Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển lò nhiệt theo góc kích dùng giải thuật PID

Tài liệu đồ án tốt nghiệp chi tiết về điều khiển nhiệt độ lò nhiệt, ứng dụng giải thuật PID theo góc kích, sử dụng PLC FX3U, HMI và cảm biến PT100.

• Tác giả: Nguyễn Trần Gia Huy
• Người hướng dẫn: Th.S Cù Minh Phước
• Trường học: Trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật điều khiển & tự động hóa
• Đề tài: Điều Khiển Nhiệt Độ Lò Nhiệt Theo Góc Kích Sử Dụng Giải Thuật PID
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp cao đẳng
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới Thiệu Về Đồ Án Điều Khiển Nhiệt Độ Lò Nhiệt PID Theo Góc Kích

Đồ án điều khiển nhiệt độ lò nhiệt PID theo góc kích là một dự án tốt nghiệp cao đẳng trong lĩnh vực tự động hóa và điều khiển. Đây là sự kết hợp hoàn hảo giữa lý thuyết điều khiển hiện đại và ứng dụng thực tế trong công nghiệp. Dự án này tập trung vào việc sử dụng giải thuật PID (Proportional-Integral-Derivative) để điều chỉnh nhiệt độ của lò nhiệt một cách chính xác và hiệu quả. Hệ thống sử dụng PLC Mitsubishi FX3U-24MT kết hợp với cảm biến nhiệt độ PT100 để thu thập và xử lý dữ liệu. Điểm nổi bật của đồ án là việc áp dụng kỹ thuật điều chỉnh góc kích để điều khiển công suất đầu vào một cách tuyến tính, giúp tối ưu hóa quá trình điều khiển nhiệt độ và tiết kiệm năng lượng.

1.1. Mục Tiêu Của Đề Tài Đồ Án

Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế và xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt độ sử dụng PID controller với khả năng điều chỉnh công suất theo góc kích (thyristor angle control). Hệ thống phải đạt được độ chính xác cao trong duy trì nhiệt độ, phản ứng nhanh với các thay đổi điều kiện, và có khả năng giám sát từ xa qua giao diện HMI Weintek. Ngoài ra, đề tài cũng nhằm phát triển kỹ năng thực hành lập trình PLC, thiết kế mạch điều khiển, và ứng dụng các công cụ phần mềm chuyên dụng như GX Developer và Easy Builder 8000.

1.2. Ý Nghĩa Thực Tiễn Của Hệ Thống

Hệ thống điều khiển PID theo góc kích có ý nghĩa thực tiễn cao trong các ứng dụng công nghiệp như lò sơ, lò hơi, hoặc thiết bị gia nhiệt khác. So với các phương pháp điều khiển truyền thống, hệ thống này mang lại hiệu suất cao hơn, tiêu thụ điện năng ít hơn, và khả năng điều khiển chính xác hơn. Kinh nghiệm từ dự án này có thể áp dụng vào nhiều lĩnh vực khác của công nghiệp tự động hóa.

II. Các Thành Phần Chính Của Hệ Thống Điều Khiển

Hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nhiệt được cấu thành từ nhiều thành phần quan trọng làm việc theo phối hợp chặt chẽ. Trung tâm của hệ thống là PLC Mitsubishi FX3U-24MT, thiết bị lập trình có khả năng xử lý các thuật toán điều khiển phức tạp. Để đo lường nhiệt độ, dự án sử dụng cảm biến PT100 - một cảm biến kháng nhiệt trở rất phổ biến và tin cậy trong các ứng dụng công nghiệp. Vi điều khiển PIC16F877A được sử dụng để điều khiển board driver góc kích, thiết bị chịu trách nhiệm điều chỉnh công suất đầu vào. Linh kiện Triac được sử dụng để chuyển mạch dòng điện xoay chiều với độ chính xác cao. Cuối cùng, giao diện HMI Weintek MT6070iH cung cấp điểm tiếp xúc giữa người dùng và hệ thống điều khiển.

2.1. PLC Mitsubishi FX3U 24MT Và Cảm Biến PT100

PLC FX3U-24MT là bộ điều khiển logic lập trình mạnh mẽ với 24 đầu vào/ra, khả năng tính toán nhanh, và hỗ trợ giao thức Modbus để truyền thông với HMI. Cảm biến PT100 chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ thành điện trở, sau đó bộ chuyển đổi tín hiệu sẽ biến đổi thành tín hiệu điện áp hoặc dòng điện để PLC có thể đọc được. Sự kết hợp này đảm bảo độ chính xác ±0.5°C trong việc đo lường nhiệt độ.

2.2. Board Driver Góc Kích Và Linh Kiện Điều Khiển

Board driver góc kích chứa vi điều khiển PIC16F877A, quản lý việc phát tín hiệu điều khiển Triac để thay đổi góc dẫn của dòng điện xoay chiều. Linh kiện MOC3052 (quang hóa) được sử dụng để cách ly giao tiếp giữa phần logic và phần công suất cao. Triac là một công tắc bán dẫn ba chân có thể điều khiển dòng điện xoay chiều theo cả hai nửa chu kỳ, giúp điều chỉnh công suất tuyến tính và cải thiện hiệu suất hệ thống.

III. Giải Thuật PID Và Phương Pháp Tối Ưu Hóa

Giải thuật PID là một phương pháp điều khiển phổ biến nhất trong các ứng dụng công nghiệp hiện đại. P (Proportional) - thành phần tỷ lệ phản ứng với sai số hiện tại, I (Integral) - thành phần tích phân loại bỏ sai số dừng lâu dài, và D (Derivative) - thành phần đạo hàm dự đoán xu hướng của sai số. Bằng cách điều chỉnh ba hệ số Kp, Ki, Kd, ta có thể tối ưu hóa hiệu suất hệ thống để đạt được phản ứng nhanh, ổn định, và chính xác. Dự án sử dụng hai phương pháp tìm thông số PID: phương pháp Ziegler-Nichols dựa trên đồ thị Matlab 2020A, và phương pháp điều chỉnh thủ công (tuning) để fine-tune kết quả. Qua mô phỏng và kiểm tra thực nghiệm, nhóm đã xác định được giá trị tối ưu cho các thông số này.

3.1. Cơ Chế Hoạt Động Của Điều Khiển PID

Điều khiển PID hoạt động bằng cách so sánh giá trị setpoint (mục tiêu) với giá trị thực tế từ cảm biến để tính toán sai số. Thành phần P cung cấp đáp ứng ngay lập tức, I giải quyết sai số bền vững theo thời gian, và D giúp hệ thống phản ứng trước những thay đổi. Công thức tính: U(t) = Kp×e(t) + Ki∫e(t)dt + Kd×de(t)/dt.

3.2. Phương Pháp Ziegler Nichols Và Tối Ưu Hóa Trên Matlab

Phương pháp Ziegler-Nichols là một kỹ thuật chuẩn để xác định các thông số PID dựa trên đặc tính của hệ thống. Dự án sử dụng Matlab 2020A để mô phỏng, phân tích đáp ứng hệ thống, và tìm các giá trị tối ưu. Sau đó, nhóm thực hiện điều chỉnh fine-tuning thủ công để đạt được hiệu suất tốt nhất cho từng điều kiện hoạt động cụ thể.

IV. Giao Diện HMI Và Kết Nối Truyền Thông

Giao diện HMI Weintek MT6070iH là cầu nối giữa người vận hành và hệ thống điều khiển, cung cấp giao diện người dùng trực quan và dễ sử dụng. Người vận hành có thể thiết lập setpoint nhiệt độ, theo dõi giá trị thực tế, xem biểu đồ xu hướng, và điều chỉnh các thông số PID. Dự án sử dụng phần mềm Easy Builder 8000 để thiết kế giao diện đồ họa chuyên nghiệp. Giao thức Modbus được sử dụng để truyền thông giữa PLC và HMI, đảm bảo việc trao đổi dữ liệu nhanh chóng và đáng tin cậy. Hệ thống hỗ trợ kết nối Ethernet cho phép giám sát từ xa qua mạng, mở rộng khả năng ứng dụng trong các nhà máy thông minh (Industry 4.0).

4.1. Thiết Kế Giao Diện Trên Easy Builder 8000

Easy Builder 8000 cho phép thiết kế giao diện đồ họa bằng cách kéo thả các thành phần như nút bấm, thanh trượt, biểu đồ, và đèn báo. Giao diện được chia thành các màn hình khác nhau: màn hình giám sát chính hiển thị nhiệt độ hiện tại và xu hướng, màn hình cài đặt thông số cho phép điều chỉnh PID, và màn hình nhật ký sự kiện ghi lại lịch sử hoạt động. Thiết kế được tối ưu hóa cho trải nghiệm người dùng tốt và hiển thị rõ ràng tất cả thông tin quan trọng.

4.2. Giao Thức Modbus Và Kết Nối Mạng

Giao thức Modbus là một chuẩn công nghiệp mở, cho phép PLC và HMI trao đổi dữ liệu theo mô hình Master-Slave. HMI hoạt động như Master, gửi yêu cầu đọc/ghi dữ liệu, trong khi PLC hoạt động như Slave, xử lý yêu cầu và trả về dữ liệu. Kết nối Ethernet cho phép giám sát từ xa qua mạng máy tính hoặc thiết bị di động, giúp tối ưu hóa quá trình sản xuất và phát hiện sự cố sớm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu đề tài + Chương 2: Cơ sở lý thuyết + Chương 3: Thiết kế và thi công mô hình + Chương 4: Chương trình điều khiển + Chương 5: Kết luận và hướng phát triển 1.4 Kế hoạch thực hiện đề tài Thời gian Công việc Sinh viên thực hiện 11/05/2020 Nhận đề tài Cả nhóm Lên bản thiết kế 12/05/2020 Nguyễn Trần Gia Huy phần cứng Thi công phần 13/05/2020 - 30/05/2020 Cả nhóm cứng Mua linh kiện, vật 31/05/2020 Nguyễn Trần Gia Huy tư cần thiết Thiết kế và thi 01/06/2020 - 15/06/2020 Đỗ Công Minh công mạch Lắp ráp và hoàn 16/06/2020 thiện cơ bản mô Cả nhóm hình Viết chương trình 17/06/2020 - 01/07/2020 Đỗ Công Minh ladder cho PLC 02/07/2020 - 15/07/2020 Viết chương trình Đỗ Công Minh cho PIC16F877A cho board driver 13 góc kích Thiết kế giao diện 16/07/2020 - 20/07/2020 Nguyễn Trần Gia Huy HMI Vận hành thử mô 21/07/2020 Cả nhóm hình Viết báo cáo và 22/7/2020 - 08/08/2020 chuẩn bị file trình Cả nhóm chiếu Bảng 1.1 Bảng phân công thực hiện nhiệm vụ đồ án 14 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết 2.1 Tổng quan về board PLC FX3U – 24MT 2.1 Giới thiệu - Board PLC FX3U – 24MT là board PLC do Trung Quốc sản xuất, sử dụng trên nền tảng của dòng PLC Mitsubishi. Có hỗ trợ các hàm giống PLC FX1N, FX2N, FX3U và phần mềm lập trình GX Developer, GX Works 2 tương tự như PLC Mitsubishi chính hãng. - Thông số kỹ thuật: Mô tả Thông số Điện áp sử dụng 24VDC 8000 bước, 2 cổng truyền thông: 1 RS232 (cổng truyền thông DB9 tốc độ 38400bps), 1 RS485 Tổng số bước (giao thức truyền thông có thể cài đặt qua D8120). X0 – X15: Ngõ vào DC, tích cực thấp; X0 – X5: Đầu vào X ngõ vào xung tốc độ cao (tốc độ mặc định là 12000, tùy chọn có thể lên tới 100KHz).

Đầu ra Y Y0 – Y11: Ngõ ra transistor 6 ngõ vào analog, độ chính xác 12 bit, 3 kênh Đầu vào analog ngõ vào analog 0 – 10V, 3 kênh ngõ vào analog 0 – 20mA; hỗ trợ lệnh đọc analog RD3A. 2 ngõ ra analog, độ chính xác 12 bit; analog ngõ Đầu ra analog ra: 0 – 10V; hỗ trợ lệnh ghi analog WD3A. M0 – M3071, bit trung gian mặc định được lưu Relay trung gian khi mất điện từ M500 – M1023, tuy nhiên có thể cài đặt từ M0 – M1023. 15 S0 – S1023, bit trạng thái mặc định được lưu khi Relay trạng thái mất điện từ S500 – S999, tuy nhiên có thể cài đặt từ M0 – M1023.

T0 – T199, Timer được lưu giá trị khi mất điện từ Định thời 100ms T184 – T199. T200 – T249, Timer được lưu giá trị khi mất điện Định thời 10ms từ T246 – T249. T250 – T383, khoảng tích lưu giá trị từ T250 – Định thời 1ms T255. C0 – C199, lưu giá trị khi mất điện từ C100 – Bộ đếm 16 bit C199.

C200 – C219, lưu giá trị khi mất điện từ C220 – Bộ đếm 32 bit C234. C235 – C255, trong đó: C235 – C245 với bộ đếm một pha, một ngõ vào đếm (lên hoặc xuống). Bộ đếm 32 bit tốc độ C246 – C250 với bộ đếm một pha, hai ngõ vào cao đếm. C251 – C255 với bộ đếm hai pha, hai ngõ vào đếm.

D0 – D7999, lưu giá trị khi mất điện từ D0 – Thanh ghi D D7999. Con trỏ địa chỉ gián V0–7,Z0–7. tiếp Số bước nhảy P0 – 63. chương trình con Ngắt ngoài X0 – 5, ngắt timer (đơn vị 1ms), ngắt Ngắt I counter.

16 M8000: ON khi PLC RUN M8002: xung nguồn M8011: xung clock 10ms Các bit M đặc biệt M8012: xung clock 100ms M8013: cung clock 1s M8014: xung clock 1m Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của board PLC FX3U – 24MT Hình 2.1 PLC Mitsubishi FX3U – 24MT 2.2 Các chân sử dụng trong hệ thống Ngõ vào ra Chức năng DC+, DC- Cấp nguồn hoạt động 24VDC cho PLC ADC4 Nhận tín hiệu analog dòng từ bộ chuyển PT100 DAC0, DAC1 2 kênh xuất tín hiệu analog điện áp A+, B- Cổng RS485 giao tiếp PLC và HMI X0 Nhận tín hiệu từ công tắc hành trình Y0 Xuất tín hiệu điều khiển còi báo động Bảng 2.2 Các chân PLC sử dụng trong đề tài 17 2.3 Các lệnh chính sử dụng trong chương trình điều khiển - Lệnh RD3A: Lệnh đọc tín hiệu analog từ cảm biến nhiệt độ PT100.2 Lệnh đọc giá trị Analog Trong đó: + K0: Module số, dùng trực tiếp trên board nên là 0. + K4: Kênh đọc analog là 4. + D5: Giá trị đọc tức thời được lưu ở thanh ghi D5. - Lệnh WR3A: Lệnh xuất giá trị analog điện áp.3 Lệnh xuất giá trị Analog Trong đó: + K0: Module số, dùng trực tiếp trên board nên là 0.

+ K1: Kênh xuất analog là 1. + D160: giá trị xuất được lấy từ thanh ghi D160. - Lệnh DEMUL, DEDIV, DEADD, DESUB: Lệnh nhân, chia, cộng trừ số thực.4 Lệnh nhân số thực Trong đó: + D10: Thanh ghi chứa số nhân. + K20: Giá trị nhân 20.

+ D15: Thanh ghi lưu kết quả sau khi nhân. 18 - Tương tự như thế với các lệnh chia, cộng, trừ.5 Lệnh chia số thực Hình 2.6 Lệnh cộng số thực Hình 2.7 Lệnh trừ số thực - Lệnh DECMP: Lệnh so sánh.8 Lệnh so sánh Trong đó: + D125: Thanh ghi giá trị cần so sánh. + E2000: Giá trị so sánh. + M6: Khi giá trị cần so sánh lớn hơn giá trị so sánh sẽ SET giá trị M6.

- Lệnh MOV: Lệnh di chuyển. 9 Lệnh di chuyển Trong đó: + E2000: Giá trị cần gửi. + D125: Thanh ghi nhận giá trị gửi .2 Tổng quan về vi điều khiển PIC16F877A sử dụng trong board driver góc kích.1 Giới thiệu Hình 2.10 Vi điều khiển PIC16F877A - PIC16F877A là một vi điều khiển loại chip cắm 40 chân 8 bit của hãng Microchip với các đặc điểm: + Gồm 35 tập lệnh có độ dài 14 bit. Mỗi lệnh đều được thực thi trong một chu kỳ lệnh.

+ Tốc độ hoạt động tối đa cho phép là 20MHz với một chu kỳ lệnh là 200ms. + Bộ nhớ chương trình 8KB x 14bit. + Bộ nhớ dữ liệu 368 x 8 byte RAM. + 5 PORT I/O với 33 chân I/O.

+ 3 bộ Timer: Timer 0 (bộ đếm 8 bit), Timer 1 (bộ đếm 16 bit) và Timer 2 (bộ đếm 8 bit). + 8 kênh chuyển đổi ADC 10 bit.11 Sơ đồ khối chức năng của PIC16F877A 2.2 Chức năng ADC sử dụng trong VĐK PIC16F877A - Trong các ứng dụng đo lường và điều khiển bằng vi điều khiển, bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự - số (ADC – Analog Digital Converter) là một thành phần rất quan trọng. - VĐK PIC16F877A có 8 chân tín hiệu analog (RA0 – RA7) sử dụng độ phân giải 10 bit (0 → 210 -1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V. - VĐK PIC16F877A trong board Driver góc kích sử dụng 2 chân RA0 và RA1 nhận tín hiệu analog điện áp từ PLC: + Chân RA0: Nhận tín hiệu sau đó tính toán thời gian tạo góc kích alpha.

21 + Chân RA1: Nhận và xử lý tín hiệu để điều chỉnh độ rộng xung PWM của quạt tản nhiệt.3 Chức năng ngắt ngoài RB0 sử dụng trong PIC16F877A - Trong PIC16F877A có 1 ngõ vào ngắt ngoài tại chân INT (RB0). Khi có một sự kiện trên chân INT (cạnh lên hoặc cạnh xuống) sẽ sinh ra một ngắt (nếu được cho phép). - Để sự kiện ngắt RB0 xảy ra phải thỏa mãn đồng thời các điều kiện sau: + Có cạnh xung tác động lên chân RB0, cạnh xung này có thể là cạnh lên hoặc cạnh xuống. + Cho phép ngắt ngoài bằng phần mềm.

- Để sử dụng chức năng ngắt ngoài RB0, ta phải thực hiện các khai báo sau: + Chọn kiểu ngắt: cạnh lên hoặc cạnh xuống. + Kích hoạt ngắt ngoài. + Kích hoạt ngắt toàn cục. - Chức năng ngắt ngoài RB0 trong hệ thống được sử dụng để nhận biết điểm 0 (zero) của điện áp lưới 220VAC.4 Chức năng ngắt Timer 1 sử dụng trong PIC16F877A - Timer 1 trong PIC16F877A là bộ thanh ghi 16 bit gồm 2 thanh ghi 8 bit TMR1H và TMR1L.

Có thể đếm tới giá trị 65535 trong một chu kỳ đếm. Timer 1 có hai chế độ hoạt động: chế độ định thời hoặc đếm ngõ ra. Trong chế độ định thời Timer 1 tăng giá trị ở mỗi chu kỳ lệnh. Hiện tượng ngắt sẽ xảy ra khi Timer 1 tràn từ FFFFh đến 0000h.

22 - Chức năng ngắt Timer 1 trong hệ thống được sử dụng để điều chỉnh độ rộng của góc kích.5 Bộ xuất xung PWM CCP1 sử dụng trong PIC16F877A VĐK PIC16F877A được tích hợp sẵn 2 khối CCP: CCP1 và CCP2. Khối CCP1 có một thanh ghi 16 bit(CCPR1H:CCPR1L), chân điều khiển cho khối CCP1 là RC2. Các chức năng của CCP bao gồm: Capture, so sánh, điều chế độ điều rộng xung PWM (Pulse Width Modulation). Khi hoạt động ở chế độ PWM tín hiệu sẽ được đưa ra chân tương ứng của khối CPP được sử dụng.

Bộ CCP1 sử dụng chức năng PWM trong đề tài để điều khiển tốc độ quạt tản nhiệt cho lò nhiệt.3 Giới thiệu về linh kiện bán dẫn Triac 2.1 Cấu tạo Hình 2.12 Cấu tạo Triac Triac (viết tắt của TRIode for Alternating Current) là một linh kiện bán dẫn có 3 cực và 5 lớp, làm việc như 2 Thyristor mắc song song ngược chiều nhau do đó có thể dẫn điện theo hai chiều.2 Kí hiệu và sơ đồ kết nối Hình 2.13 Kí hiệu và sơ đồ kết nối bên trong của Triac 24 Để điều khiển Triac ta chỉ cần cấp xung cho chân G. Triac có thể điều khiển cho mở dẫn dòng bằng cả xung dương (dòng đi vào cực điều khiển) lẫn xung âm (dòng đi ra khỏi cực điều khiển). Tuy nhiên xung dòng điều khiển âm có độ nhạy kém hơn. Vì vậy trong thực tế để đảm bảo tính đối xứng của dòng điện qua Triac thì sử dụng dòng điện dương là tốt nhất.3 Đặc tuyến Volt-Ampere Hình 2.14 Đặc tuyến Volt-Ampere Triac + Đặc tuyến Volt – Ampere có những tính chất như: - Gồm hai phần đối xứng nhau qua gốc O, mỗi phần tương tự đặc tuyến thuận của Thyristor.

- Vẽ theo chiều quy ước của cực T1 - Có tính đối xứng. + Các thông số và tính chất cơ bản của Triac - Khái niệm Anode và Cathode không có ý nghĩa đối với Triac. - Triac chỉ bị khóa khi IG = 0 và điện áp nhỏ hơn áp ngưỡng. 25 - Ưu điểm cơ bản của Triac là mạch điều khiển đơn giản nhưng công suất giới hạn và nhỏ hơn Thysistor.

- Triac tự bảo vệ chống lại quá điện áp theo cả hai chiều.15 Hình ảnh thực tế Triac BTA16 Thông số kỹ thuật: - Điện áp cực đại: VV(DRM)/ V(RRM) 600V/800V. - Dòng điện thuận cực đại: I T(RMS) 16A. - Điện áp điều khiển mở van: VG = 1. - Dòng điều khiển mở van: IG = 100mA.