Đặt vấn đề Hiện nay công ty xí nghiệp ở Việt Nam đang tiến hành lắp đặt và cải tạo mới, mạnh dạn dựa vào các thiết bị công nghệ tiên tiến, bên cạnh đó còn nhiều nhà máy, xí nghiệp có ứng dụng công nghệ nhưng chưa đồng bộ còn thủ công. Do đó việc điều khiển còn hạn chế nên sản phẩm làm ra chưa được như mong muốn. Với sự phát triển không ngừng của các nền công nghiệp hiện nay ở thế giới mà nổi bật là công nghiệp luyện kim, công nghiệp thực phẩm… cốt yếu của các ngành công nghiệp này là làm thế nào để có thể điều khiển được lò nhiệt, lò hơi hay lò nung đạt được nhiệt độ mong muốn ban đầu để tối ưu hoá sản phẩm đầu ra. Bởi chỉ cần sơ suất nhỏ trong việc điều khiển hệ thống nhiệt độ là có thể gây ra thiệt hại cực kỳ lớn đối với cơ sở sản xuất hay công ty.
Từ những phương pháp điều khiển sơ khai ban đầu không đảm bảo được nhiệt độ đầu ra, thì các phương pháp điều khiển cấp cao hơn ra đời mà nổi bật là điều khiển ON/OFF và đặc biệt là điều khiển bám (PID). Từ đó, trên thị trường xuất hiện nhiều sản phẩm điều khiển dành riêng cho nhiệt độ như bộ điều khiển nhiệt độ. Tuy nhiên, với đáp ứng của bộ điều khiển nhiệt độ vẫn chưa đạt được yêu cầu của người sử dụng, vì vậy việc điều khiển bằng bộ điều khiển PLC là một sự lựa chọn hợp lý với nhiều ưu điểm nổi bật và được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp trên thế giới bởi sự tiện lợi, lập trình khá đơn giản, dễ lắp đặt và có nhiều sự lựa chọn cho các ngành công nghiệp khác nhau. Downloaded by MON HOANG (monmon3@gmail.com) lOMoARcPSD|39222806 14 Chỉ điều khiển thôi là chưa đủ, không thể chắc chắn là hệ thống luôn luôn hoạt động ổn định.
Ngoài ra, việc tiếp xúc với nơi làm việc nhiệt độ cao sẽ gây ra những mặt hại nhất định đến người điều khiển. Do đó, một hệ thống giám sát kèm điều khiển là điều cần thiết lúc này với nhiều phương pháp giám sát khác nhau như màn hình HMI, giao diện giám sát trên máy tính. Giới thiệu sơ lược về bộ điều khiển và hệ thống tự động hóa Tự động hóa là việc tạo ra và ứng dụng các công nghệ để sản xuất, cung cấp hàng hóa và dịch vụ với sự can thiệp tối thiểu của con người. Việc thực hiện các công nghệ, kỹ thuật và quy trình tự động hóa nâng cao hiệu quả, độ tin cậy và tốc độ của nhiều tác vụ mà trước đây con người thực hiện.
Tự động hóa là việc sử dụng gồm nhiều hệ thống điều khiển, được sử dụng cho các thiết bị, máy móc như nồi hơi, lò xử lý nhiệt, điện thoại, tàu, máy bay và các ứng dụng. Lợi ích lớn nhất của nền tự động hóa nhằm hạn chế tối đa sức sức lao động của con người, tiết kiệm năng lượng và nguyên vật liệu và nâng cao chất lượng với độ chính xác cao, giúp các dây chuyền vận hành một cách tự động.1: Dây chuyền sản xuất tự động hóa bao gồm các máy trạm được liên kết với nhau bởi hệ thống chuyển giao và điều khiển điện Downloaded by MON HOANG (monmon3@gmail.com) lOMoARcPSD|39222806 15 Tự động hóa được thực hiện từ các phương thức khác nhau đó là: điện, điện tử, thủy lực, khí nén, cơ khí, công nghệ thông tin. Hầu như các dây chuyền máy móc hiện đại, nhà máy xí nghiệp đều sử dụng các phương thức trên Tự động hóa có 2 kiểu điều khiển vòng lặp đó là kín và hở. Với bộ điều khiển vòng lặp hở, các câu lệnh từ bộ điều khiển và đầu ra độc lập hoàn toàn với nhau.
Ví dụ để giữ nhiệt đồ trong lò sưởi ở một căn nhà, bộ timer sẽ làm bộ điều khiển nhằm bật hay tắt thiết bị theo timer được thiết lặp từ trước mà không theo nhiệt độ hiện tại là lạnh hay nóng.2: Một sơ đồ điều khiển vòng hở Với bộ điều khiển vòng lặp kín, hoạt động phụ thuộc vào giá trị đo được ở đầu ra. Khi ta sử dụng lò sưởi để sưởi ấm căn nhà, ta sẽ lắp thêm một cảm biến nhiệt độ để đo nhiệt độ hiện tại ở căn nhà. Từ nhiệt độ đo được từ cảm biển sẽ gửi giá trị đo được về bộ điều khiển để có thể bật hay tắt để phù hợp với yêu cầu người thiết đặt. Tín hiệu phản hồi trong vòng lặp kín nhằm mục đích thiết bị hoạt động theo đúng với giá trị thiết lặp ban đầu ở đầu vào.
Ta có thể gọi vòng lặp kín là bộ điều khiển có phản hồi. Downloaded by MON HOANG (monmon3@gmail.com) lOMoARcPSD|39222806 16 Hình 1.3: Một sơ đồ điều khiển vòng kín 1. Hướng thực hiện đồ án - Sử dụng nguồn tổ ong 24VDC để cấp nguồn cho bộ điều khiển PLC, - Sử dụng đèn Halogen 220VAC 1000W để đốt nóng lò nhiệt. - Sử dụng cảm biến nhiệt độ PT100 để đo nhiệt độ lò nhiệt - Sử dụng bộ chuyển đổi nhiệt độ PT100 để chuyển đổi tín hiệu từ cảm biến PT100 sang tín hiệu dòng điện 4-20mA.
- Sử dụng bộ chuyển đổi tín hiệu 4-20mA sang 0-10V nhằm phù hợp với dạng tín hiệu ở chân analog của PLC. - Sử dụng Module Triac để nhận tín hiệu từ PLC và xuất điện áp ra điều khiển đèn Halogen. - Sử dụng PLC siemens S7-1200 1212 DC/DC/DC để làm bộ điều khiển trung tâm, đọc tín hiệu analog gửi về và dùng bộ điều khiển PID xử lý để điều khiển giá trị nhiệt độ lò nhiệt bằng cách điều chỉnh điện áp đầu ra Triac. - Sử dụng board AQ của PLC S7-1200 để xuất tín hiệu 0-10V đến Triac.
- Sử dụng phần mềm TIA Portal V16 để lập trình PLC, tạo giao diện giám sát và điều khiển nhiệt độ lò nhiệt. Downloaded by MON HOANG (monmon3@gmail.com) lOMoARcPSD|39222806 17 Chương 2. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VÀ CẤU TRÚC PHẦN CỨNG 2. Giới thiệu bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID tên tiếng anh là (Proportional Intergral Derivative Controller) hay còn được gọi với tên điều khiển vi tích phân tỉ lệ.
Bộ điều khiển PID được sử dụng rộng rãi trong thực tế để điều khiển nhiều loại đối tượng khác nhau như nhiệt độ lò nhiệt, tốc độ động cơ, mức chất lỏng trong bồn chứa … do nó có khả năng làm triệt tiêu sai số xác lập, tăng tốc độ phản ứng quá độ, giảm độ vọt lố nên các thông số của bộ điều khiển được chọn lựa thích hợp, Hình 2.4 Cấu trúc bộ điều khiển PID Công thức bộ điều khiển PID: K dt . e t dt D Trong đó: Setpoint: tín hiệu đặt (tín hiệu mong muốn đạt được). Error: sai số giảm tín hiệu thực tế và tín hiệu đặt. Process: tín hiệu điều khiển Output: ngõ ra hệ thống.
Downloaded by MON HOANG (monmon3@gmail. Các hệ thống sơ bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID sẽ bao gồm ba khâu tương ứng với ba thông số chính: Khâu tỉ lệ (Proportional) KP. Khâu tích phân (Integration) KI. Khâu vi phân (Derivative) KD.
Nếu chọn các thông số này phù hợp (tín hiệu đặt và tín hiệu thực tế trùng nhau) thì hệ thống sẽ hoạt động tốt, ổn định. Khâu tỉ lệ (Proportional) - Hàm truyền: K(s) = KP. - Đặc tính thời gian: Y(s) = KP. - Sai số hệ thống: E(s) = R(s)/[1+G(s).5: Khâu tỉ lệ của bộ điều khiển PID Ghi chú - càng lớn thì tốc độ đáp ứng càng nhanh.
- càng lớn thì sai số xác lập càng nhỏ (nhưng không thể triệt tiêu). - càng lớn thì các cực của hệ thống có chiều hướng di chuyển ra xa trục thực. Downloaded by MON HOANG (monmon3@gmail.com) lOMoARcPSD|39222806 19 => Hệ thống càng dao động và độ vọt lố càng cao. Nếu vọt qua khỏi mức giới hạn thì hệ thống sẽ mất ổn định Khâu tích phân (Integration) - Hàm truyền: K(s) =KI/s.
- Đặc tính thời gian: Y(s) = KI. - Sai số hệ thống: E(s) = s.6: Khâu tích phân của bộ điều khiển PID Ghi chú - Tín hiệu ngõ ra được xác định bởi sai số. - càng lớn thì đáp ứng quá độ càng chậm. - càng lớn thì sai số xác lập càng nhỏ.
Hệ số khuếch đại ở khâu tích phân sẽ bằng vô cùng khi tần số bằng 0 => triệt tiêu sai số xác lập với hàm nấc. - càng lớn thì độ vọt lố càng cao. Khâu vi phân (Derivative) - Hàm truyền: K(s) =KD. Downloaded by MON HOANG (monmon3@gmail.com) lOMoARcPSD|39222806 20 - Đặt tính thời gian: Y(s) =KD.
- Sai số hệ thống: E(s) = R(s)/[s+G(s).7: Khâu vi phân của bộ điều khiển PID Ghi chú - KD càng lớn thì đáp ứng quá độ càng nhanh. - KD càng lớn thì độ vọt lố càng nhỏ. - Hệ số khuếch đại tần số cao là vô cùng lớn nên khâu hiệu chỉnh D rất nhạy với nhiễu tần số cao. Các phương pháp tìm thông số PID (KP, KI, KD) Có rất nhiều phương pháp để tìm thông số PID như: Phương pháp Ziegler – Nichols.
Phương pháp Cohen – Coon. Phương pháp Tyreus – Luyben. Phương pháp Autotune. Phương pháp được lựa thông dụng nhất cho các bộ điều khiển sử dụng đến PID hiện nay đó là Ziegler–Nichols.
Downloaded by MON HOANG (monmon3@gmail. Điều chỉnh vòng lặp Điều chỉnh một vòng lặp là điều chỉnh các thông số điều khiển của nó. Yêu cầu đặt ra trên hết đó là độ ổn định. Mỗi hệ thống điều khiển sẽ có mỗi yêu cầu khác nhau.
Hơn nữa, vài quá trình có một mức độ phi tuyến nào đấy khiến các thông số làm việc Các bộ điều khiển nhằm điều khiển, điều chỉnh đều nhằm kết quả cuối cùng là có thể được cải thiện so với lúc ban đầu. Điều chỉnh thông số PID là một bài toán cần phải giải để có thể hệ thống hoạt động tốt, 3 thông số điều khiển PID phải thõa mãn các tiêu chuẩn. Do đó có rất nhiều cách để tìm được thông số PID nhằm thõa mãn với yêu cầu. Có những phương pháp thủ công và phương pháp phức tạp hơn được sử dụng tùy trường hợp và tùy mục đích người sử dụng.
Ở mô hình này phương pháp thủ công truyền thống được áp dụng nhằm mục đích điều chỉnh vòng lặp trong quá trình điều khiển. Độ ổn định Nếu chọn sai một trong các thông số khâu tích phân, vi phân và tỉ lệ ở bộ điều khiển, mô hình hoạt động sẽ mất ổn định, gây dao động. Sự không ổn định được gây ra khi xuất hiện độ trễ lớn và dư thừa độ lợi. Tóm lại, độ ổn định phải thõa mãn và không được dao động trong quá trình điều khiển.