Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các ngành công nghiệp sản xuất như luyện kim, chế biến thực phẩm hay công nghiệp vật liệu, công đoạn đo lường và điều khiển nhiệt độ đóng vai trò then chốt, quyết định trực tiếp đến chất lượng đầu ra của sản phẩm. Việc duy trì nhiệt độ theo một quy trình công nghệ đòi hỏi độ chính xác cao và khả năng phản hồi linh hoạt. Tuy nhiên, nhiều cơ sở sản xuất trong nước vẫn vận hành các dây chuyền cũ, quy trình điều khiển mang tính thủ công hoặc sử dụng các bộ điều khiển nhiệt độ chuyên dụng đơn lẻ vốn chưa đáp ứng tốt về độ ổn định và tính linh hoạt. Bên cạnh đó, việc người vận hành phải trực tiếp theo dõi tại các khu vực làm việc có nhiệt độ cao tiềm ẩn nhiều nguy cơ về an toàn lao động. Do đó, việc xây dựng một hệ thống điều khiển tự động vòng kín kết hợp giám sát và thu thập dữ liệu từ xa (SCADA) là nhu cầu thực tiễn cần thiết.

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hệ thống giám sát và ổn định nhiệt độ lò nhiệt sử dụng PLC S7-1200" do nhóm sinh viên Nguyễn Văn Huy, Đỗ Xuân Dương và Đoàn Văn Bính (Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội) thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy Dương Anh Tuấn vào năm 2023, nhằm giải quyết bài toán tự động hóa quá trình điều khiển nhiệt độ lò sấy/nung.

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đề tài bao gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan về hệ thống tự động hóa công nghiệp, nguyên lý điều khiển vòng kín có phản hồi và lý thuyết điều khiển vi tích phân tỉ lệ (PID).
  2. Nghiên cứu cấu trúc phần cứng, nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển logic khả trình PLC Siemens S7-1200, các module mở rộng tín hiệu analog, cảm biến nhiệt độ PT100, các bộ chuyển đổi chuẩn tín hiệu và module công suất Triac.
  3. Khảo sát, thu thập dữ liệu thực nghiệm đáp ứng nấc (step response) của lò nhiệt, ứng dụng phần mềm MATLAB để nhận dạng hàm truyền đạt của đối tượng lò nhiệt dưới dạng khâu quán tính bậc nhất có trễ.
  4. Tính toán, xác định các thông số bộ điều khiển PID ($K_P$, $K_I$, $K_D$) theo phương pháp Ziegler-Nichols và tiến hành mô phỏng đánh giá chất lượng hệ thống trên MATLAB Simulink.
  5. Thiết kế sơ đồ nguyên lý, lắp đặt hoàn thiện tủ điều khiển và mô hình lò nhiệt sử dụng bóng đèn Halogen công suất 1000W.
  6. Lập trình điều khiển trên phần mềm TIA Portal V16, cấu hình khối hàm công nghệ PID và thiết kế giao diện điều khiển, giám sát SCADA bằng WinCC Runtime Advanced thông qua mạng truyền thông PROFINET/Ethernet.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điều khiển ổn định nhiệt độ lò nhiệt quy mô phòng thí nghiệm và giải pháp tự động hóa bằng PLC Siemens S7-1200 kết hợp giao diện SCADA WinCC.
  • Phạm vi không gian: Mô hình thực nghiệm lò nhiệt sử dụng đèn gia nhiệt Halogen 220VAC - 1000W, dải nhiệt độ đo lường từ 0 đến 100°C, thực hiện tại Khoa Điện – Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội.
  • Phạm vi thời gian: Đồ án được hoàn thành và nghiệm thu trong năm 2023.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

  • Lý thuyết điều khiển vòng kín: Đề tài áp dụng cấu trúc điều khiển vòng kín có phản hồi. Tín hiệu nhiệt độ thực tế đo từ cảm biến được đưa về bộ điều khiển trung tâm để so sánh với giá trị đặt (Setpoint). Sai số $e(t)$ giữa giá trị thực tế và giá trị đặt được đưa qua thuật toán điều khiển nhằm điều chỉnh tín hiệu đầu ra điều khiển thiết bị gia nhiệt.
  • Bộ điều khiển PID: Thuật toán điều khiển bao gồm 3 thành phần:
    • Khâu tỉ lệ ($K_P$): Tác động tỷ lệ thuận với sai số hiện tại, làm tăng tốc độ đáp ứng và giảm sai số xác lập nhưng nếu $K_P$ quá lớn sẽ gây dao động và vọt lố.
    • Khâu tích phân ($K_I$): Tích lũy sai số theo thời gian, có tác dụng triệt tiêu hoàn toàn sai số xác lập đối với tín hiệu đầu vào dạng hàm nấc.
    • Khâu vi phân ($K_D$): Phản ứng với tốc độ biến thiên của sai số, giúp giảm độ vọt lố và cải thiện đáp ứng quá độ.
  • Phương pháp xác định thông số PID: Phương pháp Ziegler-Nichols (Ziegler-Nichols I dựa trên đáp ứng nấc và Ziegler-Nichols II dựa trên độ lợi tới hạn).
  • Mô hình toán học của lò nhiệt: Quá trình truyền nhiệt trong buồng lò được mô hình hóa xấp xỉ dưới dạng hàm truyền đạt khâu quán tính bậc nhất có trễ: $$H(s) = \frac{K}{Ts + 1}e^{-\tau s}$$ Trong đó: $K$ là hệ số khuếch đại tĩnh, $T$ là hằng số thời gian nhiệt (thời hằng), $\tau$ là thời gian trễ của hệ thống.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp thực nghiệm và nhận dạng hệ thống: Kích thích đối tượng lò nhiệt bằng tín hiệu điện áp bước nhảy (step), thu thập dữ liệu nhiệt độ theo thời gian thực thông qua chức năng Historical Data trên TIA Portal, trích xuất dữ liệu sang Microsoft Excel. Sau đó, sử dụng công cụ Import Data và nhận dạng hệ thống (System Identification) trên MATLAB để tính toán hàm truyền đạt thực nghiệm.
  • Phương pháp mô phỏng số: Xây dựng mô hình hệ thống điều khiển nhiệt độ trên phần mềm MATLAB Simulink để khảo sát đặc tính quá độ, đánh giá độ vọt lố và thời gian xác lập của bộ thông số PID tính toán được trước khi áp dụng trên phần cứng.
  • Phương pháp thiết kế kỹ thuật và tích hợp hệ thống: Tính toán lựa chọn thiết bị công nghiệp, thiết kế bản vẽ mạch cấp nguồn, mạch điều khiển PLC, mạch điều khiển công suất tải, lắp ráp tủ điện thực tế và cấu hình phần mềm TIA Portal V16.

Nguồn dữ liệu

Dữ liệu nghiên cứu bao gồm tài liệu kỹ thuật từ nhà sản xuất Siemens (hướng dẫn dòng PLC S7-1200, phần mềm TIA Portal V16, WinCC), thông số kỹ thuật thiết bị điện (cảm biến PT100, module Triac, bộ chuyển đổi tín hiệu), cùng chuỗi dữ liệu đo đạc thực nghiệm từ cảm biến nhiệt độ của mô hình lò nhiệt.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Cấu trúc phần cứng và sơ đồ khối

Hệ thống điều khiển và giám sát nhiệt độ lò nhiệt bao gồm 6 khối chức năng chính:

  1. Khối nguồn: Cung cấp nguồn xoay chiều 220VAC cho tải nhiệt và cấp nguồn một chiều (24VDC từ bộ nguồn tổ ong S-72-24 công suất 3A và nguồn 12VDC) cho PLC, các module chuyển đổi tín hiệu. Hệ thống được bảo vệ bằng Aptomat 2P chống quá tải và ngắn mạch.
  2. Khối cảm biến và chuẩn hóa tín hiệu:
    • Cảm biến nhiệt độ RTD PT100 (Platinum, $100,\Omega$ tại $0^\circ\text{C}$, dải đo 0 - 100°C, kích thước $6\times50\text{ mm}$) thu nhận nhiệt độ trong lò.
    • Bộ chuyển đổi nhiệt độ PT100 sang tín hiệu dòng điện 4-20mA (nguồn loop power 12VDC, cách ly chống nhiễu 1500VAC, sai số 0.1%, thời gian đáp ứng $< 620\text{ ms}$, gắn trên đầu củ hành cảm biến).
    • Module chuyển đổi tín hiệu 4-20mA sang điện áp 0-10V nhằm tương thích với cổng ngõ vào Analog (AI) tích hợp sẵn trên CPU PLC S7-1200.
  3. Khối điều khiển trung tâm: PLC Siemens S7-1200 CPU 1212C DC/DC/DC (mã đặt hàng 6ES7212-1AE40-0XB0) tích hợp sẵn 8 ngõ vào số (DI 24VDC), 6 ngõ ra số (DO 24VDC), 2 ngõ vào tương tự (AI 0-10VDC), bộ nhớ chương trình 75KB.
  4. Khối mở rộng tín hiệu ngõ ra: Bo mạch mở rộng Analog Output SB 1232 (1 ngõ ra tương tự AO, dải điện áp $\pm 10\text{VDC}$ độ phân giải 12-bit hoặc dòng điện 0-20mA độ phân giải 11-bit) gắn trực tiếp lên mặt trước CPU PLC để xuất tín hiệu điều khiển 0-10VDC.
  5. Khối chấp hành công suất: Module Triac điều khiển điện áp xoay chiều (nhận tín hiệu điều khiển 0-10VDC từ board SB 1232, dòng tải định mức 25A/40A) điều chỉnh góc mở để thay đổi điện áp xoay chiều từ 0 đến 220VAC cấp cho thiết bị gia nhiệt.
  6. Khối gia nhiệt: Bóng đèn Halogen 220VAC công suất 1000W đặt trong buồng lò để tạo nhiệt lượng.
  7. Khối giám sát SCADA: Máy tính cá nhân (PC) kết nối với PLC thông qua cổng Ethernet/PROFINET tích hợp, chạy phần mềm giám sát WinCC Runtime Advanced.
Thiết bị / Module Thông số kỹ thuật chính Vai trò trong hệ thống
PLC Siemens S7-1200 CPU 1212C DC/DC/DC, 8 DI / 6 DO / 2 AI (0-10VDC), bộ nhớ 75KB Xử lý trung tâm, tính toán thuật toán PID
Board Analog SB 1232 1 AO (0-10VDC hoặc 0-20mA), độ phân giải 12-bit Xuất tín hiệu điều áp analog 0-10V đến Triac
Cảm biến PT100 Vật liệu Platinum, điện trở $100,\Omega$ ($0^\circ\text{C}$), dải 0-100°C Đo lường nhiệt độ trong buồng lò
Bộ chuyển đổi PT100/4-20mA Input: PT100, Output: 4-20mA, cách ly 1500VAC, sai số 0.1% Chuyển đổi điện trở RTD sang dòng công nghiệp
Module chuyển đổi 4-20mA/0-10V Input: 4-20mA, Output: 0-10V, tuyến tính cao Phù hợp hóa tín hiệu dòng vào cổng AI của PLC
Module công suất Triac Tín hiệu vào 0-10VDC, điện áp ra tải 0-220VAC, tải 25A/40A Điều khiển công suất cấp cho bóng đèn nhiệt
Bóng đèn Halogen Điện áp 220VAC, công suất 1000W Phần tử gia nhiệt bên trong lò nhiệt
Nguồn tổ ong S-72-24 Điện áp vào 110-220VAC, ngõ ra 24VDC - 3A Cấp nguồn cho PLC và mạch điều khiển

Thiết kế phần mềm và cấu hình điều khiển

  • Phần mềm lập trình: Sử dụng Siemens TIA Portal V16 (Totally Integrated Automation Portal) để cấu hình phần cứng phần cứng (Hardware Configuration), lập trình khối hàm logic và khối hàm công nghệ PID.
  • Cấu hình thuật toán PID: Sử dụng khối hàm công nghệ PID tích hợp trong TIA Portal, cấu hình ngõ vào kiểu nhiệt độ (°C), định dạng tín hiệu Input đọc từ ngõ vào Analog (AI) và Output xuất ra bo mạch SB 1232 (AQ), thiết lập dải đo và giới hạn nhiệt độ Min/Max của lò nhiệt.
  • Thiết kế giao diện SCADA trên WinCC Runtime Advanced:
    • Graphics Designer: Thiết kế giao diện đồ họa giám sát mô phỏng lò nhiệt, hiển thị giá trị nhiệt độ tức thời (Process Value - PV), giá trị cài đặt (Set Point - SP), đồ thị biểu diễn nhiệt độ theo thời gian thực (Trend) và các nút nhấn điều khiển (Start, Stop, Manual/Auto).
    • Tag Logging & Historical Data: Cấu hình thu thập, lưu trữ thông số nhiệt độ vào cơ sở dữ liệu định kỳ để phục vụ phân tích và trích xuất dữ liệu.
    • Alarm Logging: Thiết lập hệ thống thông báo và cảnh báo khi nhiệt độ vượt ngưỡng an toàn hoặc xảy ra sự cố phần cứng.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của việc tự động hóa điều khiển nhiệt độ trong công nghiệp và những hạn chế của phương pháp điều khiển thủ công hay bộ điều khiển đơn lẻ. Tác giả phân tích khái niệm tự động hóa, cấu trúc hệ thống dây chuyền sản xuất, so sánh bản chất giữa hai cấu trúc điều khiển vòng hở (Open-loop control) và điều khiển vòng kín (Closed-loop control). Từ đó, nhóm tác giả xác định hướng thực hiện đồ án: sử dụng PLC Siemens S7-1200 làm bộ điều khiển trung tâm, cảm biến PT100 kết hợp các khâu chuẩn hóa tín hiệu analog, điều khiển đèn gia nhiệt Halogen 1000W thông qua module Triac và xây dựng giao diện điều khiển giám sát bằng TIA Portal V16.

Chương 2. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VÀ CẤU TRÚC PHẦN CỨNG

Chương này tập trung trình bày cơ sở lý thuyết điều khiển và các thiết bị phần cứng sử dụng:

  • Bộ điều khiển PID: Phân tích cấu trúc, công thức toán học và hàm truyền đạt của các khâu tỉ lệ ($K_P$), tích phân ($K_I$), vi phân ($K_D$); đánh giá chi tiết tác động của việc tăng từng thông số đến thời gian đáp ứng, độ vọt lố, sai số xác lập và độ ổn định của hệ thống.
  • Phương pháp chỉnh định PID: Khảo sát các phương pháp tìm thông số như Ziegler-Nichols, Cohen-Coon, Tyreus-Luyben, Autotune và phương pháp điều chỉnh thủ công; tổng hợp bảng công thức tính toán thông số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols dựa trên độ lợi tới hạn ($K_r$) và chu kỳ dao động tới hạn ($P_u$).
  • PLC Siemens S7-1200: Trình bày cấu tạo, nguyên lý chu kỳ quét (1-25 ms), bảng thông số kỹ thuật của các dòng CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1214C; phân loại các bo mạch tín hiệu mở rộng (SB), module tín hiệu (SM), module truyền thông (CM) chuẩn RS232/RS485.
  • Phần mềm WinCC: Trình bày các phân hệ chức năng gồm Graphics Designer, Alarm Logging, Tag Logging, Report Designer và User Archives trong việc thiết kế giao diện HMI/SCADA.
  • Chi tiết thiết bị phần cứng: Trình bày cấu tạo và thông số kỹ thuật của CPU 1212C DC/DC/DC, Aptomat 2P, bộ nguồn tổ ong 24V-3A, module Triac điều áp 0-220VAC, board analog output SB 1232, bóng đèn Halogen 1000W, cảm biến nhiệt PT100, bộ chuyển đổi PT100 sang 4-20mA và module chuyển đổi 4-20mA sang 0-10V.

Chương 3. PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Chương 3 đi sâu vào thiết kế kỹ thuật, lập sơ đồ đấu nối và tính toán thông số điều khiển:

  • Thiết kế sơ đồ: Xây dựng sơ đồ khối toàn hệ thống, bản vẽ cấp nguồn điện 220VAC, 24VDC, 12VDC, bản vẽ mạch đấu nối ngõ vào/ngõ ra PLC và bản vẽ mạch lực điều khiển bóng đèn gia nhiệt. Lắp ráp và hoàn thiện mô hình tủ điều khiển và buồng lò nhiệt thực tế.
  • Nhận dạng đối tượng lò nhiệt:
    • Trình bày khái niệm đường đặc tính của lò nhiệt, phân tích phương trình cân bằng năng lượng và thiết lập mô hình xấp xỉ khâu quán tính bậc nhất có trễ.
    • Tiến hành cấp điện áp kích thích hàm nấc (step) cho lò nhiệt, thu thập dữ liệu nhiệt độ phản hồi bằng chức năng Historical Data trên TIA Portal và xuất ra file Excel.
    • Sử dụng công cụ Import Data và System Identification Toolbox trên MATLAB để nhận dạng hàm truyền đạt thực nghiệm của lò nhiệt, so sánh mức độ khớp (fit) giữa hàm truyền do MATLAB xây dựng với chuỗi dữ liệu thực nghiệm từ Excel.
  • Xác định thông số PID và mô phỏng: Áp dụng bảng tính thông số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols I dựa trên đường cong đáp ứng nấc; xây dựng sơ đồ khối mô phỏng hệ thống điều khiển nhiệt độ trên MATLAB Simulink để kiểm chứng chất lượng đáp ứng trước khi nạp xuống PLC.

Chương 4. THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG

Chương 4 hoàn thiện phần mềm điều khiển và giao diện người - máy:

  • Tổng quan SCADA và TIA Portal V16: Giới thiệu nguyên lý hoạt động của hệ thống SCADA trong giám sát điều khiển công nghiệp và môi trường tích hợp TIA Portal V16.
  • Cấu hình thiết bị và lập trình điều khiển:
    • Khởi tạo dự án, cấu hình phần cứng với CPU 1212C DC/DC/DC và bo mạch mở rộng SB 1232 (1 AO).
    • Khởi tạo khối hàm tổ chức điều khiển PID, cấu hình kiểu dữ liệu điều khiển nhiệt độ (°C), định cấu hình các chân tín hiệu ngõ vào (Input) từ bộ chuyển đổi và ngõ ra (Output) điều khiển Triac, thiết lập giới hạn Min/Max nhiệt độ và bảng PLC Tags.
  • Thiết kế giao diện WinCC Runtime Advanced: Kết nối PLC và PC qua cổng Ethernet, thiết lập kích thước màn hình làm việc, bố trí đồ họa hiển thị giá trị đo lường, trường nhập thông số đặt (SP), đồ thị giám sát nhiệt độ trực tuyến và các nút chức năng vận hành hệ thống.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính đạt được

  • Về phần cứng: Chế tạo và lắp ráp hoàn chỉnh mô hình thực nghiệm lò nhiệt sử dụng bóng đèn Halogen 220VAC công suất 1000W và tủ điện điều khiển công nghiệp tích hợp PLC Siemens S7-1200 CPU 1212C, board SB 1232 1 AO, cảm biến PT100, các bộ chuyển đổi chuẩn tín hiệu và module công suất Triac.
  • Về nhận dạng và tính toán: Thu thập thành công dữ liệu đường đặc tính quá độ của lò nhiệt qua TIA Portal và Excel; nhận dạng thành công hàm truyền đạt của lò nhiệt trên MATLAB dưới dạng khâu quán tính bậc nhất có trễ; tính toán được bộ thông số điều khiển PID theo phương pháp Ziegler-Nichols I và kiểm chứng độ ổn định qua mô phỏng MATLAB Simulink.
  • Về phần mềm và tích hợp SCADA: Xây dựng hoàn chỉnh chương trình điều khiển PID trên TIA Portal V16 và giao diện giám sát SCADA trên nền tảng WinCC Runtime Advanced, cho phép cài đặt nhiệt độ, quan sát đồ thị đáp ứng nhiệt độ thời gian thực và giám sát vận hành thông qua kết nối mạng PROFINET/Ethernet.

Giải pháp và đóng góp của đề tài

  • Đề xuất giải pháp thiết kế đồng bộ cho hệ thống điều khiển nhiệt độ sử dụng thiết bị tự động hóa công nghiệp tiêu chuẩn (PLC S7-1200) kết hợp mạch công suất Triac và cảm biến công nghiệp PT100.
  • Giải quyết bài toán phối hợp trở kháng và chuẩn hóa tín hiệu analog nhiều cấp (chuyển đổi tín hiệu điện trở RTD sang dòng 4-20mA, tiếp tục chuyển đổi sang điện áp 0-10V) để tận dụng triệt để ngõ vào Analog điện áp tích hợp sẵn trên CPU 1212C mà không cần bổ sung module analog input chuyên dụng đắt tiền.
  • Kết hợp công cụ tính toán số (MATLAB) với phần mềm công nghiệp (TIA Portal) để tạo nên quy trình khép kín: thực nghiệm thu thập dữ liệu $\rightarrow$ nhận dạng mô hình toán $\rightarrow$ tính toán thông số $\rightarrow$ mô phỏng $\rightarrow$ triển khai thực tế trên PLC và WinCC.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án

  • Mô hình lò nhiệt được thiết kế ở quy mô phòng thí nghiệm với thể tích buồng nhiệt nhỏ và sử dụng bóng đèn Halogen 1000W làm phần tử nhiệt, do đó các đặc tính tản nhiệt và quán tính nhiệt chưa hoàn toàn đại diện cho các lò nhiệt công nghiệp dung tích lớn.
  • Khâu đo lường tín hiệu phải qua hai cấp chuyển đổi trung gian (từ PT100 sang dòng 4-20mA, rồi từ 4-20mA sang áp 0-10V) để tương thích với ngõ vào AI 0-10V có sẵn trên CPU 1212C, điều này làm tăng sai số tích lũy của chuỗi đo lường so với việc sử dụng trực tiếp module đọc nhiệt độ RTD chuyên dụng (như SM 1231 RTD).

Hướng phát triển tiếp theo

  • Mở rộng quy mô điều khiển cho các hệ thống lò nhiệt công nghiệp có công suất lớn hơn và cấu trúc buồng nhiệt đa vùng (multi-zone temperature control).
  • Bổ sung module đọc nhiệt độ RTD hoặc cặp nhiệt điện chuyên dụng (Thermocouple) để tăng độ chính xác của khâu đo lường và giảm độ trễ tín hiệu.
  • Nghiên cứu và ứng dụng các thuật toán điều khiển nâng cao như tự chỉnh định thông số PID (Autotuning PID), điều khiển mờ (Fuzzy Logic), hoặc điều khiển dự báo mô hình (MPC) nhằm nâng cao chất lượng điều khiển đối với các đối tượng phi tuyến và có thời gian trễ lớn.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án là nguồn tư liệu thực hành hữu ích cho sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Cơ điện tử trong quá trình thực hiện đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp hoặc nghiên cứu ứng dụng PLC.

Các nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng cao bao gồm:

  • Quy trình thu thập dữ liệu thực nghiệm đáp ứng nấc từ PLC qua file Excel và nhận dạng hàm truyền đạt bằng MATLAB System Identification Toolbox.
  • Giải pháp thiết kế mạch ghép nối tín hiệu analog giữa cảm biến nhiệt độ, bộ chuyển đổi và PLC.
  • Phương pháp cấu hình khối hàm công nghệ PID và kỹ thuật lập trình giao diện giám sát HMI/SCADA trên TIA Portal V16 kết hợp WinCC Runtime Advanced.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao hệ thống phải sử dụng đồng thời hai bộ chuyển đổi tín hiệu cho cảm biến nhiệt độ PT100?

Cảm biến PT100 có ngõ ra dạng điện trở thuần ($100,\Omega$ tại $0^\circ\text{C}$). Bộ chuyển đổi thứ nhất gắn tại đầu củ hành cảm biến để chuyển đổi điện trở thành tín hiệu dòng điện chuẩn công nghiệp 4-20mA nhằm chống suy hao và chống nhiễu khi truyền xa. Do dòng CPU PLC S7-1200 1212C DC/DC/DC chỉ tích hợp sẵn cổng ngõ vào Analog dạng điện áp 0-10VDC (không hỗ trợ đọc trực tiếp 4-20mA), nhóm tác giả đã sử dụng thêm Module chuyển đổi 4-20mA sang 0-10V để tận dụng các cổng ngõ vào Analog có sẵn trên CPU, giúp tối ưu chi phí phần cứng mà không cần mua thêm module mở rộng analog input đắt tiền.

2. Thiết bị chấp hành công suất trong hệ thống hoạt động theo nguyên lý nào để điều khiển nhiệt độ bóng đèn Halogen?

Khối chấp hành sử dụng Module Triac điều khiển điện áp xoay chiều. Module này nhận tín hiệu điều khiển điện áp tương tự 0-10VDC từ bo mạch ngõ ra Analog SB 1232 của PLC, sau đó điều chỉnh góc kích mở của Triac để thay đổi giá trị điện áp xoay chiều hiệu dụng từ 0 đến 220VAC cấp cho bóng đèn Halogen 1000W. Khi điện áp cấp thay đổi, công suất tỏa nhiệt của bóng đèn biến thiên tương ứng, từ đó điều chỉnh được nhiệt độ bên trong lò.

3. Quy trình nhận dạng mô hình toán học của lò nhiệt trong đồ án được thực hiện qua các bước nào?

Quy trình nhận dạng thực nghiệm gồm 3 bước:

  1. Cấp điện áp đầu vào dạng hàm bước nhảy (step) cho thiết bị gia nhiệt của lò.
  2. Thu thập chuỗi dữ liệu nhiệt độ phản hồi theo thời gian thực bằng công cụ Historical Data trong TIA Portal và xuất dữ liệu sang Microsoft Excel.
  3. Nhập dữ liệu từ Excel vào MATLAB thông qua cửa sổ Import Data, sau đó sử dụng công cụ nhận dạng hệ thống để xấp xỉ đường cong đáp ứng nấc thành hàm truyền đạt dạng khâu quán tính bậc nhất có trễ $H(s) = \frac{K}{Ts+1}e^{-\tau s}$ và so sánh độ chính xác giữa mô hình toán học với dữ liệu thực nghiệm.

4. Phương pháp nào được lựa chọn để tính toán thông số bộ điều khiển PID trong đồ án?

Đồ án áp dụng phương pháp Ziegler-Nichols (Ziegler-Nichols I) dựa trên đường cong đáp ứng nấc nhận dạng được từ mô hình toán của lò nhiệt. Các thông số thời gian trễ $\tau$ và thời hằng $T$ xác định từ đường đặc tính thực nghiệm được sử dụng để tra cứu và tính toán ra các hệ số tỉ lệ ($K_P$), thời gian tích phân ($T_I$) và thời gian vi phân ($T_D$), sau đó được kiểm chứng và tinh chỉnh thông qua mô phỏng trên MATLAB Simulink trước khi nạp vào khối hàm PID trên TIA Portal.

5. Giao diện giám sát SCADA được thiết kế bằng phần mềm nào và liên kết với PLC qua phương thức nào?

Giao diện SCADA được thiết kế bằng phần mềm WinCC Runtime Advanced tích hợp trong môi trường Siemens TIA Portal V16. Máy tính cá nhân (PC System) đóng vai trò trạm giám sát, kết nối và truyền nhận dữ liệu với PLC Siemens S7-1200 thông qua cổng Ethernet tích hợp trên CPU bằng chuẩn truyền thông PROFINET/Ethernet công nghiệp.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã thiết kế và triển khai thành công mô hình hệ thống giám sát và ổn định nhiệt độ lò nhiệt sử dụng bộ điều khiển logic khả trình PLC Siemens S7-1200 CPU 1212C kết hợp giao diện SCADA trên WinCC Runtime Advanced. Nghiên cứu đã hoàn thành toàn diện các nội dung từ thiết kế mạch phần cứng, chuẩn hóa chuỗi tín hiệu analog, nhận dạng mô hình toán học lò nhiệt trên MATLAB, đến tính toán thông số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols và lập trình điều khiển trên TIA Portal V16. Kết quả chạy thử nghiệm và mô phỏng khẳng định tính đúng đắn của giải pháp điều khiển vòng kín, mang lại tài liệu tham khảo có giá trị ứng dụng cao cho việc nghiên cứu và phát triển các hệ thống điều khiển nhiệt độ trong công nghiệp.