนาตดของวสด
คอ คาความน าอณหภมความรอนของวสด
จากสมการท 2.2 อารเปนความตานทานความรอนเทากบระยะความยาวของวสดสงผานความรอนหารดวยคาความน าอณหภมความรอนของวสดและพนทหนาตด
7
2.3 ความจความรอน
ความจความรอน คอ อตราการสะสมอณหภมความรอนวสดโดยถาหากความรอนถกสะสมภายในโลหะหรอวสด ดงภาพท2.3 เมอT1สงผานความรอนไปยงตวชนงานเกดการสะสมอณหภมความรอนของวสด
ภาพท 2.3 ชนงานเกดการสะสมอณหภมความรอนของวสด
(ทเวลา เพมขน)
–
T อณหภมความรอนภายในระบบโดย คอ การสะสมความรอน
+
+
⁄
(2.3)
จากสมการท 2.3 แสดงถงฟงกชนการถายโอนของเตาอบทท าโครงงานโดยท แสดงเปนคาบเวลา(Time constant) K เปน Gain การขยาย
T1 T2 C
8
ภาพท 2.4 โครงสราง ตวควบคม พไอดทตอเขาในระบบแบบอนกรม
2.4 คณสมบตของตวควบคม
ในระบบควบคมมตวควบคมหลายชนด ตวควบคมสวนใหญทใชในการควบคมกระบวนการ เปน แบบ พไอดโดยตออนกรม กบระบบทตองการควบคม แสดงในภาพท 2.4สญญาณออกจากตวควบคม พไอดสามารถบรรยายไดดงน
ภาพท 2.5 ตวควบคม พไอดทตอเขาในระบบแบบอนกรม
โดย u(t) คอสญญาณควบคม e(t) คอคาความคลาดเคลอนของสญญาณออกจากคาก าหนด ตวควบคม พไอดประกอบไปดวยเทคนคการควบคมพนฐาน 3 แบบ แบบสดสวน (Proportional หรอ P) แบบอนทกรล (Integral หรอ I) และแบบอนพนธ (Derivative หรอ D) แตละแบบสามารถน ามาประกอบกนเพอใหไดตวควบคมทตองการ ตวควบคมมพารามเตอร 3 ตว คอ คาอตราขยายแบบสดสวน (Kp) คา integral time (Ti ) และ derivative time (Td) ซงรายละเอยดของแตละแบบ มดงน
R(s) C(s)
PID System
disturbance
measurement reference
9
Proportional, integral and derivative mode : PID Control แบบใชคาเกนรวมลกษณะการท างานกคอการท างานรวมกนของตวควบคมแบบสดสวน ตวควบคมแบบปรพนธและตวควบคมแบบอนพนธบลอกไดอะแกรมและฟงกชนการท างานเปนดงภาพท 2.4.1
ภาพท 2.6 ตวควบคมแบบพไอดแบบใชคาเกนรวม
การปรบคาเกนลกษณะการท างานกคอการท างานรวมกนของตวควบคมแบบสดสวน ตวควบคมแบบปรพนธและตวควบคมแบบอนพนธบลอกไดอะแกรมและฟงกชนการท างานเปนดงภาพท 2.4.2
ภาพท 2.7 ตวควบคมแบบพไอดแบบแยกการปรบคาเกน
ตวควบคมแบบพไอด เปนตวควบคมทพบบอยมากทสดในงานอตสาหกรรมทวไปเพราะเปนตวควบคมทใชงานงาย การปรบคาเกนอาศยหลกการทไมไดซบซอนมากนกกใหผลตอบสนองเปนทไดสามารถปรบแตงการควบคมไดงายเมอตองการ
10
ระบบควบคมแบบพไอดมตวควบคมยอย 3 ตว คอ
ตวควบคมแบบสดสวนหรอตวควบคมพ ตวควบคมแบบปรพนธหรอตวควบคมไอ ตวควบคมแบบปรพนธหรอตวควบคมด
ตารางท 1 ตารางสรปวธการปรบจนพารามเตอรตวควบคม PID
หมายเหต T0 คอ natural period และ K0 คอคาอตราการขยายทท าใหเกดการแกวงของสญญาณ
2.5 บอรดออดโนUNO R3 Development
จากการทออดโน บอรดทเปนโครงการพฒนาระบบ MCU ของ AVR แบบ Open Source ไดรบการแนะน าเผยแพรออกมาสสาธารณะซงไดรบความนยมกนอยางแพรหลายจากผคนทวโลกภายในระยะเวลาอนรวดเรวทางดานของ Software กมการพฒนากนอยางตอเนอง แลวโดยทางดานฮารดแวร เองกไดมการพฒนาปรบปรงอยางตอเนองควบคกนไปดวยเชนเดยวกน โดยททางออดโน
บอรดไดออกแบบพฒนา Hardware บอรดขนมารองรบโดยใชรหสชอรนวา ออดโน UNO R3 Development
11
ภาพท 2.8 ลกษณะบอรดออดโน UNO R3 2.5.1 คณสมบตของบอรดออดโน UNO R3
ออดโนUNO R3 ใช Mage 328P(DIP) เปนคอนโทรเลอรหลก รวมกบ ATMega16U2 ท าหนาทตดตอกบ USB ซงเปนตวเดยวกนกบของ อตาลท าใหไมมปญหาเรองไดรเวอรWindows , OSX , Linux แตทเดนกวาตวอน คอเทคโนโลยแผน PCB เดยวกนกบทใชในเมนบอรดคอมพวเตอร ท าใหลดความรอน ลายวงจร มความหนามากกวาจงน ากระแสไดมากกวานนเอง ทส าคญไดออกแบบลายทองแดงใหญขนเพอระบายความรอน LM117 regulator จ าเหมาะทจะใชงานเปนเวลานานๆและไมมปญหาดานความรอน ทางดาน Software ตว BootlooderรนใหมOptiboot ท าใหบทเรวขน
ใชATmega328-AU เปน MCU ประจ าบอรด Run ความถ 16MHz จาก Crystal Oscillator ม USB Controller ในตว USB 2.0 Full Speed/Low Speed ม Digital I 14 Digital I/O Pins (6 PWM outputs)
8 Analog Inputs มวงจร Line Driver ส าหรบพอรตสอสารอนกรม RS232 จ านวน 1 ชอง การพฒนาโปรแกรมสามารถพฒนาบนโปรแกรมออดโนและสามารถโปรแกรมไดทนท
ผานทางพอรต USB โดยไมตองมเครองโปรแกรมภายนอก สามารถใชงานไดทงระบบปฏบตการ Windows , Mac OS X , Linux รองรบการใชงานกบ External Supply ทงแบบ AC และ DC ขนาด 7-12V และสามารถใช
แหลงจายจากพอรต USB ไดในกรณใชกระแสไมเกน 500mA
12
2.6 เทอรโมคปเปล
2.6.1 เทอรโมคปเปลแบบมาตรฐาน หมายถง เทอรโมคปเปล ทผผลตทกรายก าหนดสวนผสมของคสายเทอรโมคปเปลเปนมาตรฐานเหมอนกน สามารถใชตารางเทยบมาตรฐานทหาไดทวไปเทอรโมคปเปลแบบมาตรฐานม 7 แบบไดแก เทอรโมคปเปลแบบ S R B J K T และ E สามารถพจารณาชนดของเทอรโมคปเปลแบบมาตรฐานจากชนดของโลหะตวน าทท าเปนเทอรโมคปเปล แรงดนไฟฟาทไดจากเทอรโมคปเปลมาตรฐานทง 7 แบบ ทอณหภม (temperature) ตางๆ แสดงในภาพท 2.6
ภาพท 2.9 แรงดนไฟฟาทไดจากเทอรโมคปเปลมาตรฐานแบบตางๆ
2.6.2 เทอรโมคปเปลแบบK เปนเทอรโมคปเปลชนดทนยมใชแพรหลายมากทสด สามารถวดอณหภมไดสงกวาแบบ J และมราคาถกกวา ทนอณหภมไดถง 1300oC และทอณหภมต าถง -250oC มคาความเปนเชงเสนสงทสดเมอเปรยบเทยบกบเทอรโมคปเปลชนดอน ใหแรงดนไฟฟาทางดานเอาตพตสง (ใหอตราการเปลยนแรงดนไฟฟาตออณหภมดกวาแบบอนหรอมคาความชนใกล 1) สามารถใชกบงานทมการแผรงสความรอน (thermal radiation) ได ไมเหมาะกบงานในสภาวะสญญากาศ (ยกเวนการใชงานในชวงเวลาสน)
13
ภาพท 2.10 เทอรโมคปเปลชนด K
ชนดของวสดทใชท าเทอรโมคปเปลมาตรฐานแตละแบบแสดงในตารางท 2 โดยชอแรกของโลหะตวน า หมายถง ขวไฟฟาทมศกยเปนบวก (+) และชอหลงมศกยเปนลบ (-) เเละตารางท 3ยานการใชงาน และคณลกษณะของเทอรโมคปเปลแตละแบบ
ตารางท 2 ชนดของวสดทใชท าเทอรโมคปเปลมาตรฐานแบบตาง
มาตรฐาน ชนดของวสดตวน า
Type K
Type J
Type T
Type E
Type N
Type R
Type S
Type B
Nickel Chromium/Nickel Aluminium
Iron/Constantan
Copper/Constantan
Nickel Chromium/Constantan
Nicrosil/Nisil
Platinium 13%/Rhodium
Platinium 10%/Rhodium
Platinium 30%/Rhodium
*** Constantan: copper 60% + Nickel 40%
14
ตารางท 3 ตวอยางยานการใชงาน และคณลกษณะของเทอรโมคปเปลมาตรฐาน
ชนดเทอรโมคปเปล
ยานอณหภมใชงาน (oC)
ยานอณหภม (oC)
คาความผดพลาด (oC)
คาความไวสงสด(โดยประมาณ) (µV/o
C)
K -270 ถง 1372
-270.0 ถง 0.0 -0.02 ถง 0.04 50
0.0 ถง 500.0 -0.05 ถง 0.04
500.0 ถง 1372.0
-0.05 ถง 0.06
ทมา: NIST-ITS 90 (www.srdata.nist.gov/its90/main/)
ตารางท 4 เปรยบเทยบ mV เทยบ อณหภม
ทมา: อางองเอกสาร ITS-90 Table for Type K thermocouple : http://iseinc.com
15
2.7 ฮตเตอร
ฮตเตอร เปนอปกรณท าความรอนในอตสาหกรรม ทมหลกการพนฐานคอเมอมกระแส
ไหลผานลวดตวน า ทมคาความตานทานสง ลวดตวน าจะรอน ดงนน ลวดทใชผลตฮตเตอรจะตองม
คณสมบตเหนยวและทนอณหภมไดสง
2.7.1 หลกการท างานของฮตเตอร มหลกการท างานคอ เมอมการแสไหลผานขดลวดตวน าทมคาความตานทาน จะท าใหลวดตวน ารอน และถายเทความรอนใหกบโหลด ดงนน ลวดตวน าความ
รอนจะตองมคณสมบตททนความรอนไดสง ส าหรบการผลตฮตเตอรโดยสวนใหญในตวฮตเตอร
จะมผงฉนวนแมกนเซยมออกไซด (ยกเวนฮตเตอรอนฟราเรด, ฮตเตอรรดทอและฮตเตอรแผน) อย
ภายใน เพอท าหนาทกนระหวางขดลวดตวน ากบผนงโลหะของฮตเตอร ซงผงฉนวนนจะม
คณสมบตน าความรอนไดดมาก แตจะมคาความน าทางไฟฟาต า ดงนนขอควรระวง คอ หามม
ความชนในผงฉนวนนเดดขาด เพราะจะท าใหมคาความน าทางไฟฟาสงขน และอาจจะท าใหฮต
เตอรเกดการลดวงจรได หากพบวาฮตเตอรมความชน (ผลจากการวดโดยใชเครองมอทางไฟฟา)
สามารถแกไขโดยการน าฮตเตอรไปอบเพอไลความชนออกจากตวฮตเตอร
ฮตเตอรทดควรผานการทดสอบหาคาความเปนฉนวนของฮตเตอร เพอใหแนใจวาในการ
น าไปใชงานจะไมมกระแสไฟฟารวไหลจากขดลวดตวน าดงนนมาตรฐานการทดสอบความเปน
ฉนวนของฮตเตอรควรจะไมต ากวา 1500 VDCและคาความเปนฉนวนตองไมต ากวา 500 เมกะ
โอหมชนดของฮตเตอร
ฮตเตอรทอกลม (Tubular Heater)
โครงสรางของ Tubular Hearterคอมขดลวดความรอนบรรจอยในทอโลหะชองวางระหวาง
ขดลวดความรอนและทอโลหะ จะถกอดแนนดวยผงแมกนเซยมออกไซด และถกรดลงใหมความ
หนาแนนตามมาตรฐานวสดทใชท า Tubular Heater มหลายชนดตางกนตามลกษณะการใชงาน
ดงนทองแดงใชกบน าสะอาดสแตนเลส304 ใชกบอากาศทมการหมนเวยน เตาอบ, น า, น ามน,
ของเหลว หรอในอตสาหกรรมอาหารทม pH 5 – 9สแตนเลส316 ใชกบอากาศทมการหมนเวยน
16
กรด, สารละลาย, สารเคม หรอของเหลวทมลกษณะกดกรอนอนโคลอย 800 ใชกบอากาศทไมมการ
หมนเวยนเชน ในเตาอบ, น า, น ามน และของเหลวทวไป
ภาพท 2.11 ฮตเตอรทอกลม (Tubular Heater)
2.8 การอานคาอณหภมจากเทอรโมคปเปลแบบK-Type ดวยไอซ MAX6675
การอานคาอณหภมจากเทอรโมคปเปลแบบ K-Type ดวยไอซ MAX6675 และเขยน
โปรแกรมส าหรบ Arduino เพออานขอมลจากไอซดงกลาวแลวมาแสดงผลผาน Serial Monitor
โดยทวไปแลว จะใชไอซส าหรบการอานคาอณหภมของเทอรโมคปเปล (เพอแปลงแรงดนไฟฟาใหเปนคาอณหภม) เชน ไอซ AD595 ทใหเอาตพตแบบ Analog (10mV/°C) หรอไอซ MAX6675 ซงใชกบเทอรโมคปเปลแบบ K-Type และใหเอาตพตแบบดจทล หรอ MAX31855 ซงใชไดกบเทอรโมคปเปลไดหลายชนด ขอมลเชงเทคนคเกยวกบ MAX6675:ใชแรงดนไฟเลยง Vcc : +3.0V .. +5.5Vตวถงแบบ 8-Pin SOIเชอมตอแบบ SPI: ขา CLK, DO, /CS และสงขอมลออกมาแบบ MSB First ขนาด 16 บตมขา T+ (ส าหรบ Chromel) และ T- (ส าหรบ Alumel) เพอตอกบเทอรโมคปเปลใชกบ Thermocouple แบบ K-Type เทานน และวดอณหภมในชวง 0°C to 1023.75°C (ดาน Hot Junction)ขอมลส าหรบคาอณหภม มขนาด 12 บต และมความละเอยด 0.25 °Cมการชดเชยอณหภมทดานรอยตอเยน (Cold-Junction Compensation)ระยะเวลาในการแปลงคา (Conversion Time) : 0.22 sec (max.)ศกษาขอมลเพมเตมไดจากเอกสารของผผลต MAX6675_datasheet.pdf
17
ในการเชอมตอกบไอซ MAX6675 โดยใชขาของบส SPI จะใชเพยงขา /CS, SCK และ MISO แตไมตองใชขา MOSI ขอมลจะถกสงออกมาจากไอซ (ขา SO) ทละบต เปนการเลอนบตแบบ MSB First ตามจงหวะของสญญาณ SCK ทงหมด 16 บต บตท 14 .. 3 เปนขอมลขนาด 12 บต และตองน าไปคณดวย 0.25 °C จงจะไดคาอณหภม บตท 2 ใชระบวา ขา T+ และ T- ตอกบเทอรโมคปเปลหรอไม (Open Input Detection) โมดล MAX6675 ทไดเลอกมาทดลองใชงาน ม Terminal Block (ขา T+ แลT-ไวส าหรบตอกบเทอรโมคปเปลแบบ K-type มขา Pin Headers: VCC, SO (Serial Out), CS (/Chip Select), CSK (SCLK), GND
18
บทท3
การออกแบบทางวศวกรรม
3.1 โครงสรางโดยทวไปของตวควบคมอณหภมแบบ PID
ภาพท 3.1 การท างานของสวนควบคมอณหภม
จากภาพท3.1แสดงถง Block Diagram ของตวควบในโครงงานซงประกอบดวยตวควบคม
ความรอน(Heater)ในรปของเตาอบตวขบเคลอนดวย AC Converterและ ตวควบคม PID ซพฒนา
บนไมโครคอนโทรเลอร Arduio ตามล าดบ
3.1. การออกแบบตวขบเคลอนและตวควบคมอณหภมดวย พไอด
จากทไดกลาวทฤษฏและหลกการของการควบคมเตาอบดวย Arduino Microcontroller
ทฤษฎความรอน,ฮตเตอร,ชดไดรPhase controller,Dccontroller,Arduinoและการควบคมดวย PID
ในบทนจะกลาวถงขนตอนในการออกแบบและทดสอบในสวนของโครงงานโดยมล าดบดงน
การออกแบบตวขบเคลอนหรอชดขบเคลน การออกแบบตวควบคมอณหภมดวย พ ไอ ด คอนโทรลแบบซเกลอร-นโคลส
3..2 การออกแบบตวขบเคลอนหรอขบเคลอน
ในการออกแบบตวขบเคลอนหรอชดไดรนนในโครงงานนไดมการออกแบบตวขบเคลอน
ไว2สวนคอชด Phase controllerและชด Triac
19
3.3 การควบคมเฟส
ถาเราสามารถควบคมไตรแอคใหน ากระแส ณ เวลาใดเวลาหนงในดานเวลาของไฟสลบเรา
กจะสามารถควบคมก าลงไฟทจายใหกบโหลดไดลองดวงจรในรปถากระแสเกตเปนสญญาณ
พลส (pulse)ทใชจดชนวนใหไตรแอคน ากระแสการหนวงเวลาในการจดฉนวนไตรแอคในแตละ
คาบเวลาจะท าใหไตรแอคน ากระแสเรวและชาตางๆกนกระแสโหลดจะมขนาดขนอยกบเวลาใน
การจดชนวนน
ภาพท 3.2 การควบคมดวยเฟสคอนโทรล
3.4 ไทรสเตอร
เปนชอทเรยกอปกรณอเลกทรอนกสกลมทมชนของสารกงตวน า 4 ชนขนไป เชน ชอคเลยไดโอด(Shockley Diode) , เอส.ซ.อาร(Silicon-controlled Rectifier : SCR) , เอส.ซ.เอส (Silicon controlled Switch : SCS) รวมทงไทรแอก(Triac), ไดแอก(Diac) (UnijunctionTransistor) (Programmable Unijunction Transistor : PUT) ไทรสเตอรนยมน าไปใชงานควบคมก าลงไฟฟา เชน ควบคมแสงสวางของหลอดไฟฟา ควบคมความเรวรอบของมอเตอร ระบบจดระเบดอเลกทรอนกสฯลฯ อปกรณเหลานถกน าไปใชประโยชนส าหรบการท าสวตชง ,การควบคมเฟสของไฟกระแสสลบเพอใชปรบความเขมของไฟสองสวาง ,การปรบความเรวของมอเตอร ,การปรบลวดความรอนและอนๆ
20
ก.โครงสรางของเอสซอาร ข.สญลกษณ
ภาพท 3.3 โครงสราง และสญลกษณของ เอสซอาร จากภาพ ก. คอ โครงสรางของเอสซอาร (SCR) ประกอบไปดวยสารกงตวน า 4 ชนคอ (P-N-P-N) ม
จ านวน 3 รอยตอ และจากภาพ ข. มขาตอออกมาใชงาน 3 ขาคอ แอโนด (A : Anode) .แคโถด (K :
Cathode) เกท (G : Gate)
ภาพท 3.4 การท างานของการควบคมเฟส (Phase control)
วงจรทออกแบบสามารถปรบคาความกวางไดในชวง 0 ถง 100 เปอรเซนตปรบความถได
ตงแต1เฮรตซ ถง 10กโลเฮรตซ เลอกมมจดชนวนสญญาณไดตงแต 0 ถง 180 องศา ผลการทดสอบ
การปรบความกวางพลสความถและมมจดชนวนมความผดพลาดไมเกนรอยละ5ทดสอบการ
จดชนวนอปกรณอเลกทรอนกสก าลง ส าหรบอปกรณทรานซสเตอรไอซ MOC3023 ส าหรบ
อปกรณไทรสเตอร และใชโหลดความตานทาน 140 โอหมภาคการตรวจจบผานศนย (Zero
Crossing Detector) เนองจากตองใชงานในกรณตรวจจบสญญาณซกบวก และสญญาณซกลบ เพอ
ก าหนดการจดชนวนอปกรณTRIACหรอสญญาณเพยงซกบวกเพอก าหนดการจดชนวนอปกรณ
SCR ตองใชการเชอมตอทางแสง 2 จดเพอตรวจสอบสญญาณและปอนสญญาณเขาทางขา INT0
21
3.5 ชดขบเคลอน
วงจรอเลกทรอนกสก าลง(Power Electronics) คอ วงจรทท าหนาทควบคมการแปลงผน
พลงงานจากแหลงจายพลงงานใหเหมาะสมกบภาระและเปนไปตามความตองการของผใชงานซง
การแปลงผนพลงงานไฟฟาจะใชหลกการการสวทซดวยอปกรณอเลกทรอนกสสารกงตวน าโดยจะ
มอปกรณส าหรบควบคมการเปด-ปด ซงการท าใหอปกรณอเลกทรอนกสสารกงตวน าท าหนาทเปน
สวทซไดจะตองไดรบสญญาณพลสเขาไปทขาควบคมของอปกรณ จงจะสามารถท างานไดซงการ
ออกแบบวงจรจดชนวนโดยทวไปจะออกแบบเพอใชงานเฉพาะกบวงจรใดวงจรหนง ไมสามารถใช
งานรวมกบวงจรอนได โดยจะมภาคการท างานหลกอย 3 ภาคคอ ภาคแหลงจาย ภาคก าเนดสญญาณ
และภาคไดรเวอร ซงภาคก าเนดสญญาณสามารถกระท าไดหลายรปแบบเชนวงจรจดชนวนดวยอาร
ซวงจรจดชนวนดวยไดแอก วงจรจดชนวนดวยยเจทซงจะใชการค านวณคาตวตานทานและตวเกบ
ประจทน ามาตอรวมกบวงจรเพอใหเกดคาเวลาคงทใชส าหรบการก าเนดสญญาณพลส
3.6 ไตรแอก
ไตรแอก(Triac) เปนอปกรณในกลมของไทรสเตอรมลกษณะโครงสรางภายในคลายกบไดแอกแตมขาเกตเพมขนมาอก1ขาไตรแอกถกสรางขนเพอแกไขขอบกพรองของ SCR ซงไมสามารถน ากระแสในซกลบของไฟฟาสลบไดการน าไตรแอกไปใชงานสวนใหญจะใชท าเปนวงจรควบคมการท างานเปนสวตซตอแรงดนไฟสลบไตรแอกถกสรางขนมาใหใชงานกบกระแสสงๆดงนนตองระวงเรองของการระบายความรอน
22
3.7 การควบคมพไอด
ในสวนนมการท างานในสวนของ PLC ซงภายในมการท างานแบบขนบนได(Ladder
diagram) ซงสวนใหญแลวนนจะเปนสวนของขอก าหนดเงอนในการท างานตางๆการยายคาการ
ปองกนการเสยหายของอปกรณการรเซตสญญาณเปนตนโดยภายในชดค าสงจะมฟงกชน พไอด
ส าเรจรปท างานอยภายใน
3.7.1 การปรบจน พไอดแบบ ซเกลอร-นโคลส สรปขนตอนในการทดสอบและปรบจนคาเกนของ
ตวควบคมพไอดส าหรบระบบทไมทราบแบบจ าลองทางคณตศาสตรมขนตอนแนะน าดงนตอ
ระบบควบคมแบบวงรอบปดดวยตวควบคมแบบพปรบคาเกนใหสงขนเรอยๆสงเกตผลตอบสนอง
ทไดถาปรบคาเกนใหสงขนเรอยๆแลวผลตอบสนองทไดไมมการพงเกน(ระบบมอนดบหนง)ให
สงเกตวาระบบมคาความผดพลาดในสภาวะคงตวหรอไมถาไมมคาความผดพลาดในสภาวะคงตวก
ใชตวควบคมแบบพอยางเดยวโดยปรบคาเกนของตวควบคมใหสงๆเขาไวถามคาความผดพลาดใน
สภาวะคงตวกใชตวควบคมแบบพไอโดยปรบคาเกนของตวควบคมใหสงพอประมาณแลวจงปรบ
คาเกนของของตวควบคมไอจนกระทงคาความผดพลาดในสภาวะคงตวเปนศนยถาผลตอบสนองท
ไดมการพงเกนของผลตอบสนอง(ระบบมอนดบสงกวาหนง)ถาตองการลดการพงเกนของ
ผลตอบสนองอยางเดยวโดยยอมรบคาความผดพลาดในสภาวะคงตวไดกใหใชตวควบคมแบบพด
โดยปรบคาเกนพใหสงพอประมาณจนกระทงไดคาความผดพลาดในสภาวะคงตวเปนทพอใจแลว
จงปรบคาเกนของตวควบคมดเพอลดการพงเกนของผลตอบสนองถาตองการปรบทงความเรวและ
การพงเกนของผลตอบสนอง รวมไปถงคาความผดพลาดในสภาวะคงตวกใหใชตวควบคมแบบ
พไอดใหลองทดสอบแบบซเกลอร-นโคลส กอนโดยปรบจนกระทงผลตอบสนองเปนแบบไมมการ
หนวงแลวท าตามขนตอนของการทดสอบแบบซเกลอร-นโคลส แตถาทดสอบแบบซเกลอร-
นโคลส แลวไมเกดผลตอบสนองแบบไมมการหนวงกใหทดสอบดวยวธการของเชนฮรอนเรสวก
ซงในการเลอกใชวธการใดกใหค านงถงผลตอบสนองทไดวาระบบยอมรบการพงเกนไดมากนอย
แคไหนดวยเพราะวธการของซเกลอร-นโคลส จะใหผลตอบสนองทมการพงเกนทสงกวาวธการ
ของเชนฮรอนเรสวกแตผลตอบสนองทไดจะมความเรวสงกวาวธการของเชนฮรอนเรสวก
23
สมการค านวณหาคาก าลงงานความรอนฮตเตอร
(2.4)
โดยท
คอ น าหนกชนงาน
คอ ผลตางอณหภมภายนอก
คอ เวลาทอณภม
คอ คาพลงงานความรอนฮตเตอร
สมการหาพนทความรอนภายในตอบ
(2.5)
โดยท
คอ ปรมาตรพนทในสวนตอบ
คอ ผลตางอณหภมภายนอกกบอณหภมทตองการ
47 คอ คาพลงงานความรอนในตอบ
Temperature Rise คอ ผลตางของอณหภมภายนอก กบอณหภมทตองการ
24
สมการหาน าหนกชนงาน(โลหะ)
Total weight = W X H X D X 0.000785 (2.6)
โดยท
W คอ ความกวาง
H คอ ความสง
D คอ ความลก
0.000785 คอ คาค านวณน าหนกเหลกมาตรฐาน
ขนตอนการค านวณ
สมการหาน าหนกชนงาน(โลหะ)
W = 10(mm.) X 20(cm) X 10(cm)X 0.000785 = 1.57 Kg.
สมการค านวณหาคาก าลงงานความรอน Heater ( )
ชวโมง = 0.109
สมการหาพนทความรอนภายในตอบ( )
= 0.0446
25
3.8 โครงสรางแบบต
ก.การตดตงอปกรณ
ภาพท 3.5 โครงสรางการตดตงอปกรณภายในพนทของตอบ
ข.การตดตงแสดงผลอณหภม
ภาพท 3.6 ดานหนา มการตดตงหนาจอแสดงผลอณหภมและปมควบคมอณหภม
26
ค.การตดตงเทอรโมคปเปล
ภาพท 3.7 จากรปดานบน มการตดตงเทอรโมคปเปลท าหนาวดอณหภมภายในต
ง.การตดฮตเตอร
ภาพท 3.8 ดานขาง มการตดตงฮตเตอรเพอใหความรอนตามทเราก าหนดคาอณหภม
27
บทท4
การทดลองและผลการทดลอง
ในการเชอมตอกบไอซ MAX6675 โดยใชขาของบส SPI จะใชเพยงขา /CS, SCK และ
MISO แตไมตองใชขา MOSI ขอมลจะถกสงออกมาจากไอซ (ขา SO) ทละบต เปนการเลอนบต
แบบ MSB First ตามจงหวะของสญญาณ SCK ทงหมด 16 บต บตท 14 .. 3 เปนขอมลขนาด 12 บต
และตองน าไปคณดวย 0.25 °C จงจะไดคาอณหภม บตท 2 ใชระบวา ขา T+ และ T- ตอกบเทอร
โมคปเปลหรอไม (Open Input Detection) ถาไมไดตอขาอนพต จะไดคาบตนเปนท าการตอวงจร
ตามเพอท าการวดคาอณหภมทสงผานออกจากตวอปกรณตวMax6675ท าการตออปกรณวดคา
อณหภมผานโปรแกรม Arduino
ภาพท 4.1 การอานคาอณหภมความรอนจากเตาอบผาน Max6675
28
ภาพท 4.2 วงจรรวมทงหมดของระบบควบคม
29
ก. คาทไดจาก Digital Thermocouple ข.คาทไดจากMAX6675
ภาพท 4.3 ผลการวดเปรยบเทยบจากการอานคาอณหภม
ผลการวดเทยบคาระหวาง ออดโน UNO R3 Development กบ Digital Thermocouple
Thermometer(การเทยบวด A/D)
4.1 ผลการทดลองเพอการใชงาน Microcontroller
ในการทดลองการตอบสนองของเตาหรอขดลวดความรอนโดยการปอนค าสงผานไมโครคอนโทรเลอรแบบลปเปดโดยตงอณหภม 160 องศาเซลเซยส และท าการวดการตอบสนองจากตวตรวจจบอณหภม MAX6675 ทก ๆ 1นาท จะไดผลการตอบ สนองชวครดงภาพท 4.4
30
ภาพท 4.4 การตอบสนองชวครทไดจากการอานคาอณหภมดวย MAX6675
4.2 ผลการทดสอบระบบควบคมระบบลปเปด
ในการทดลองการตอบสนองของเตาหรอขดลวดความรอนโดยการปอนค าสงผานไมโครคอนโทรเลอรแบบลปเปด โดยตงอณหภม 100 องศาเซลเซยส และท าการวดการตอบสนองจากตวตรวจจบอณหภม MAX6675 ทกๆ 1นาท จะไดผลการตอบสนองของลปเปด มเปอรเซนตพงเกนประมาณ 60 เปอรเซนตและมการสวงกอนทจะเขาอยสภาวะคงตว ดงแสดงในภาพท 4.4 อนเนองมาจาก ตวพารามเตอรของ PID จะยงไมสมบรณ ตองมการปรบแตง Gain P และ D เพอลดการตอบสนองใหชาลง จะท าใหผลการตอบสนองดขน
31
ภาพท 4.5 การตอบสนองชวครแบบลปปด PID ดวย ออดโน ไมโครคอนโทรลเลอร
4.3 ผลการทดสอบระบบจรง
ในการทดลองการตอบสนองของเตาหรอขดลวดความรอนโดยการปอนค าสงผานไมโครคอนโทรเลอรแบบลปปด เชนเดยวกบกรณแรก โดยตงอณหภม 160 องศาเซลเซยส และท าการวดการตอบสนองจากตวตรวจจบอณหภม MAX6675 ทก ๆ10 วนาท จะไดผลการตอบสนองของลปปดม เปอรเซนตพงเกนประมาณ 10 เปอรเซนตและมการสวงกอนทจะเขาอยสภาวะคงตว ดงแสดงในรปท 4.5 อนเนองมาจาก ตวพารามเตอรของ PID จะยงไมสมบรณ ตองมการปรบแตง Gain P และ D เพอลดการตอบสนองใหชาลง จะท าใหผลการตอบสนองดขน
32
ตารางท 5 บนทกการท างานระบบจรง
33
ตารางท 5 บนทกการท างานระบบจรง (ตอ)
34
บทท5
สรปและเสนอแนะ
ในโครงงานนเปนการออกแบบตอบชนงานหรอแมพมพ เปนการเพมความรอนใหกบวสดใหมความรอนกอนน าไปใชงาน โดยในโครงงานนเปนการออกแบบการควบคมความรอนของแทงฮตเตอรโดยใชระบบพไอด คอนโทรลโดยแผงควบคมหลกใชชดArduino Board รน UNO R3 Development ซงมอปกรณเซนเซอรเทอรโมคปเปลในสวนของการทดลองพบวามบางสวนของเตาอบทตองมการแกไขปรบปรงเพอเพมประสทธภาพของเตาอบ ในการท างานของระบบ พไอด คอนโทรลใหมการปรบจนคาอณหภมใหเขาใกลคา Set Point เพอลดคา Errorของอณหภมภายในเตาอบและควรตดตงพดลมระบายอากาศเพอชวยการถายเทความรอนเมออณหภมภายในตอบเกนคาทก าหนดไว และเพมฉนวนเพอปองกนความรอนรวไหลภายในไปยงภายนอกของเตาอบเพอลดการสญเสยพลงงานความรอน
35
เอกสารอางอง
[1] ประชา เหลาอวยพรคณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลธญบร ปการศกษา
2554 น าเสนอ การพฒนาระบบควบคมอณหภมในเตาปลกผลกโดยใชแบบจ าลองทางคณตศาสตร
[2] SmarajitGhosh Assistant Professor Department of Electrical and Electronics Engineering
Control Systems Theory and Applications
[3] www.ecti-thailand.org/assets/papers/1455_pub_75.pdf
[4] https://cdn-shop.adafruit.com/datasheets/MAX6675.pdf
[5] http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/27238/TI/MOC3023.html
36
ภาคผนวก
ค าสงการอานคาการทดลอง โดยโปรแกรม Arduino // this example is public domain. enjoy!
// www.ladyada.net/learn/sensors/thermocouple
#include "max6675.h"
intthermoDO = 4;
intthermoCS = 5;
intthermoCLK = 6;
MAX6675 thermocouple(thermoCLK, thermoCS, thermoDO);
intvccPin = 3;
intgndPin = 2;
void setup() {
Serial.begin(9600);
// use Arduino pins
pinMode(vccPin, OUTPUT); digitalWrite(vccPin, HIGH);
pinMode(gndPin, OUTPUT); digitalWrite(gndPin, LOW);
Serial.println("MAX6675 test");
// wait for MAX chip to stabilize
delay(500);
}
void loop() {
// basic readout test, just print the current temp
Serial.print("C = ");
Serial.println(thermocouple.readCelsius());
Serial.print("F = ");
Serial.println(thermocouple.readFahrenheit());
37
delay(1000);
}
ค าสงการอานคาการทดลองพไอด คอนโทรลโดยโปรแกรม ออดโน
#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>
#include <max6675.h>
#include <Keypad.h>
#include <SoftwareSerial.h>
int ON_OFF = 8;
intthermoDO = 9;
intthermoCS = 10;
intthermoCLK = 11;
MAX6675 thermocouple(thermoCLK, thermoCS, thermoDO);
intvccPin = 12;
intgndPin = 13;
float Temp=0;
char key='0';
int count=0;
intFreq_buf=0;
int Value=64;
int Trig_us=0;
int data_send=0;
char print_buff[30];
char print_LCD[30];
char TOG=0;
char TOG1=0;
char TOG2=0;
intTemp_set=100;
char START = 0;
float Error=0;
float kP=3.5,kI=0.08,kD=0.1;
int Drive = 0;
int Drive1 = 0;
float Integral = 0;
38
float Previous_error = 0;
float Derivative=0;
float dt = 1.0;
char mode = 0;
SoftwareSerialmySerial(2, 3); // RX, TX
const byte ROWS = 4; //four rows
const byte COLS = 4; //three columns
char keys[ROWS][COLS] = {
{'1','2','3','A'},
{'4','5','6','B'},
{'7','8','9','C'},
{'*','0','#','D'}
};
byte rowPins[ROWS] = {7, 6, 5, 4}; //connect to the row pinouts of the keypad
byte colPins[COLS] = {A0, A1, A2, A3}; //connect to the column pinouts of the
keypad
Keypadkeypad = Keypad( makeKeymap(keys), rowPins, colPins, ROWS, COLS );
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,20,4); // set the LCD address to 0x3f for a 16 chars and
2 line display
void setup()
{
lcd.init(); // initialize the lcd
// Print a message to the LCD.
lcd.backlight();
lcd.setCursor(0, 0);
lcd.print("Hello, Project ");
lcd.setCursor(0, 1);
lcd.print("PID Control ");
lcd.setCursor(0, 2);
lcd.print("Hello, world! LINE3 ");
lcd.setCursor(0, 3);
lcd.print("Hello, world! LINE4 ");
39
pinMode(vccPin, OUTPUT); digitalWrite(vccPin, HIGH);
pinMode(gndPin, OUTPUT); digitalWrite(gndPin, LOW);
pinMode(ON_OFF, OUTPUT); digitalWrite(ON_OFF, LOW);
// set the data rate for the SoftwareSerial port
mySerial.begin(9600);
//mySerial.println("Hello, world?");
// initialize serial communications at 9600 bps:
Serial.begin(9600);
delay(2000);
lcd.clear();
}
void loop()
{
//===================== PID control
==============================
/*
Error = Setpoint - Actual
Integral = Integral + (Error*dt)
Derivative = (Error - Previous_error)/dt
Drive = (Error*kP) + (Integral*kI) + (Derivative*kD)
Previous_error = Error
wait(dt)
*/
if(START == 1)
{
if((millis()/500)%2 == 0 && TOG2 == 0)
{
Error = Temp_set - Temp;
Integral = Integral + (Error*dt);
if(Integral >= 200) Integral = 200;
if(Integral <= -200) Integral = -200;
Derivative = (Error - Previous_error)/dt;
Drive = (Error*kP) + (Integral*kI) + (Derivative*kD);
Drive1 = (Error*kP) + (Integral*kI) + (Derivative*kD);
Previous_error = Error;
40
if(Drive <= 0) Drive = 0;
else if(Drive >= 100) Drive = 100;
Trig_us = map(Drive, 0, 100, 180, 0);
if(Drive <= 0) digitalWrite(ON_OFF, LOW);
else digitalWrite(ON_OFF, HIGH);
TOG2 = 1;
}else if((millis()/500)%2 == 1 && TOG2 == 1) { TOG2 = 0;}
}else
{
digitalWrite(ON_OFF,LOW);
Drive = 0;
Trig_us = map(Drive, 0, 100, 180, 0);
}
//==================================================
===============
lcd.setCursor(0, 0);
sprintf(print_LCD,"Temperature control ");
lcd.print(print_LCD);
lcd.setCursor(0, 1);
sprintf(print_LCD,"Actual temp %i%cC ",((int)(Temp*10))/10,223);
lcd.print(print_LCD);
//lcd.print(Temp);
lcd.setCursor(0, 2);
sprintf(print_LCD,"Setpoint temp %i%cC ",Temp_set,223);
lcd.print(print_LCD);
lcd.setCursor(0, 3);
if(mode == 0)
{
if(START == 1) sprintf(print_LCD," ON ",Drive1);
else sprintf(print_LCD," OFF ",Drive1);
}else
{
if(START == 1) sprintf(print_LCD,"%03i %03i %05i ON ",Trig_us,Drive,Drive1);
else sprintf(print_LCD,"%03i %03i %05i OFF ",Trig_us,Drive,Drive1);
41
}
lcd.print(print_LCD);
if((millis()/500)%2 == 0 && TOG == 0) { Temp = thermocouple.readCelsius();
TOG = 1;}
else if((millis()/500)%2 == 1 && TOG == 1) { TOG = 0;}
data_send = Trig_us;
if((millis()/300)%2 == 0 && TOG1 == 0)
{
sprintf(print_buff,"$%03i!",data_send);
Serial.println(print_buff);
mySerial.print(print_buff[0]); delay(20);
mySerial.print(print_buff[1]); delay(20);
mySerial.print(print_buff[2]); delay(20);
mySerial.print(print_buff[3]); delay(20);
mySerial.println(print_buff[4]); delay(20);
TOG1 = 1;
}else if((millis()/300)%2 == 1 && TOG1 == 1) { TOG1 = 0; }
key = keypad.getKey();
if (key)
{
if(key == 'C')
{
START = 1;
Drive = 0;
Integral = 0;
Previous_error = 0;
Derivative=0;
}
else if(key == '#')
{
if(mode == 0) mode = 1;
else mode = 0;
}
42
else if(key == 'D') START = 0;
else if(key == 'A' && START == 0)
{
int set = 1;
int count = 0;
while(set)
{
lcd.setCursor(0, 0);
sprintf(print_LCD," SET TEMP ");
lcd.print(print_LCD);
lcd.setCursor(0, 1);
sprintf(print_LCD," ==> %i ",Temp_set);
lcd.print(print_LCD);
lcd.setCursor(0, 2);
sprintf(print_LCD," ");
lcd.print(print_LCD);
lcd.setCursor(0, 3);
sprintf(print_LCD," ");
lcd.print(print_LCD);
key = keypad.getKey();
if (key)
{
if(key >= '0' && key <= '9')
{
count++;
if(count >= 4) count = 4;
if(count == 1) { Temp_set = (key-'0') ; }
else if(count >= 1 && count <= 3) { Temp_set = (Temp_set*10)
+ (key-'0') ; }
if(count == 3)
{
if(Temp_set>= 160) Temp_set = 160;
if(Temp_set<= 60) Temp_set = 60;
}
}else if(key == '*')
{
Temp_set = 0;
43
count = 0;
}
else if(key == 'B')
{
if(Temp_set>= 160) Temp_set = 160;
if(Temp_set<= 60) Temp_set = 60;
set = 0;
lcd.setCursor(0, 2);
sprintf(print_LCD," SAVE DATA TEMP ");
lcd.print(print_LCD);
delay(1000);
