Bài 7ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ

MỤC TIÊU CỦA BÀISau khi học xong bài này học sinh có khả năng:- Ghép nối các loại Modul mở rộng EM 2331 RTD của PLC S7-200- Lập trình trên PLC S7-200, để điều khiển nhiệt độ nhiều kênh.- Rèn luyện đức tính cẩn thận, tỉ mỉ, tư duy sáng tạo và khoa học, đảm bảo

an toàn cho người, thiết bị

7.1) TỔNG QUAN

Một hệ thống tự động (điều khiển quá trình) gồm có 3 thành phần cơ bản

là bộ điều khiển,cảm biến đo lường và cơ cấu chấp hành. Hệ thống điều khiển

nhiệt độ này được thiết kế để học viên làm quen với các thiết bị và quá trình xử

lý. Hệ này chứng minh sự điều khiển quá trình nhiệt độ theo phương pháp PID

(điều khiển đạo hàm, tích phân, tỷ lệ), đây là một hệ điều khiển vòng kín với sự

phản hồi của tín hiệu đo so sánh với tín hiệu đầu vào cho ra một sai số tại một

thời điểm nhất định, từ đó hệ điều khiển tính toán và xuất ra một hàm điều khiển

tối ưu nhất làm sao quá trình đáp ứng nhanh ,ổn định, xác lập tại mỗi giá trị

nhiệt độ mong muốn trong quá trình điều khiển nhiệt độ.

Đặc biệt là học viên học được cách lập trình hệ thống điều khiển nhiệt độ

bằng ngôn ngữ lập trình Step 7 với tín hiệu đầu vào bộ điều khiển là các cảm

biến đo nhiệt độ RTD, tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển là Heater ( Bộ nung).

Một điều không thể thiếu trong điều khiển quá trình là cơ cấu chấp hành : cơ khí

của hệ thống phải chắc chắn và chính xác . Ngoài ra học viên còn hiểu về modul

chuyên dùng RTD kết nối S7200 để điều khiển quá trình nhiệt đô, bên cạnh đó

học viên còn tìm hiểu thêm bộ tích hợp điều khiển nhiệt độ (Temp

Controller),đây là bộ điều khiển chỉ điều khiển đạt ở một nhiệt độ nhất định nào

đó chứ không điều khiển nhiều điểm ( điều khiển quá trình) mà ta mong muốn,

muốn đạt được một giá trị nhiệt độ khác ta phải thay đổi giá trị setpoint.

II) MÔ TẢ CÁC THIẾT BỊ TRÊN MÔ HÌNH

Thiết bị bao gồm:- Lò nung nhỏ + bộ công suất đốt lò.

- Cảm biến nhiệt độ RTD: PT100 của Đài Loan. Khi nhiệt độ thay đổi thì

điện trở của PT100 thay đổi tuyến tính theo bảng tra tương ứng giữa nhiệt

độ và điện trở. 0oC ~ 100 ohm. Số lượng trên mô hình: 2 bộ

- PLC Siemens : CPU222, CPU 224 (DC/DC/DC)

- Phần mềm Step7 –Microwin V4.0

- Mô đun RTD EM 231

Mô đun tiếp nhận tín hiệu từ các bộ cảm biến

Sử dụng thân nhiệt ,đo được nhiệt độ với độ chính xác cao

Hỗ trợ 31 loại cảm biến nhiệt điện trở

Dễ dàng cài đặt trong hệ thống hiện có

Thích hợp cho kết nối s7-222/224/226

Số đầu vào tương tư : 2 kênh

Dải đầu vào /trở kháng đầu vào : RTD loại :

Pt 100 Ohm, 200 Ohm,500, 1000 Ohm

Pt 10000 Ohm

Cu 9.035 Ohm

Ni 10, 120,1000 Ohm

R 150, 300,600 Ohm

Điện trở đầu vào : nhỏ nhất 10 Mohm

Điện áp đầu vào lớn nhất : 30 VDC

Độ phân giải : 15 bit + bit dấu

Dải giá trị biến đổi: tín hiệu 2 cực từ -27648 tới +27648

- Bộ điều khiển nhiệt độ tích hợp (Temperature Controller):

đây là bộ điều khiển được ứng dụng điều khiển đơn giản một mức nhiệt

độ nào đó theo giá trị cài đặt ban đầu. Nếu muốn thay đổi điều khiển đạt

được ở một nhiệt độ khác thì ta phải cài đặt điểm setpoint lại. Chính vì

vậy đối với những ứng dụng đòi hỏi điều khiển phức tạp hơn như điều

khiển quá trình theo những giản đồ bậc thang nhiệt độ theo những mốc

thời gian khác nhau mà người sử dụng chỉ cần cài đặt các thông số một

lần vào lúc ban đầu hệ bắt đầu làm việc thì bộ điều khiển này không phù

hợp cho ứng dụng, vì người vận hành phải mất thời gian để theo dõi và

thay đổi cài đặt lại thông số theo những mốc thời gian khác nhau, rất mất

thời gian và không hiệu quả. Chính vì lý do đó,sự lựa chọn hiệu quả nhất

cho quá trình điều khiển nhiệt độ phức tạp theo giản đồ bậc thang là dùng

PLC S7200 + modul điều khiển nhiệt RTD.

- Chính vì vậy mà trong mô hình này được thiết kế với 2 giải pháp điều

khiển nhiệt độ:

Điều khiển đơn giản ( điều khiển một cấp nhiệt độ nào đó) dùng bộ

điều khiển tích hợp.

Điều khiển phức tạp theo giản đồ thời gian nhiệt độ dùng PLC và

modul điều khiển nhiệt.

- Màn hình HMI TD200: đây là màn hình giao diện người máy dạng text

display của Siemens .Màn hình này được ứng dụng để giám sát , thu thập

và thay đổi thông số điều khiển của hệ thống thông qua việc giao tiếp

truyền dữ liệu giữa PLC và TD200. Màn hình này được ứng dụng rất rộng

rãi trong công nghiệp kết hợp với PLC để giúp cho người vận hành hiệu

quả ,an toàn, năng suất cao và chính xác .Để hiểu rõ cách lập trình cho

màn hình TD200 giao tiếp với PLC, xin vui lòng tham khảo tài liệu hướng

dẫn lập trình TD 200 của hãng Siemens với tài liệu đi kèm.

III) NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÔ HÌNH VÀ CHƯƠNG TRÌNH

ĐIỀU KHIỂN

1) Nguyên lý hoạt động : cảm biến nhiệt PT100 gắn trên lò nung sẽ đưa tín

hiệu nhiệt độ về bộ điều khiển theo sơ đồ kết nối như hình vẽ ,( PT100 sẽ

đo nhiệt độ hiện tại của lò nung ) ,lúc này bộ điều khiển sẽ so sánh giá trị

nhiệt độ hiện tại của lò nung với giá trị cài đặt trong chương trình và tính

toán cho ra một hàm điều khiển PID tối ưu để thay đổi tần số đóng cắt

nguồn cho Heater làm sao nhiệt độ của lò nung đạt đến một giá trị mong

muốn đã được cài đặt trong chương trình.

2) Hướng dẫn vận hành mô hình :

Điều khiển đơn giản dùng bộ điều khiển nhiệt độ tích hợp

(Temperature Controller):

Kết nối cảm biến nhiệt Pt100 vào bộ điều khiển theo đúng cực

như hình vẽ minh hoạ theo sau.

Cài đặt thông số P ( hệ số tỉ lệ) cho bộ điều khiển theo tài liệu hướng dẫn đi kèm .Cài đặt thông số I (hệ số tích phân) cho bộ điều khiển theo tài liệu hướng dẫn đi kèm.Cài đặt thông số D (hệ số vi phân) cho bộ điều khiển theo tài liệu hướng dẫn đi kèm.Cài đặt loại cảm biến nhiệt độ: Pt100 cho bộ điều khiển theo tài liệu hướng dẫn đi kèm.Cài đặt chu kỳ thời gian: khoảng 1ms ( tần số đóng cắt) cho bộ điều khiển để xác định thời gian Ton và Toff.

Có thể cài thêm giá trị Offset của bộ điều khiển nếu giá trị nhiệt độ hiển thị trên bộ điều khiển không đúng sai lệch ban đầu so với nhiệt độ thực tế.Cài đặt giá trị setpoint cho bộ điều khiển theo tài liệu hướng dẫn.Sau khi cài đặt xong, cấp nguồn 24VDC vào cặp tiếp điểm Out và NO kết nối đầu vào bộ SSR (Solid Relay). Khi cặp tiếp điểm này tác động thì sẽ kích SSR và đầu ra của SSR sẽ cấp nguồn 220VAC cho Heater lò nung. Đấu nối như hình vẽ :

Theo dõi quá trình thay đổi nhiệt độ: thời gian đáp ứng, thời gian xác lập,

độ vọt lố để dò ra một hệ số P,I, D tối ưu. Khi đã tìm ra được các hệ số tối ưu rồi

thì không thay đổi nữa trong quá trình làm việc của hệ thống. Vì mỗi hệ thống

có một kích thước khác nhau, công suất của Heater khác nhau và điều kiện làm

mát của môi trường khác nhau nên các hệ số P,I,D cũng khác nhau.Thông

thường thay đổi hệ số P trước ( thay đổi thời gian đáp ứng ban đầu) từ thấp đến

cao. Nếu chọn P không hợp lý thì thời gian đáp ứng ( thời gian để nhiệt độ đạt

đến điểm setpoint) chậm hoặc là nhanh quá thì độ vọt lố cao thì khó đạt được giá

trị xác lập. Tiếp đến là thay đổi thông số I, D để thời gian xác lập nhanh.

Khi đã đạt được xác lập rồi tại một điểm nhiệt độ nào đó nếu muốn điều

khiển tại điểm khác thì phải cài lại giá trị setpoint cho bộ điều khiển chứ không

được thay đổi thông số P, I, D.

Điều khiển dng bộ điều khiển S7200 v modul điều khiển nhiệt độ RTD:

Kết nối cảm biến nhiệt Pt100 vào bộ điều khiển theo đúng cực như hình

vẽ minh hoạ theo sau.( Chọn kênh Analog Input 1 hoặc Analog Input 2) . Lưu ý

modul analog RTD có hai kênh nên khi đã sử dụng một kênh còn một kênh còn

lại nếu không sử dụng thì có volume chỉnh điện trở khoảng 100 omh để tạo tín

hiệu đầu vào kênh 2. Vì modul này sẽ báo lỗi nếu như ta để hở mạch các kênh

analog còn lại nếu không sử dụng.

Kết nối ngõ ra Digital Output của PLC ( Q0.0 hoặc Q0.1) vào Heater

(theo mũi tên chỉ dẫn trên hình vẽ), từ đầu jack kí hiệu Heater trên bảng điều

khiển kết nối vào bộ Solid relay(SSR) nếu dùng PLC thì không dùng bộ điều

khiển tích hợp (Temperature Controller) mà chỉ dùng cho hiển thị nhiệt độ thực

tế.Trên mô hình trong lò nhiệt có bố trí hai cảm biến nhiệt độ Pt100 , một cảm

biến thì nối vào modul EM231 (RTD) để điều khiển còn một cảm biến còn lại

thì đấu nối vào bộ Temperature Controller để xem nhiệt độ thực tế chứ không

tham gia điều khiển (Cách đấu nối các cảm biến đã được trình bày ở trên).

Mở chương trình Step7 Microwin lên và tạo Wizard điều khiển nhiệt độ

theo những bước sau:

Từ menu chính Double lick vào biểu tượng Wizard như hình vẽ:

Sau đó xuất hiện cửa sổ:

Double vào folder PID trong thư mục Wizard và một cửa sổ xuất hiện

Click Next đến cửa sổ kế tiếp: trong cửa sổ này nhập các thông số

- Specify the High Rang for the loop Setpont : nhiệt tối đa của quá trình

- Gain : hệ số tỉ lệ đồng nghĩa là hệ số P

- Integral Time : hệ số I (tích phân)

- Derivative Time : hệ số vi phân ( D)

- Sample Time : thời gian lấy mẫu. Sau bao lâu là lấy mầu một lần

Click next đến cửa sổ kế tiếp :

- Trong cửa sổ này chọn :

Scaling: Unipolar

Low Range: 0

High Range: 1000 ( 1000C)

Output Type: Digital

Click Next đến cửa sổ kế tiếp:

- Trong cửa sổ này nếu cài giá trị : High Alarm, hay Low Alarm nhiệt độ

thì Click vào các ô trống và chọn giới hạn muốn cài đặt.

- Click Next đến cửa sổ kế tiếp :trong cửa sổ này PLC cho biết vùng nhớ

dành cho hàm điều khiển nhiệt độ từ VB0 đến VB119 vì vậy khi viết chương

trình lưu ý không dùng những vùng nhớ này.

Click Next đến cửa sổ tiếp theo:

Wizard đã tạo ra một chương trình con điều khiển : PIDO_INIT

Click Next đến cửa sổ tiếp:

Click Finish để kết thúc tạo Wizard điều khiển nhiệt độ

Trong chương trình chính gọi hàm điều khiển nhiệt độ PIDO_INIT từ thư mục

Instruction

Double Click vào Instruction và sau đó Double Click vào Call Subroutine

Chọn PID0_INIT

PV_I : nhập vào kênh analog đang dùng : AIW0 hoặc AIW2

Setpoint : giá trị cài đặt .Ví dụ : nhập vào 50.0 ( nhiệt độ đặt)

Output : nhập vào Q0.0 hoặc Q0.1

Sau khi nhập xong cho chương trình chạy thử và xem quá trình đáp

ứng trong cửa PID Tune Control Panel . Để hiện cửa sổ này vào

Tool PID Tune Control Panel. Lưu ý chỉ khi nào Online thì mới

vào cửa sổ PID Tune Control Panel được.

Trong cửa sổ này có thể theo dõi và thay đổi các thông số P, I, D để

tìm ra một giá trị tối ưu nhất.

Để điều khiển một chương trình phức tạp theo một giản đồ bậc thang

nhiệt độ thời gian xem chương trình điều khiển mẫu kèm theo.

BÀI TẬP:

Viết chương trình điều khiển đóng cắt lò nhiệt, yêu cầu:

- Đóng cắt điện trở lò có tầm đo 00C – 1000C ( 0V – 10V)

- Giá trị cài đặt nhiệt độ nhập từ bàn phím (I0.0 – I0.2)

- Khi nhập xong ấn nút Set ghi nhận giá trị;

- Muốn đặt lại nhấn Clear.