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

Mục lục chi tiết

• Lời cảm ơn
• Danh Sách Các Hình
• Danh Sách Các Bảng Và Sơ Đồ
• Các Ký Hiệu, Chữ Viết Tắt
• Tóm Tắt
• 1. Chương 1: Giới Thiệu Đề Tài
• 1.1. Giới thiệu chung
• 1.2. Mục tiêu của đề tài
• 1.3. Cấu trúc quyển báo cáo
• 1.4. Kế hoạch thực hiện đề tài
• 2. Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết
• 2.1. Tổng quan về board PLC FX3U – 24MT
• 2.1.1. Các chân sử dụng trong hệ thống
• 2.1.2. Các lệnh chính sử dụng trong chương trình điều khiển
• 2.2. Tổng quan về vi điều khiển PIC16F877A sử dụng trong board driver góc kích
• 2.2.1. Chức năng ADC sử dụng trong VĐK PIC16F877A
• 2.2.2. Chức năng ngắt ngoài RB0 sử dụng trong PIC16F877A
• 2.2.3. Chức năng ngắt Timer 1 sử dụng trong PIC16F877A
• 2.2.4. Bộ xuất xung PWM CCP1 sử dụng trong PIC16F877A
• 2.3. Giới thiệu về linh kiện bán dẫn Triac
• 2.3.1. Kí hiệu và sơ đồ kết nối
• 2.3.2. Đặc tuyến Volt-Ampere
• 2.4. Cảm biến nhiệt độ PT100 và bộ chuyển đổi tín hiệu
• 2.4.1. Cảm biến nhiệt độ PT100
• 2.4.2. Bộ chuyển đổi tín hiệu PT100
• 2.5. Giới thiệu linh kiện MOC3052
• 2.6. Tổng quan về màn hình giao diện HMI Weintek MT6070iH
• 2.6.1. Các thông số kỹ thuật
• 2.7. Giới thiệu về giao thức truyền thông Modbus
• 2.7.1. Tổng quan về giao thức Modbus
• 2.8. Biến đổi điện áp xoay chiều
• 2.9. Phần mềm biên dịch chương trình CCS
• 2.10. Phần mềm GX Developer
• 2.10.1. Giới thiệu về phần mềm GX Developer
• 2.10.2. Môi trường lập trình trên phần mềm GX Developer
• 2.10.3. Kết nối PLC và nạp chương trình
• 2.11. Phần mềm Easy Builder 8000
• 2.11.1. Giới thiệu phần mềm Easy Builder 8000
• 2.11.2. Cài đặt giao tiếp giữa PLC và HMI
• 2.11.3. Thiết kế giao diện đồ thị trên phần mềm Easy Builder 8000
• 2.11.4. Giao diện điều khiển
• 2.12. Phần mềm Matlab 2020A
• 2.13. Các phương pháp dò tìm thông số PID trong mô hình
• 2.13.1. Tính toán giá trị PID dựa vào đồ thị trên Matlab bằng phương pháp Ziegler – Nichols
• 2.13.2. Phương pháp điều chỉnh PID bằng tay
• 3. Chương 3: Thiết Kế Và Thi Công Mô Hình
• 3.1. Sơ đồ khối của hệ thống
• 3.2. Thiết kế và thi công phần cứng của mô hình
• 3.2.1. Bản vẽ cơ khí của mô hình
• 3.2.2. Tổng thể của mô hình sau khi hoàn thiện
• 3.3. Board driver góc kích
• 3.3.1. Thiết kế và thi công mạch
• 4. Chương 4: Chương Trình Điều Khiển
• 4.1. Lưu đồ giải thuật chương trình trên VĐK
• 4.2. Lưu đồ giải thuật chương trình trên PLC
• 4.3. Chương trình PID trên PLC
• 5. Chương 5: Kết Quả Và Hướng Phát Triển
• 5.1. Kết quả của đồ án
• 5.2. Mặt hạn chế của đề tài
• 5.3. Hướng phát triển của đề tài
• Tài Liệu Tham Khảo
• Bảng Tính Vật Tư

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.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các ngành công nghiệp sản xuất như luyện kim, xử lý nhiệt vật liệu và chế biến thực phẩm, năng lượng nhiệt đóng vai trò thiết yếu. Việc đo lường và khống chế chính xác nhiệt độ là yếu tố then chốt ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm đầu ra cũng như hiệu suất vận hành của dây chuyền. Trước yêu cầu thực tiễn đó, đề tài "Điều khiển nhiệt độ lò nhiệt theo góc kích sử dụng giải thuật PID" được thực hiện nhằm ứng dụng thuật toán điều khiển tự động kết hợp với kỹ thuật điện tử công suất và truyền thông công nghiệp để giải quyết bài toán ổn định nhiệt độ lò nhiệt.

Đề tài đặt ra các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể sau:

1. Thiết kế, vẽ mạch phần cứng và lập trình chương trình cho bo mạch driver điều khiển điện áp hiệu dụng xoay chiều cấp cho tải điện trở theo phương pháp thay đổi góc kích $\alpha$.
2. Thiết kế bản vẽ cơ khí và thi công hoàn thiện mô hình khung lò nhiệt có khả năng tác động nhiệt theo hai chiều (gia nhiệt bằng dây điện trở và làm mát cưỡng bức bằng quạt tản nhiệt).
3. Xử lý và tính toán chuyển đổi tín hiệu đo nhiệt độ từ cảm biến nhiệt điện trở kim loại PT100 đưa về bộ điều khiển.
4. Xây dựng thuật toán điều khiển PID trên bộ điều khiển lập trình PLC để tự động ổn định nhiệt độ lò nhiệt theo giá trị đặt (Setpoint).
5. Thiết kế giao diện giám sát, điều khiển và thiết lập giao thức truyền thông công nghiệp giữa PLC và màn hình cảm ứng HMI.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nhiệt công suất nhỏ sử dụng cơ cấu chấp hành bán dẫn Triac và quạt làm mát. Phạm vi nghiên cứu bao gồm việc tích hợp phần cứng (PLC, vi điều khiển, cảm biến, linh kiện bán dẫn, HMI) và phát triển phần mềm điều khiển, truyền thông Modbus RTU trong môi trường thực nghiệm tại Bộ môn Tự động hóa, Khoa Điện – Điện tử, Trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao Thắng từ ngày 13/07/2020 đến ngày 08/08/2020 (kế hoạch thực hiện tổng thể từ tháng 05/2020 đến tháng 08/2020).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng dựa trên các nền tảng lý thuyết và công nghệ kỹ thuật điều khiển tự động:

• Lý thuyết điều khiển PID: Ứng dụng giải thuật tỉ lệ - tích phân - vi phân (PID) để tính toán sai lệch giữa nhiệt độ thực tế và nhiệt độ cài đặt, tạo tín hiệu điều khiển nhằm triệt tiêu sai số xác lập và giảm độ vọt lố.
• Biến đổi điện áp xoay chiều: Phương pháp điều chỉnh giá trị điện áp hiệu dụng xoay chiều đặt lên tải thuần trở bằng cách thay đổi góc mở van bán dẫn Triac trễ một góc $\alpha$ so với thời điểm điện áp nguồn qua điểm 0 (Zero crossing).
• Giao thức truyền thông công nghiệp Modbus RTU: Mô hình giao tiếp Master - Slave truyền dữ liệu nhị phân nối tiếp qua chuẩn vật lý RS485, sử dụng mã kiểm tra dư tuần hoàn CRC-16 để giám sát và trao đổi dữ liệu giữa HMI và PLC.

Phương pháp nghiên cứu thực hiện trong đồ án bao gồm:

• Thiết kế và thi công hệ thống kỹ thuật: Thiết kế phần cứng mạch điện tử (mạch nguồn, mạch phát hiện điểm qua không, mạch đệm kích Triac qua Opto, mạch điều khiển quạt); gia công cơ khí khung mô hình lò nhiệt.
• Lập trình nhúng và tự động hóa: Viết code C cho vi điều khiển trên trình biên dịch CCS; viết chương trình điều khiển dạng Ladder Logic trên phần mềm GX Developer cho PLC; thiết kế giao diện vận hành SCADA/HMI trên phần mềm Easy Builder 8000.
• Thực nghiệm và hiệu chỉnh thông số: Thu thập dữ liệu đáp ứng quá độ của nhiệt độ thông qua công cụ Modbus Explorer kết nối PLC với phần mềm Matlab 2020A; xác định và hiệu chỉnh các thông số $K_p$, $K_i$, $K_d$ bằng phương pháp Ziegler – Nichols kết hợp phương pháp chỉnh định bằng tay (manual tuning).

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được cấu trúc thành các khối chức năng liên kết chặt chẽ nhằm khép kín vòng điều khiển nhiệt độ:

Thành phần / Khối chức năng	Thiết bị / Linh kiện chính	Vai trò kỹ thuật trong hệ thống
Khối điều khiển trung tâm	Board PLC FX3U – 24MT	Tiếp nhận tín hiệu analog từ cảm biến, thực thi thuật toán PID, xuất tín hiệu điều khiển analog và giao tiếp Modbus với HMI
Khối điều khiển góc kích	Vi điều khiển PIC16F877A	Đọc điện áp analog từ PLC, bắt ngắt Zero crossing, định thời Timer 1 tạo xung kích Triac và phát xung PWM cho quạt
Khối phát hiện điểm 0	Mạch Zero crossing	Nhận biết thời điểm điện áp lưới 220VAC đi qua giá trị 0V, tạo cạnh xung kích ngắt ngoài chân RB0 của PIC16F877A
Khối công suất gia nhiệt	Triac BTA16 & Opto MOC3052	Cách ly quang điện áp cao và kích đóng mở điện áp xoay chiều 220VAC cấp cho dây đốt lò nhiệt theo góc $\alpha$
Khối đo lường nhiệt độ	Cảm biến PT100 (Loại A, 3 dây) & Bộ chuyển đổi	Đo nhiệt độ dải $-50^\circ\text{C} \div 200^\circ\text{C}$, chuyển đổi điện trở RTD sang dòng điện tiêu chuẩn $4 \div 20\text{mA}$
Khối làm mát cưỡng bức	Quạt tản nhiệt DC	Điều chỉnh tốc độ quay qua độ rộng xung PWM từ chân CCP1 (RC2) của PIC16F877A để hạ nhiệt khi quá nhiệt
Khối giám sát & giao diện	Màn hình HMI Weintek MT6070iH	Cài đặt nhiệt độ (Setpoint), chuyển chế độ, hiển thị đồ thị đáp ứng nhiệt độ thời gian thực qua chuẩn RS485

Hệ thống hoạt động theo nguyên lý hồi tiếp: Cảm biến PT100 đo nhiệt độ trong buồng lò, qua bộ chuyển đổi đưa tín hiệu dòng $4 \div 20\text{mA}$ về kênh analog ADC4 của PLC FX3U. PLC thực hiện chuyển đổi A/D bằng lệnh RD3A, tính toán sai số với Setpoint và thực thi thuật toán PID. Kết quả điều khiển được xuất qua cổng analog DAC0/DAC1 dưới dạng điện áp bằng lệnh WR3A đưa vào chân RA0 của vi điều khiển PIC16F877A. Mạch Zero crossing tạo xung báo điểm qua không đưa vào chân ngắt ngoài RB0 của PIC; ngắt Timer 1 của PIC thực hiện trì hoãn một khoảng thời gian tương ứng với góc kích $\alpha$ ($0^\circ$, $13.7^\circ$, $106^\circ$,...) rồi kích mở Triac BTA16 thông qua cách ly quang MOC3052 để thay đổi công suất cấp nhiệt. Khi cần giảm nhiệt nhanh, PLC xuất tín hiệu sang chân RA1 của PIC để điều chế PWM qua khối CCP1 điều khiển quạt tản nhiệt.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới Thiệu Đề Tài

Chương 1 trình bày tổng quan về vai trò của năng lượng nhiệt trong sản xuất công nghiệp và đời sống, đồng thời đặt ra sự cần thiết của việc điều khiển nhiệt độ chính xác. Nhóm tác giả xác định mục tiêu của đề tài, cấu trúc 5 chương của quyển báo cáo và bảng phân công tiến độ thực hiện nhiệm vụ từ ngày 11/05/2020 đến ngày 08/08/2020 giữa hai sinh viên thực hiện.

Mốc thời gian	Nội dung công việc	Người thực hiện
11/05/2020	Nhận đề tài	Cả nhóm
12/05/2020	Lên bản thiết kế phần cứng	Nguyễn Trần Gia Huy
13/05/2020 – 30/05/2020	Thi công phần cứng	Cả nhóm
31/05/2020	Mua linh kiện, vật tư cần thiết	Nguyễn Trần Gia Huy
01/06/2020 – 15/06/2020	Thiết kế và thi công mạch	Đỗ Công Minh
16/06/2020	Lắp ráp và hoàn thiện cơ bản mô hình	Cả nhóm
17/06/2020 – 01/07/2020	Viết chương trình Ladder cho PLC	Đỗ Công Minh
02/07/2020 – 15/07/2020	Viết chương trình cho PIC16F877A trên board driver	Đỗ Công Minh
16/07/2020 – 20/07/2020	Thiết kế giao diện HMI	Nguyễn Trần Gia Huy
21/07/2020	Vận hành thử mô hình	Cả nhóm
22/07/2020 – 08/08/2020	Viết báo cáo và chuẩn bị file trình chiếu	Cả nhóm

Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

Chương 2 cung cấp toàn bộ cơ sở lý thuyết về cấu tạo, thông số kỹ thuật và nguyên lý hoạt động của các thiết bị, linh kiện, giao thức và phần mềm ứng dụng:

• Board PLC FX3U – 24MT: Sử dụng nguồn 24VDC, dung lượng 8000 bước, hỗ trợ tập lệnh lập trình qua GX Developer. PLC tích hợp 6 ngõ vào analog 12-bit (3 kênh $0 \div 10\text{V}$, 3 kênh $0 \div 20\text{mA}$ qua lệnh RD3A) và 2 ngõ ra analog 12-bit ($0 \div 10\text{V}$ qua lệnh WD3A/WR3A), tích hợp cổng truyền thông RS232 (DB9, 38400bps) và cổng RS485.

Nhóm tài nguyên PLC	Ký hiệu / Dải địa chỉ	Đặc điểm kỹ thuật
Nguồn cấp	DC+, DC-	Điện áp hoạt động 24VDC
Đầu vào số (Digital In)	X0 – X15	Tích cực mức thấp, X0 nhận công tắc hành trình
Đầu ra số (Digital Out)	Y0 – Y11	Ngõ ra Transistor, Y0 kích còi báo động
Đầu vào tương tự (Analog In)	ADC4	Kênh 4 nhận dòng $4 \div 20\text{mA}$ từ bộ chuyển đổi PT100
Đầu ra tương tự (Analog Out)	DAC0, DAC1	Xuất tín hiệu điện áp điều khiển sang board driver PIC
Cổng giao tiếp mạng	A+, B-	Chuẩn RS485 kết nối mạng Modbus RTU với HMI
Rơ le trung gian	M0 – M3071	Vùng nhớ bit (M8000: RUN, M8002: xung nguồn, M8011-M8014: xung clock)
Thanh ghi dữ liệu	D0 – D7999	Lưu trữ biến số nguyên và số thực cho thuật toán PID

• Vi điều khiển PIC16F877A: Vi điều khiển 8-bit, 40 chân, hoạt động ở tần số thạch anh lên đến 20MHz (chu kỳ lệnh 200ns), bộ nhớ chương trình Flash 8KB, 368 bytes RAM. Khai thác module ADC 10-bit trên kênh RA0 và RA1, ngắt ngoài RB0 để bắt xung cạnh của mạch Zero crossing, ngắt Timer 1 (16-bit) để tạo thời gian trễ góc kích, và khối CCP1 (chân RC2) ở chế độ PWM để điều khiển quạt.
• Linh kiện bán dẫn công suất và cách ly: Triac BTA16 chịu dòng $I_{T(\text{RMS})} = 16\text{A}$, điện áp $V_{\text{DRM}}/V_{\text{RRM}} = 600\text{V}/800\text{V}$, dòng kích cổng $I_G = 100\text{mA}$, nhiệt độ làm việc $-40^\circ\text{C} \div 125^\circ\text{C}$. Opto cách ly hai chiều MOC3052 có $V_{\text{DRM}} = 600\text{V}$, dòng xung cực đại $I_{\text{TSM}} = 1\text{A}$, điện áp kích $3\text{V}$, dòng kích $50\text{mA}$.
• Cảm biến nhiệt độ PT100 và màn hình HMI Weintek MT6070iH: Cảm biến RTD PT100 3 dây loại A đo trong khoảng $-50^\circ\text{C} \div 200^\circ\text{C}$, qua bộ chuyển đổi ra dòng $4 \div 20\text{mA}$. HMI Weintek MT6070iH có màn hình LCD 7 inch (độ phân giải $800 \times 480$), vi xử lý 32-bit RISC CPU 400MHz, bộ nhớ Flash 128MB, RAM 64MB DDR2, hỗ trợ cổng COM RS485 và chạy trên nguồn 24VDC.
• Giao thức Modbus RTU: Trình bày cấu trúc bản tin chuẩn (1 byte Địa chỉ, 1 byte Mã hàm, $n$ byte Dữ liệu, 2 byte CRC-16), khoảng cách thời gian rảnh giữa hai khung truyền tối thiểu $t_{3.5}$ ký tự và giữa các ký tự trong khung không quá $t_{1.5}$ ký tự.

Loại dữ liệu Modbus RTU	Tên gọi chung	Dải địa chỉ quy định	Mã hàm đọc/ghi tương ứng
Cuộn dây Modbus (Coils)	Bit, giá trị nhị phân, cờ	00001 – 09999	01 (Đọc), 05 (Ghi đơn), 15 (Ghi nhiều)
Ngõ vào số (Discrete Inputs)	Ngõ vào nhị phân rời rạc	10001 – 19999	02 (Đọc)
Ngõ vào tương tự (Input Registers)	Giá trị analog chỉ đọc	30001 – 39999	04 (Đọc)
Thanh ghi giữ (Holding Registers)	Giá trị analog, biến số	40001 – 49999	03 (Đọc), 06 (Ghi đơn), 16 (Ghi nhiều)

• Phương pháp dò tìm thông số PID: Sử dụng công cụ Modbus Explorer để kết nối PLC với Matlab 2020A nhằm vẽ đặc tính quá độ của đối tượng nhiệt, áp dụng phương pháp Ziegler – Nichols dạng vòng hở để tính các tham số $K_p$, $T_i$, $T_d$ ban đầu, sau đó kết hợp tinh chỉnh bằng tay trực tiếp trên mô hình thực tế.

Chương 3: Thiết Kế Và Thi Công Mô Hình

Chương 3 trình bày chi tiết bản vẽ cơ khí 2D (hình chiếu đứng mặt trước, mặt sau, hình chiếu bằng, hình chiếu cạnh), mô hình 3D tổng thể của khung buồng lò nhiệt và thiết kế mạch điện tử. Phần cứng bo mạch driver góc kích được phân chia thành các khối rõ rệt: khối nguồn hạ áp tạo 5VDC/24VDC, khối vi điều khiển trung tâm PIC16F877A, khối mạch lấy điểm Zero crossing phát hiện thời điểm điện áp lưới đi qua mức 0V, khối mạch công suất AC sử dụng Triac BTA16 và MOC3052. Dạng sóng điện áp xoay chiều điều khiển trên tải được kiểm chứng thực tế ở các góc kích $\alpha = 0^\circ$, $\alpha = 13.7^\circ$ và $\alpha = 106^\circ$.

Chương 4: Chương Trình Điều Khiển

Chương 4 mô tả toàn bộ lưu đồ giải thuật và cấu trúc logic lập trình của hệ thống:

• Lập trình vi điều khiển PIC16F877A: Bao gồm lưu đồ chương trình chính (đọc ADC kênh RA0/RA1), chương trình ngắt ngoài RB0 (bắt cạnh xung của điểm qua không để đồng bộ chu kỳ lưới) và chương trình ngắt định thời Timer 1 (đếm khoảng trễ để kích xung mở van Triac qua chân điều khiển).
• Lập trình PLC FX3U: Bao gồm lưu đồ điều khiển chính, các lệnh đọc tín hiệu analog nhiệt độ RD3A, các phép toán xử lý số thực DEMUL, DEDIV, DEADD, DESUB, lệnh so sánh DECMP, lệnh di chuyển dữ liệu MOV và thuật toán tính toán các thành phần $P_{\text{out}}$, $I_{\text{out}}$, $D_{\text{out}}$ để tổng hợp tín hiệu điều khiển PID đưa ra thanh ghi ngõ ra analog bằng lệnh WR3A.

Chương 5: Kết Quả Và Hướng Phát Triển

Chương 5 tổng kết kết quả vận hành mô hình thực tế, giao diện điều khiển và giám sát trên màn hình HMI Weintek. Hệ thống cho phép người dùng chọn chế độ vận hành, nhập nhiệt độ đặt Setpoint, điều khiển chạy/dừng (START/STOP) quá trình gia nhiệt, kích hoạt quạt làm mát và theo dõi đồ thị đáp ứng nhiệt độ thời gian thực. Đồng thời, chương này phân tích các mặt hạn chế còn tồn tại của hệ thống và đề xuất các giải pháp kỹ thuật mở rộng cho đề tài.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã triển khai và đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể:

• Thiết kế và chế tạo thành công phần cứng: Hoàn thiện mô hình cơ khí lò nhiệt và bo mạch driver góc kích tích hợp khối Zero crossing và Triac BTA16, cho phép điều khiển điện áp hiệu dụng xoay chiều 220VAC mượt mà theo góc kích $\alpha$.
• Xây dựng giải thuật điều khiển ổn định: Triển khai thành công thuật toán PID bằng ngôn ngữ Ladder trên PLC Mitsubishi FX3U – 24MT kết hợp đọc tín hiệu chuẩn xác từ cảm biến PT100 qua kênh analog dòng $4 \div 20\text{mA}$.
• Hoàn thiện hệ thống truyền thông và giao diện người - máy: Thiết lập thành công giao thức truyền thông Modbus RTU qua chuẩn RS485 giữa PLC và màn hình HMI Weintek MT6070iH; xây dựng giao diện trực quan cho phép giám sát thông số, hiển thị đồ thị quá độ và cài đặt các giá trị vận hành.
• Xác định thông số điều khiển: Áp dụng thành công phương pháp dò thông số Ziegler – Nichols thông qua việc liên kết dữ liệu với phần mềm Matlab 2020A và tinh chỉnh thực nghiệm để tìm ra bộ hệ số $K_p$, $K_i$, $K_d$ phù hợp cho từng dải nhiệt độ làm việc của lò.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên quá trình chế tạo và thử nghiệm mô hình thực tế, tác giả nêu ra các hạn chế và hướng phát triển:

• Hạn chế:
  • Độ nhạy cảm ứng của màn hình HMI Weintek MT6070iH trong quá trình thao tác ban đầu còn cần thời gian căn chỉnh và thiết lập phức tạp.
  • Quán tính nhiệt của buồng lò vẫn còn ảnh hưởng đến tốc độ đáp ứng khi có sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ đặt ở dải nhiệt độ cao.
  • Bo mạch driver góc kích chế tạo thủ công trong phạm vi phòng thí nghiệm nên kích thước còn chiếm diện tích trong tủ điều khiển.
• Hướng phát triển:
  • Mở rộng thuật toán điều khiển PID và cấu trúc phần cứng driver góc kích cho các hệ thống công nghiệp khác như điều khiển vị trí, điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ hoặc động cơ vạn năng.
  • Tích hợp thêm các giải thuật điều khiển nâng cao (như Fuzzy-PID hoặc Auto-tuning PID) để hệ thống tự động tối ưu hóa thông số khi đối tượng nhiệt thay đổi tải hoặc chịu nhiễu môi trường.
  • Phát triển hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu từ xa qua mạng Internet thông qua các module IoT hoặc chuẩn truyền thông Ethernet/Modbus TCP.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo thực tế cho sinh viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Điện tử công nghiệp, Cơ điện tử khi thực hiện các đề tài liên quan đến:

• Kỹ thuật điều khiển công suất xoay chiều sử dụng Triac kết hợp vi điều khiển PIC (xử lý ngắt Zero crossing và định thời góc kích bằng Timer).
• Phương pháp lập trình xử lý tín hiệu analog và thực thi thuật toán PID trên dòng PLC Mitsubishi FX3U hoặc các dòng board PLC tương thích.
• Cấu hình mạng truyền thông công nghiệp Modbus RTU (chuẩn vật lý RS485) kết nối PLC với màn hình HMI Weintek và phần mềm tính toán Matlab.

Câu hỏi thường gặp

1. Vi điều khiển PIC16F877A đảm nhận vai trò gì trong cấu trúc điều khiển của mô hình?
PIC16F877A đóng vai trò bộ xử lý trung gian trên board driver: đọc tín hiệu điện áp analog từ PLC qua chân RA0 và RA1, bắt ngắt ngoài RB0 từ mạch Zero crossing để đồng bộ với điện áp lưới 220VAC, sử dụng ngắt Timer 1 để tạo khoảng trễ góc kích $\alpha$ điều khiển mở van Triac BTA16 qua Opto MOC3052, đồng thời xuất xung PWM từ chân CCP1 (RC2) để điều khiển tốc độ quạt tản nhiệt.

2. Tín hiệu nhiệt độ từ cảm biến PT100 được đưa vào PLC FX3U bằng cách nào và đọc bằng lệnh gì?
Cảm biến nhiệt điện trở PT100 (loại A, 3 dây) đo nhiệt độ buồng lò và truyền điện trở về bộ chuyển đổi để chuyển thành tín hiệu dòng điện $4 \div 20\text{mA}$. Tín hiệu này được đấu nối vào chân ngõ vào analog ADC4 của PLC FX3U – 24MT và được đọc vào thanh ghi dữ liệu $D5$ bằng lệnh RD3A K0 K4 D5 (với K0 là module trên bo, K4 là kênh đọc analog số 4).

3. Tín hiệu điều khiển từ PLC được truyền sang board driver bằng phương pháp nào?
Sau khi tính toán thuật toán PID, PLC xuất tín hiệu điều khiển dưới dạng điện áp analog ($0 \div 10\text{V}$) qua chân ngõ ra DAC0/DAC1 bằng lệnh ghi WR3A K0 K1 D160 (với K0 là số module, K1 là kênh xuất analog số 1, D160 là thanh ghi chứa giá trị điều khiển). Tín hiệu điện áp này được nối trực tiếp vào ngõ vào ADC của vi điều khiển PIC16F877A để quy đổi thành thời gian trễ góc kích $\alpha$.

4. Màn hình HMI Weintek MT6070iH kết nối với PLC thông qua giao thức và chuẩn vật lý nào?
HMI kết nối với PLC FX3U – 24MT qua chuẩn truyền thông nối tiếp RS485 (chân A+ và B- trên PLC) sử dụng giao thức Modbus RTU. HMI đóng vai trò Master gửi các bản tin yêu cầu đọc/ghi dữ liệu thanh ghi (Holding Registers dải 40001 – 49999) và cuộn dây (Coils dải 00001 – 09999) tới PLC với mã kiểm tra lỗi CRC-16.

5. Nhóm tác giả đã sử dụng phương pháp nào để tìm và tối ưu hóa các thông số $K_p$, $K_i$, $K_d$ cho bộ điều khiển PID?
Nhóm tác giả kết nối PLC FX3U với phần mềm Matlab 2020A qua công cụ Modbus Explorer để vẽ đồ thị đáp ứng quá độ của đối tượng nhiệt độ. Dựa vào đồ thị thu được, nhóm áp dụng phương pháp Ziegler – Nichols để tính toán bộ thông số $K_p, K_i, K_d$ khởi điểm, sau đó trực tiếp tinh chỉnh bằng phương pháp dò tay (manual tuning) trên giao diện HMI để đạt được chất lượng điều khiển ổn định nhất.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Điều khiển nhiệt độ lò nhiệt theo góc kích sử dụng giải thuật PID" đã hoàn thành việc thiết kế và thi công hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nhiệt hai chiều sử dụng linh kiện bán dẫn Triac kết hợp quạt làm mát. Đề tài tích hợp thành công vi điều khiển PIC16F877A, bộ điều khiển PLC FX3U – 24MT và màn hình cảm ứng HMI Weintek MT6070iH qua mạng truyền thông Modbus RTU. Các kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống có khả năng bám sát nhiệt độ đặt, hiển thị trực quan đồ thị đáp ứng và cung cấp giải pháp điều khiển góc kích ứng dụng cho các đối tượng gia nhiệt trong kỹ thuật tự động hóa.

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.