Đồ án: Thiết kế mô hình điều khiển ổn định nhiệt độ lò gia nhiệt với PLC Q Mitsubishi

Tài liệu đồ án thiết kế mô hình điều khiển ổn định nhiệt độ lò gia nhiệt, ứng dụng PLC Q Mitsubishi kết hợp thuật toán điều khiển PID và giám sát HMI.

• Người hướng dẫn: Cô Bùi Thị Hải Linh
• Trường học: Không có thông tin
• Chuyên ngành: Điều khiển tự động
• Đề tài: Thiết kế mô hình điều khiển – Sử dụng PLC Q mitsubishi để ổn định nhiệt độ lò gia nhiệt
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: Không có thông tin
• Địa điểm: Không có thông tin

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống lò gia nhiệt và nguyên lý hoạt động

Lò gia nhiệt là thiết bị chuyên dụng biến đổi điện năng thành nhiệt năng, được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp luyện kim, chế biến thực phẩm và nghiên cứu khoa học. Nhiệt độ là yếu tố quyết định chất lượng sản phẩm, vì thế điều khiển nhiệt độ lò trở thành công việc vô cùng quan trọng. Việc duy trì nhiệt độ ổn định không chỉ bảo vệ thiết bị mà còn đảm bảo tính chất cơ học của vật liệu như độ bền, độ dẻo và khả năng chống rỉ sét. Hệ thống lò điện bao gồm các phương pháp biến đổi như điện trở, cảm ứng và hồ quang điện. Mỗi phương pháp có ưu điểm riêng, phù hợp với các ứng dụng cụ thể. Để đạt hiệu quả cao, các lò hiện đại sử dụng các phương pháp điều khiển tự động thay vì điều khiển thủ công.

1.1. Các phương pháp biến đổi điện năng trong lò gia nhiệt

Phương pháp điện trở sử dụng dây điện trở phát sinh nhiệt khi có dòng điện chạy qua. Phương pháp cảm ứng dựa trên nguyên lý từ trường cảm ứng để tạo ra nhiệt trong vật liệu dẫn điện. Phương pháp hồ quang điện tạo ra cung điện giữa hai cực, phát sinh nhiệt cực cao, phù hợp cho luyện kim công suất lớn. Mỗi phương pháp có hiệu suất nhiệt khác nhau và được lựa chọn dựa trên yêu cầu ứng dụng cụ thể.

1.2. Các loại lò điện thực tế

Lò điện trở được sử dụng phổ biến nhất do cấu tạo đơn giản và chi phí thấp. Lò cảm ứng cung cấp hiệu quả cao và điều khiển chính xác, thích hợp cho công nghiệp. Lò hồ quang điện đạt nhiệt độ cực cao, thích hợp cho luyện thép và kim loại quý. Các lò hiện đại thường kết hợp nhiều phương pháp để tối ưu hóa hiệu suất và độ chính xác.

II. Các phương pháp điều khiển nhiệt độ lò

Điều khiển nhiệt độ lò gia nhiệt có ba phương pháp chính: kiểu đóng-ngắt, tương tự và số với bộ vi xử lý. Điều khiển ON-OFF là phương pháp cơ bản nhất, bật hoặc tắt hoàn toàn nguồn điện theo ngưỡng nhiệt độ. Phương pháp này đơn giản nhưng độ chính xác thấp, gây dao động nhiệt độ. Điều khiển tương tự điều chỉnh công suất cung cấp liên tục dựa trên sai lệch nhiệt độ, nâng cao độ ổn định. Điều khiển số với bộ vi xử lý, đặc biệt là sử dụng PLC Mitsubishi Q-series, cho phép lập trình phức tạp, tích hợp thuật toán PID để đạt độ chính xác cao và ổn định lâu dài. Phương pháp này cũng hỗ trợ giám sát, ghi log và điều khiển từ xa qua HMI.

2.1. Phương pháp điều khiển ON OFF

Điều khiển ON-OFF hoạt động bằng cách bật toàn công suất khi nhiệt độ dưới mục tiêu và tắt hoàn toàn khi vượt ngưỡng. Phương pháp này gây dao động nhiệt độ quanh giá trị thiết lập, không phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao. Tuy nhiên, nó vẫn được sử dụng cho các lò đơn giản do chi phí thấp và dễ thực hiện.

2.2. Phương pháp điều khiển PID với PLC Mitsubishi

Thuật toán PID kết hợp ba thành phần: Kp (Proportional) điều chỉnh ngay theo sai lệch hiện tại, Ki (Integral) loại bỏ sai lệch định mức, Kd (Derivative) giảm thiểu quá mức. PLC Mitsubishi Q-series cung cấp khối điều khiển PID tích hợp sẵn, cho phép tinh chỉnh tham số dễ dàng. Kết hợp với HMI Weintek MT8071IP, hệ thống có giao diện thân thiện, hiển thị realtime và lưu trữ dữ liệu quá trình.

III. Thành phần chính của hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển lò gia nhiệt bằng PLC Mitsubishi Q bao gồm nhiều thành phần then chốt. PLC Mitsubishi Q-series là bộ điều khiển logic khả trình, xứ lý dữ liệu từ các cảm biến và điều khiển các thiết bị thực hiện. Module Analog Q64AD2DA tiếp nhận tín hiệu từ cảm biến PT100 đo nhiệt độ lò (0-400°C) và xuất tín hiệu điều khiển đến điện trở sấy. Module ngõ vào QX40 và module ngõ ra QY41P xử lý các tín hiệu số cho nút ấn, công tắc và rơ le. Màn hình HMI Weintek MT8071IP cung cấp giao diện giám sát trực quan với khả năng đặt thông số và xem lịch sử hoạt động. Nguồn một chiều cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống, đảm bảo ổn định điện áp và bảo vệ quá tải.

3.1. PLC Mitsubishi Q series và các module mở rộng

PLC Mitsubishi Q-series là bộ điều khiển lập trình cao cấp với hiệu suất xử lý nhanh và tính ổn định cao. Hỗ trợ giao tiếp Ethernet, cổng serial, IO mô-đun. Module analog Q64AD2DA cho phép đọc tín hiệu analog từ cảm biến và xuất tín hiệu analog để điều khiển. Cấu trúc module linh hoạt, dễ mở rộng theo nhu cầu ứng dụng cụ thể.

3.2. Cảm biến PT100 và bộ chuyển đổi

Cảm biến PT100 là cảm biến nhiệt độ điện trở có độ chính xác cao, phạm vi đo 0-400°C. Bộ chuyển đổi PT100 biến đổi giá trị điện trở thành tín hiệu analog 4-20mA hoặc 0-10V, tương thích với module IO của PLC. Đây là lựa chọn tiêu chuẩn cho các ứng dụng điều khiển nhiệt độ công nghiệp yêu cầu độ tin cậy cao.

IV. Lập trình và vận hành hệ thống với GX Work 2

Phần mềm GX Work 2 là công cụ lập trình chính thức của Mitsubishi Electric cho PLC Q-series. Giao diện trực quan của GX Work 2 hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình như Ladder Diagram (LD), Function Block Diagram (FBD) và Structured Text (ST). Quy trình lập trình bắt đầu bằng tạo dự án mới, định nghĩa địa chỉ biến vào/ra, xây dựng logic điều khiển PID và giao tiếp HMI. Thuật toán điều khiển được cài đặt để đọc giá trị nhiệt độ từ cảm biến, so sánh với setpoint, tính toán sai lệch và điều chỉnh công suất của điện trở sấy. Chương trình điều khiển bao gồm các khối khởi tạo biến, vòng lặp chính xử lý luôn, các hàm PID và ghi log dữ liệu. Sau lập trình, chương trình được tải vào PLC qua cáp cộng (USB hoặc serial) rồi chạy liên tục để điều khiển lò.

4.1. Giao diện và quy trình tạo dự án GX Work 2

GX Work 2 cung cấp giao diện IDE đầy đủ với trình chỉnh sửa code, debugger và trình mô phỏng. Quy trình tạo dự án bắt đầu bằng chọn mô hình PLC Q-series, sau đó tạo dự án mới và định nghĩa I/O. Cây dự án hiển thị tất cả module, biến, chương trình để dễ quản lý. Lưu dự án thường xuyên là thực hành tốt để tránh mất dữ liệu.

4.2. Thiết kế chương trình điều khiển và vận hành

Chương trình điều khiển được thiết kế theo diagram sơ đồ logic hoặc ngôn ngữ text. Khối PID được cài đặt với tham số Kp, Ki, Kd để tối ưu hiệu suất. Vòng lặp chính chạy chu kì quét PLC (thường 10-100ms) để cập nhật sensor và xuất lệnh điều khiển. Vận hành hệ thống bắt đầu bằng tải chương trình vào PLC, khởi động hệ thống qua HMI và giám sát quá trình gia nhiệt trong màn hình HMI realtime.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÒ GIA NHIỆT I. Giới thiệu về lò gia nhiệt Lò điện là thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng, dùng trong công nghiệp nấu chảy vật liệu, công nghệ nung nóng và trong công nghệ nhiệt luyện. Lò điện được sử dụng phổ biến trong nhiều ngành công nghiêp, trong ngành y tế v. Đặc điểm của lò điện - Có khả năng tạo ra nhiệt độ cao do nhiệt năng được tập trung trong một thể tích nhỏ.

- Do nhiệt năng tập trung, nhiệt tập trung nên lò có tốc độ nung nhanh và năng suất cao. - Đảm bảo nung đều, dễ điều chỉnh, khống chế nhiệt và chế độ nhiệt. - Lò đảm bảo được độ kín, có khả năng nung trong chân không hoặc trong môi trường có khí bảo vệ, vì vậy độ cháy tiêu hao kim loại không đáng kể. - Có khả năng cơ khí hoá và tự động hoá ở mức cao.

- Đảm bảo điều kiện vệ sinh: không có bụi, không có khói. Các phương pháp biến đổi điện năng 1.1 Phương pháp điện trở: Phương pháp điện trở dựa trên định luật Joule -Lence: khi cho dòng điện chạy qua dây dẫn, thì trên dây dẫn toả ra một nhiệt lượng, nhiệt lượng này được tính theo biểu thức: Q = I2Rt [J] Trong đó: I - cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn, A. R- điện trở dây dẫn, Ω; t - thời gian dòng điện chạy qua dây dẫn, s Nguyên lý làm việc của lò điện trở được biểu diễn trên hình 1. Nguyên lý làm việc của lò điện trở a) Đốt nóng trực tiếp b) đốt nóng gián tiếp 7 1.

Vật liệu được nung nóng trực tiếp; 2. Đầu cấp điện 5. Vật liệu được nung nóng trực tiếp 1.2 Phương pháp cảm ứng Phương pháp cảm ứng dựa trên định luật cảm ứng điện từ Faraday: khi cho dòng điện đi qua cuộn cảm thì điện năng được biến thành năng lượng của từ trường biến thiên. Khi đặt khối kim loại vào trong từ trường biến thiên đó, trong khối kim loại sẽ xuất hiện dòng điện cảm ứng - dòng điện xoáy (dòng Foucault).

Nhiệt năng của dòng điện xoáy sẽ nung nóng khối kim loại. Ngyên lý làm việc của lò cảm ứng được biểu diễn trên hình 1. Nguyên lý làm việc của lò cảm ứng a) lò cảm ứng có mạch từ b) lò cảm ứng không có mạch từ 1. vòng cảm ứng, 2.

tường lò bằng vật liệu chịu nhiệt 1.3 Phương pháp hồ quang điện Phương pháp hồ quang điện dựa vào ngọn lửa hồ quang điện. Hồ quang điện là một trong những hiện tượng phóng điện qua chất khí. Trong điều kiện bình thường thì chất khí không dẫn điện, nhưng nếu ion hoá khí và dưới tác dụng của điện trường thì khí sẽ dẫn điện. Khi hai điện cực tiếp cận nhau thì giữa chúng sẽ xuất hiện ngọn lửa hồ quang.

Người ta lợi dụng nhiệt năng của ngọn lửa hồ quang này để gia công cho vật nung hoặc nấu chảy. Nguyên lý làm việc của hồ quang điện được biểu diễn trên hình 1. Nguyên lý làm việc của lò quang điện a) lò hồ quang trực tiếp b) lò hồ quang gián tiếp 1. ngọn lửa hồ quang; 3.

vật gia nhiệt (kim loại); 4. Một số loại lò điện thực tế 2. Lò điện trở Lò điện trở là thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng thông qua dây đốt (dây điện trở). Từ dây đốt, qua bức xạ, đối lưu và truyền dẫn nhiệt, nhiệt năng được truyền tới vật cần gia nhiệt.

Lò điện trở thường được dùng để nung, nhiệt luyện, nấu chảy kim loại màu và hợp kim màu… Hình 1.4 Lò nung điện trở 1200 độ THÔNG SỐ KỸ THUẬT Kích thước ngoài: 400mm x 500mm x 400mm Kích thước trong: 200mm x 200mm x 200mm Nhiệt độ tối đa: 1200 độ C Điện áp vào: 220V, 50Hz Công suất: 3KW 9 2.2 Lò điện cảm ứng Lò cảm ứng, hay còn gọi lò nấu cảm ứng điện từ, lò nung cảm ứng điện từ,. là một loại lò điện sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ. Khi cấp nguồn điện cho các vòng dây quấn quanh tường lò sẽ làm xuất hiện từ thông biến thiên bên trong nồi lò. Kim loại trong lò nằm trong vùng từ thông biến thiên sẽ phát trinh dòng điện chạy bên trong, chính dòng điện này sẽ nung nóng và làm chảy kim loại.

Lò cảm ứng có công suất từ dưới 1 kg đến 100 tấn, dùng để nấu gang, thép , đồng , nhôm và các kim loại quý. So với hầu hết các công nghệ nấu chảy kim loại khác, ưu thế của lò nấu cảm ứng là sạch, hiệu quả năng lượng và dễ điều khiển quá trình nấu.5 Lò điện cảm ứng 2.3 Lò hồ quang điện Lò hồ quang điện là loại lò dùng năng lượng của hồ quang điện làm nóng và đun chảy loại vật liệu chất vào lò. Các lò hồ quang điện có công suất từ nhỏ xấp xỉ 1 tấn (dùng trong các xưởng đúc để sản xuất gang thỏi) đến cỡ 400 tấn dùng để luyện thép thứ cấp. Các lò hồ quang điện dùng trong phòng thí nghiệm hay các cơ sở nha khoa có công suất chỉ vài chục gram.

Các lò hồ quang điện công nghiệp có thể đạt đến nhiệt độ 1.272 °F) còn các lò trong phòng thí nghiệm có thể đạt trên 3.6 Lò hồ quang điện 10 III. Phương pháp điều khiển nhiệt độ lò 3.1 Điều khiển kiểu đóng – ngắt (ON-OFF) Khảo sát ví dụ hệ thống điều nhiệt đơn giản nhất cho lò điện gồm rơ le nhiệt (thermostat) và khởi động từ. Điện thế V2 cấp cho dây đốt lò điện được cấp qua khởi động từ SW1. Khi khởi động từ đóng, lò được cấp điện và khi khởi động từ ngắt, lò được ngắt điện.

Cuộn điều khiển của khởi động từ được cấp điện V1 qua tiếp điểm của Rơ le nhiệt đặt trong lò (thực tế thường sử dụng 1 nguồn V(~220VAC) chung cho V1 và V2. Trong quá trình điều khiển nhiệt, rơ le nhiệt sẽ đóng ngắt khi nhiệt độ lò thấp hoặc lớn hơn giá trị đặt. Do đó, làm đóng hoặc ngắt tương ứng khởi động từ để cấp hoặc ngắt điện cho dây đốt lò. Hệ điều khiển này thuộc kiểu đóng - ngắt ( ON- OFF).

Do quán tính của quá trình nhiệt, khi cắt điện đốt lò, nhiệt độ điều khiển vẫn còn tăng thêm một giá trị nào đó và khi đóng điện, nhiệt độ vẫn còn giảm (hình 8). Nhiệt độ của lò có sự thăng giáng quanh giá trị trung bình. Sự thăng dáng này tăng lên khi sự mất nhiệt tăng. Phương pháp điều khiển ON-OFF có độ thăng dáng nhiệt độ điều khiển ~từ vài đến 10 % tuỳ thuộc vào sự mất nhiệt.2 Điều khiển kiểu tương tự Khác với nguyên tắc điều khiển đóng ngắt lò điện qua khởi động từ (kiểu ON- OFF), hệ thống điều nhiệt điện tử cho phép điều khiển liên tục quá trình đốt lò thông qua khoá điện tử.

Như vậy lò được điều khiển đốt bằng các xung điện, có chu kỳ điều khiển được, tuỳ thuộc vào trạng thái nhiệt của lò. Nếu lò chưa đủ nhiệt độ đặt, chu kỳ xung đốt sẽ ngắn. Nếu lò có nhiệt độ tiến tới gần nhiệt độ đặt, chu kỳ đốt sẽ thưa dần. Trong trạng thái dừng, ở nhiệt độ lò bằng nhiệt độ đặt, thiết bị sẽ điều khiển cung cấp cho lò lượng nhiệt chính bằng lượng nhiệt thất thoát (do có truyền nhiệt ra môi trường, do mất nhiệt khi sử dụng lò để gia công sản phẩm).

Có thể thấy nguyên tắc điều khiển này thuộc kiểu PID trong đó chứa các kiểu điều khiển: - Tác động điều khiển tỷ lệ với sai lệch nhiệt độ (P). - Tác động điều khiển liên tục khi có sai lệch nhiệt độ (I). - Tác động điều khiển tỷ lệ với tốc độ sai lệch nhiệt độ (D). Do vậy, phương pháp điều nhiệt này có độ chính xác cao (~ 1%) so với phương pháp điều khiển ON-OFF.

Hệ điều khiển nhiệt bao gồm các mảng chức năng: 11 - Cảm biến nhiệt loại cặp nhiệt điện (Thermocouple): kiểu J hoặc K , có thông số kỹ thuật cho trong bảng 3. - Bộ khuếch đại thế đo trên IC A1. Biến trở P2: OFFSET- MEAS. cho phép chỉnh điểm "0" của thang đo và biến trở P1: GAIN- MEAS.

cho phép chỉnh hệ số khuếch đại của bộ đo. Bộ khuếch đại thế đo cho giá trị thế ra (Cm) âm. - Bộ khuếch đại thế đặt (SP) trên IC A2. Biến trở P4: OFFSET- SET.

cho phép chỉnh điểm "0" của thang đặt và biến trở P5: GAIN- SET. cho phép chỉnh hệ số khuếch đại của thang đặt. Biến trở đặt P3: SETPOT sử dụng để đặt nhiệt độ lò sau khi đã chuẩn nhiệt. Bộ khuếch đại thế đặt cho giá trị thế ra(SP) âm.

- Bộ đo nhiệt độ là bộ đo thế hiện số (Digital Voltmeter), xây dựng trên ADC 10 bits, cho phép chỉ thị trên LED 7 đoạn với 3 1/2 số hạng (Digits), cho phép chỉ thị nhiệt độ tới 1999 oC. - Bộ đo có thể đo nhiệt độ của lò hoặc nhiệt độ đặt, tuỳ thuộc vào vị trí công tắc SW1 - MEAS. - Bộ khuếch đại giá trị sai lệch (e) trên IC A3, cho phép khuếch đại hiệu số giữa thế đặt SP và thế đo Cm để hình thành tín hiệu điều khiển phần công suất. Thế ra của bộ khuếch đại giá trị sai lệch = k.

Trong đó giá trị k có thể chỉnh nhờ P6 - Dải tỷ lệ - PROP. Giả sử nhiệt độ lò cao hơn nhiệt độ đặt, thế ra của bộ khuếch đại đo A1 tác động vào lối vào dương A3, sẽ âm hơn thế ra từ bộ khuếch đại đặt A2. Bộ khuếch đại giá trị sai lệch A3 sẽ tạo thế âm lối ra, qua A4, làm cấm Q3, ngắt tín hiệu kích Triac TR1, làm ngừng đốt lò. Giả sử nhiệt độ lò thấp hơn nhiệt độ đặt, thế ra của bộ khuếch đại đo A1 tác động vào lối vào dương A3, sẽ ít âm hơn thế ra từ bộ khuếch đại đặt A2.

Bộ khuếch đại giá trị sai lệch A3 sẽ cho ra thế dương, qua A4-A, cho phép mở Q3, tạo tín hiệu kích Triac TR1 dẫn, thực hiện cấp điện cho lò. Việc điều khiển đốt lò được đồng bộ bởi các máy phát xung. Máy phát xung đa hài tần số 1kHz cho phép biến đổi thế điều khiển từ lối ra A3, A4 thành chuỗi xung 1kHz tác động qua Q3 để kích dẫn TR1 qua biến thế cách ly. Máy phát xung răng cưa đối xứng với tần số thấp (~ 10sec), tác động vào lối vào âm A4, biến đổi thế điều khiển từ lối ra A3 thành các xung.3 Điều khiển số với bộ vi xử lý 12 Hệ điều khiển số sử dụng bộ vi xử lý có cấu trúc hoàn toàn khác với hệ thống điều khiển tương tự được mô tả ở trên.