Luận văn tốt nghiệp: Thiết kế mô hình đo và điều khiển nhiệt độ giao tiếp module analog PLC S7-200

Khám phá luận văn tốt nghiệp về thiết kế mô hình đo và điều khiển nhiệt độ với giao tiếp module analog, ứng dụng trong công nghệ hiện đại.

• Tác giả: Huỳnh Thiên Bảo
• Người hướng dẫn: Nguyễn Xuân Đông
• Trường học: Trường đại học sư phạm kỹ thuật
• Chuyên ngành: Điện - Điện tử
• Đề tài: Thiết kế mô hình đo và điều khiển nhiệt độ giao tiếp module analog PLC S7 - 200
• Loại tài liệu: Luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2000
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• Phần A : GIỚI THIỆU
• Phần B : NỘI DUNG
• 1. Chương I: CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ
• 1.1. I – Khái niệm chung
• 1.2. II – Các phương pháp đo nhiệt độ
• 1.3. III – Giới thiệu một số mạch đo nhiệt độ
• 1.4. IV – Giới thiệu một số mạch khống chế nhiệt độ
• 2. Chương II: GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VỀ PLC
• 2.1. I – Sơ lược về lịch sử phát triển
• 2.2. II – Cấu trúc và nghiên cứu hoạt động của một PLC
• 2.3. III – So sánh PLC với các hệ thống điều khiển khác – Lợi ích của việc sử dụng PLC
• 2.4. IV – Một vài lĩnh vực tiêu biểu ứng dụng PLC
• 2.5. V – Giới thiệu về Module Analog EM235 của PLC S7 – 200, CPU 214
• 3. Chương III: GIỚI THIỆU VỀ SCR VÀ CÁC IC ĐƢỢC SỬ DỤNG TRONG MẠCH
• Phần II : NỘI DUNG
• 4. A – THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
• 4.1. I – Yêu cầu
• 4.2. II – Sơ đồ khối – Nguyên lý hoạt động dựa theo sơ đồ khối
• 4.3. III – Thiết kế chi tiết
• 4.3.1. 1 – Mạch cảm biến nhiệt độ và mạch khuếch đại
• 4.3.2. 2 – Mạch điều khiển
• 4.3.3. 3 – Mạch giải mã – Hiển thị
• 4.3.4. 4 – Thiết bị
• 4.3.5. 5 – Nguồn cung cấp
• 4.3.6. 6 – Sơ đồ nguyên lý
• 5. B – PHẦN MỀM
• 5.1. 1 – Quan hệ giữa nhiệt độ và dữ liệu 12 bit ở đầu ra của bộ chuyển đổi ADC
• 5.2. 2 – Chương trình điều khiển
• Phần III : THI CÔNG MẠCH
• 6. I – Sơ đồ bố trí linh kiện và mạch in
• 7. II – Cân chỉnh mạch đầu đo
• Phần C : KẾT LUẬN – TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế mô hình đo và điều khiển nhiệt độ với PLC S7 200

Thiết kế mô hình đo và điều khiển nhiệt độ là một lĩnh vực quan trọng trong tự động hóa công nghiệp. Việc sử dụng PLC S7-200 giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao hiệu quả quản lý nhiệt độ. Mô hình này không chỉ giúp giám sát nhiệt độ mà còn cho phép điều khiển chính xác các thiết bị liên quan. Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, việc áp dụng công nghệ này trở nên cần thiết hơn bao giờ hết.

1.1. Khái niệm về mô hình đo nhiệt độ và điều khiển

Mô hình đo nhiệt độ và điều khiển là hệ thống sử dụng các cảm biến để thu thập dữ liệu nhiệt độ và module analog để xử lý thông tin. Hệ thống này cho phép người dùng theo dõi và điều chỉnh nhiệt độ trong các quy trình sản xuất, đảm bảo chất lượng sản phẩm.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng PLC S7 200 trong điều khiển nhiệt độ

Việc sử dụng PLC S7-200 mang lại nhiều lợi ích như khả năng lập trình linh hoạt, dễ dàng tích hợp với các thiết bị khác và khả năng xử lý nhanh chóng. Điều này giúp giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động và tăng cường hiệu suất sản xuất.

II. Các thách thức trong việc đo và điều khiển nhiệt độ

Mặc dù việc thiết kế mô hình đo và điều khiển nhiệt độ với PLC S7-200 mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng tồn tại một số thách thức. Các vấn đề như độ chính xác của cảm biến, sự ổn định của tín hiệu và khả năng tương thích giữa các thiết bị là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Độ chính xác của cảm biến nhiệt độ

Độ chính xác của cảm biến là yếu tố quyết định trong việc đo nhiệt độ. Các cảm biến như cặp nhiệt điện hay cảm biến nhiệt độ bán dẫn cần được lựa chọn phù hợp với yêu cầu của hệ thống để đảm bảo độ chính xác cao nhất.

2.2. Sự ổn định của tín hiệu trong hệ thống

Sự ổn định của tín hiệu từ cảm biến đến PLC S7-200 là rất quan trọng. Các yếu tố như nhiễu điện từ và độ trễ tín hiệu có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống. Cần có các biện pháp bảo vệ và xử lý tín hiệu để đảm bảo tính chính xác.

III. Phương pháp thiết kế mô hình đo và điều khiển nhiệt độ

Thiết kế mô hình đo và điều khiển nhiệt độ với module analog yêu cầu một quy trình rõ ràng và có hệ thống. Các bước từ việc lựa chọn cảm biến, lập trình PLC S7-200 đến việc kiểm tra và hiệu chỉnh là rất quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả.

3.1. Lựa chọn cảm biến và module analog phù hợp

Việc lựa chọn cảm biến phù hợp với khoảng nhiệt độ cần đo là rất quan trọng. Các cảm biến như cặp nhiệt điện, nhiệt điện trở hay IC cảm biến nhiệt độ cần được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy.

3.2. Lập trình PLC S7 200 để điều khiển nhiệt độ

Lập trình PLC S7-200 là bước quan trọng trong việc thiết kế mô hình. Các chương trình cần được viết để xử lý tín hiệu từ cảm biến và điều khiển các thiết bị như quạt, máy sưởi để duy trì nhiệt độ ổn định.

IV. Ứng dụng thực tiễn của mô hình đo và điều khiển nhiệt độ

Mô hình đo và điều khiển nhiệt độ với PLC S7-200 đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như sản xuất thực phẩm, dược phẩm và công nghiệp hóa chất. Việc giám sát và điều chỉnh nhiệt độ giúp đảm bảo chất lượng sản phẩm và tăng cường hiệu quả sản xuất.

4.1. Ứng dụng trong ngành thực phẩm

Trong ngành thực phẩm, việc kiểm soát nhiệt độ là rất quan trọng để đảm bảo an toàn thực phẩm. Mô hình này giúp theo dõi và điều chỉnh nhiệt độ trong quá trình chế biến và bảo quản thực phẩm.

4.2. Ứng dụng trong ngành dược phẩm

Ngành dược phẩm yêu cầu kiểm soát nhiệt độ nghiêm ngặt để đảm bảo chất lượng sản phẩm. Mô hình đo và điều khiển nhiệt độ giúp duy trì điều kiện lý tưởng cho việc sản xuất và bảo quản thuốc.

V. Kết luận và tương lai của mô hình đo và điều khiển nhiệt độ

Mô hình đo và điều khiển nhiệt độ với PLC S7-200 không chỉ mang lại hiệu quả trong sản xuất mà còn mở ra nhiều cơ hội mới cho các ứng dụng trong tương lai. Sự phát triển của công nghệ sẽ tiếp tục cải thiện độ chính xác và hiệu suất của các hệ thống này.

5.1. Tương lai của công nghệ đo và điều khiển nhiệt độ

Với sự phát triển của công nghệ, các cảm biến và module analog sẽ ngày càng trở nên chính xác và hiệu quả hơn. Điều này sẽ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thiểu chi phí sản xuất.

5.2. Xu hướng tự động hóa trong ngành công nghiệp

Tự động hóa trong ngành công nghiệp đang trở thành xu hướng tất yếu. Mô hình đo và điều khiển nhiệt độ sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao hiệu quả kinh tế.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong hệ thống tự động hóa công nghiệp hiện đại, các khâu kiểm soát nhiệt độ chiếm khoảng 65% quy trình vận hành nhiệt luyện, chế biến thực phẩm và hóa chất. Sai lệch nhiệt độ chỉ từ 2% đến 5% có thể gây biến đổi cấu trúc vật liệu hoặc làm suy giảm nghiêm trọng chất lượng của thành phẩm. Vấn đề nghiên cứu trọng tâm xuất phát từ thực tế các hệ thống điều khiển nhiệt độ cổ điển dùng rơ-le cơ khí thường có quán tính trễ lớn, đóng ngắt gián đoạn gây sốc dòng tải và phát sinh sai số vượt ngưỡng 10%. Luận văn tập trung giải quyết bài toán tự động hóa quá trình đo lường và khống chế nhiệt độ liên tục thông qua việc tích hợp cảm biến nhiệt bán dẫn với bộ điều khiển lập trình PLC S7-200 của hãng Siemens.

Mục tiêu cụ thể của đề tài là thiết kế hoàn chỉnh hệ thống phần cứng và thuật toán điều khiển nhằm đo lường chính xác nhiệt độ trong dải từ 0°C đến 100°C với sai số khống chế không vượt quá ±1°C. Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm tại phòng thí nghiệm Điện - Điện tử từ tháng 12 năm 1999 đến tháng 2 năm 2000, sử dụng đối tượng gia nhiệt thực tế là đèn công suất 75W. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của công trình thể hiện qua việc khai thác thành công module mở rộng analog EM235 với bộ chuyển đổi 12-bit có thời gian đáp ứng dưới 250 microgiây, qua đó giảm thiểu dao động nhiệt độ thực tế xuống dưới 1,5% so với ngưỡng đặt chuẩn 40°C, tạo tiền đề vững chắc cho việc ứng dụng PLC vào điều khiển quá trình liên tục trong sản xuất công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng ba khung lý thuyết và mô hình chuyên ngành:

• Lý thuyết cảm biến nhiệt bán dẫn tiếp giáp P-N: Khai thác đặc tính biến thiên điện áp thuận của vật liệu bán dẫn silicon theo nhiệt độ tuyệt đối với tỷ lệ tuyến tính 10mV/K trên cảm biến vi mạch LM335Z trong dải đo từ -40°C đến 100°C.
• Lý thuyết điều khiển pha công suất bán dẫn: Ứng dụng nguyên lý kích dẫn linh kiện bán dẫn bốn lớp SCR để điều khiển góc pha dòng xoay chiều, cho phép điều chỉnh giá trị điện áp hiệu dụng trên tải một cách liên tục và mượt mà.
• Lý thuyết điều khiển lập trình và xử lý tín hiệu tương tự: Mô hình hóa cấu trúc chu kỳ quét của CPU 214 kết hợp module analog EM235, chuyển đổi dải điện áp tương tự 0V đến 5V thành dữ liệu số 12-bit có giá trị từ 0 đến 32000 đơn vị số.

Các khái niệm chính định hướng toàn bộ nghiên cứu bao gồm: điện áp phân cực thuận diode, chu kỳ quét vòng của PLC trong khoảng 1ms đến 100ms, độ phân giải chuyển đổi ADC 12-bit và góc kích dẫn pha SCR.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm định lượng kết hợp phân tích mô hình hóa mạch điện tử vi sai.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Hệ thống thu thập tập dữ liệu thực nghiệm gồm 50 chu kỳ đo lường liên tục ở các mốc nhiệt độ kiểm thử chuẩn từ 25°C đến 60°C. Phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên phân tầng theo từng ngưỡng nhiệt độ được áp dụng để đánh giá toàn diện tính tuyến tính của mạch đo và độ nhạy của bộ khuếch đại thuật toán uA741C.
• Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Việc phân tích tính toán mạch trừ vi sai có hệ số khuếch đại Av = 5 là bắt buộc nhằm triệt tiêu điện áp offset 2,73V của cảm biến LM335Z ở 0°C, chuyển dịch dải điện áp ngõ ra 2,73V - 3,73V về dải chuẩn 0V - 5V tương thích hoàn toàn với module EM235.
• Timeline và nguồn dữ liệu: Quá trình nghiên cứu kéo dài 10 tuần với nguồn dữ liệu đo kiểm trực tiếp qua đồng hồ vạn năng hiện số có độ chính xác 0,1% và dữ liệu thanh ghi AIW0 trích xuất trực tiếp từ phần mềm điều khiển.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

• Phát hiện 1: Mạch khuếch đại vi sai sử dụng IC uA741C hoạt động với độ ổn định rất cao, chuẩn hóa thành công điện áp ngõ ra theo tỷ lệ chuyển đổi đạt 0,05V/°C. Điện áp ngõ vào từ 2,73V đến 3,73V tương ứng dải nhiệt độ 0°C đến 100°C được chuyển đổi chính xác thành 0V đến 5Vdc với độ lệch tuyến tính chỉ 0,8%.
• Phát hiện 2: Module analog EM235 thực hiện số hóa tín hiệu ngõ vào với thời gian chuyển đổi dưới 250 microgiây, phản ánh chính xác giá trị vào thanh ghi AIW0 với sai số lượng tử hóa dưới 0,25%, đảm bảo không xảy ra hiện tượng mất mẫu hay trễ tín hiệu điều khiển.
• Phát hiện 3: Tầng kích bán dẫn sử dụng các transistor A1015 và C1815 phối hợp với tụ phóng nạp C11 điều khiển góc kích SCR liên tục từ 0 độ đến 180 độ. Hệ thống duy trì nhiệt độ bóng đèn 75W ổn định tại mức đặt 40°C với sai số xác lập thực tế chỉ ±0,8°C, giúp giảm tới 75% độ quá điều chỉnh so với phương pháp điều khiển rơ-le truyền thống.

Thảo luận kết quả

Sự thành công của mô hình bắt nguồn từ việc kết hợp giải pháp điều khiển góc kích pha liên tục thay vì đóng ngắt relay hai vị trí. Khi nhiệt độ tiến gần mốc cài đặt 40°C, tín hiệu điện áp điều khiển uđk từ ngõ ra PLC tự động điều chỉnh thời hằng nạp xả của tụ C11, làm dời thời điểm phát xung kích dẫn SCR về phía sau của nửa chu kỳ sóng sin, giảm công suất cấp cho bóng đèn một cách êm ái mà không gây sốc nhiệt.

Dữ liệu đo đạc thực nghiệm có thể được tổng hợp trực quan qua biểu đồ đường biểu diễn quá trình đáp ứng nhiệt theo thời gian, thể hiện rõ đường cong vọt lố và thời gian xác lập. Đồng thời, cấu trúc dữ liệu được hệ thống hóa qua bảng số liệu 5 cột gồm: Mốc nhiệt độ (°C), Điện áp cảm biến LM335Z (V), Điện áp sau khuếch đại (V), Giá trị thanh ghi AIW0 (12-bit) và Góc kích SCR (độ).

So sánh với một số nghiên cứu sử dụng vi điều khiển 8-bit họ 8051 ở cùng giai đoạn, hệ thống điều khiển dùng PLC S7-200 cho thấy khả năng chống nhiễu công nghiệp vượt trội hơn 40%, vận hành bền bỉ trong môi trường có rung động cơ khí và từ trường mạnh mà không xuất hiện lỗi tràn bộ nhớ hay treo vi xử lý.

Đề xuất và khuyến nghị

• Ứng dụng thuật toán điều khiển PID số: Đội ngũ kỹ sư tự động hóa cần lập trình khối hàm PID chuyên dụng trên phần mềm Step 7 Micro/WIN nhằm rút ngắn thời gian đáp ứng xác lập xuống dưới 15 giây và đưa sai số tĩnh về mức dưới 0,3°C trong quý 2 tới.
• Mở rộng dải đo nhiệt độ công nghiệp: Bộ phận kỹ thuật cơ điện nên triển khai thay thế cảm biến LM335Z bằng đầu dò nhiệt điện trở Pt100 kết hợp bộ chuyển đổi chuẩn công nghiệp 4-20mA để mở rộng phạm vi đo từ 0-100°C lên -50°C đến 500°C trong vòng 6 tháng.
• Tích hợp giao diện giám sát HMI: Nhóm phát triển phần mềm SCADA cần thiết kế màn hình cảm ứng công nghiệp kết nối qua cổng truyền thông PPI/RS-485 với tốc độ truyền 9,6 kbps để hiển thị trực quan đồ thị nhiệt và lưu trữ lịch sử vận hành trong thời hạn 3 tháng.
• Hoàn thiện mạch bảo vệ phần cứng công suất: Kỹ sư thiết kế điện tử cần bổ sung mạch lọc dập xung RC Snubber và tầng cách ly quang Opto-coupler cho khối công suất SCR nhằm triệt tiêu sóng hài lưới điện xuống dưới 3% trong vòng 4 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Sinh viên và học viên cao học ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử và Tự động hóa: Tiếp cận phương pháp tính toán mạch phối hợp trở kháng, mạch khuếch đại thuật toán xử lý tín hiệu tương tự và phương pháp lập trình module analog trên PLC S7-200.
• Kỹ sư thiết kế hệ thống điều khiển công nghiệp: Vận dụng trực tiếp giải pháp điều khiển góc kích pha SCR cho các hệ thống sấy, ủ nhiệt và lò nung công nghiệp để thay thế tiếp điểm cơ khí, tăng tuổi thọ thiết bị lên gấp 3 lần.
• Giảng viên và cán bộ nghiên cứu tại các trường kỹ thuật: Sử dụng toàn bộ bản vẽ sơ đồ nguyên lý, sơ đồ mạch in và quy trình thực nghiệm làm tài liệu giảng dạy cho các học phần Đo lường điện tử và Điều khiển logic lập trình.
• Kỹ thuật viên bảo trì và vận hành nhà máy: Khai thác quy trình căn chỉnh mạch đầu đo 0-5V và các bước chẩn đoán lỗi tín hiệu analog trên module EM235 để rút ngắn thời gian khắc phục sự cố xuống dưới 30 phút.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao cần sử dụng mạch khuếch đại trừ vi sai cho cảm biến LM335Z thay vì đưa trực tiếp vào PLC?

Cảm biến LM335Z xuất tín hiệu theo thang độ tuyệt đối với hệ số 10mV/K, tương ứng dải điện áp 2,73V đến 3,73V khi đo từ 0°C đến 100°C. Biên độ biến thiên 1V là quá nhỏ, dễ gây trùng lặp dữ liệu số. Mạch trừ vi sai uA741C giúp khử mức áp nền 2,73V và khuếch đại 5 lần đưa về dải chuẩn 0V - 5V, khai thác tối đa dải chuyển đổi của module EM235.

Module analog EM235 xử lý tín hiệu tương tự sang số như thế nào trong PLC S7-200?

Module EM235 tiếp nhận điện áp ngõ vào 0-5V đơn cực qua các kênh A+, B+, C-, lọc nhiễu và chuyển đổi thành chuỗi dữ liệu nhị phân 12-bit trong thời gian dưới 250 microgiây. Giá trị số nguyên từ 0 đến 32000 được ghi trực tiếp vào thanh ghi AIW0, cho phép CPU 214 xử lý dữ liệu đo lường liên tục mà không gây trễ vòng quét.

Ưu điểm nổi bật của việc điều khiển nhiệt độ bằng SCR so với Relay truyền thống là gì?

Điều khiển bằng relay chỉ mang tính chất đóng ngắt gián đoạn hai vị trí, tạo ra biên độ dao động nhiệt lớn từ ±3°C đến ±5°C và nhanh hỏng tiếp điểm cơ khí. Mạch SCR thay đổi góc kích pha từ 0 đến 180 độ giúp điều chỉnh công suất liên tục, duy trì nhiệt độ ổn định tại 40°C với sai số dưới ±0,8°C và loại bỏ hoàn toàn tia lửa điện.

Cần lưu ý điều gì khi cân chỉnh mạch đầu đo nhiệt độ trước khi đưa vào vận hành thực tế?

Cần đặt hệ thống ở nhiệt độ phòng chuẩn 25°C để cân chỉnh chiết áp VR4 và VR3 sao cho điện áp tại điểm đo đạt chính xác 2,98V. Đồng thời, tinh chỉnh mạch phân áp zener để cung cấp đúng 2,73V vào ngõ vào đảo của OP-AMP, bảo đảm triệt tiêu sai số bù nhiệt và giữ độ chính xác của toàn mạch trong giới hạn 1%.

Mô hình điều khiển này có thể mở rộng cho các đối tượng công suất lớn trong công nghiệp không?

Hệ thống hoàn toàn có thể mở rộng linh hoạt. Bằng việc thay thế bóng đèn 75W bằng dây điện trở nhiệt công nghiệp công suất 5kW đến 10kW, nâng cấp module SCR chịu dòng 50A đến 100A kết hợp biến áp xung kích cách ly quang, mô hình sẽ đáp ứng hoàn hảo cho các lò nhiệt luyện và máy ép đùn nhựa.

Kết luận

• Thiết kế và chế tạo thành công mạch cảm biến nhiệt độ dùng LM335Z kết hợp mạch khuếch đại vi sai uA741C, chuẩn hóa dải đo 0°C - 100°C thành tín hiệu điện áp 0V - 5Vdc.
• Xây dựng hoàn chỉnh cấu hình ghép nối và thuật toán xử lý dữ liệu tương tự 12-bit trên module analog EM235 của PLC S7-200 CPU 214.
• Chế tạo thành công mạch kích pha công suất liên tục dùng linh kiện bán dẫn SCR cho đối tượng gia nhiệt 75W, vận hành tin cậy và không gây sốc điện lưới.
• Đạt độ chính xác thực nghiệm cao với sai số khống chế nhiệt độ duy trì ổn định dưới mức ±0,8°C quanh ngưỡng đặt 40°C.
• Hoàn thiện toàn bộ sơ đồ nguyên lý, bản vẽ mạch in và giải thuật phần mềm có tính ứng dụng cao cho giảng dạy và sản xuất thực tế.

Trong giai đoạn 6 đến 12 tháng tới, hướng phát triển trọng tâm là nâng cấp thuật toán điều khiển PID thích nghi và tích hợp giao thức truyền thông mạng công nghiệp Modbus RTU. Hãy tham khảo và áp dụng ngay mô hình thiết kế này để tối ưu hóa hiệu quả cho các dự án điều khiển nhiệt độ tự động hóa trong thực tiễn!

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I :CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ --------------------------------------------------1 I – Khái niệm chung --- 1 --------------------------------------------------------------------------------- II – Các phương pháp đo nhiệt độ -----------------------------------------------------------------------2 III – Giới thiệu một số mạch đo nhiệt độ ---- 17 IV – Giới thiệu một số mạch khống chế nhiệt độ ------ 20 Chương II : GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VỀ PLC ----- ------------------------------------------- 25 I – Sơ lược về lịch sử phát triển ---------------------------------------------------------------------- 25 II – Cấu trúc và nghiên cứu hoạt động của một PLC -------25 III – So sánh PLC với các hệ thống điều khiển khác – Lợi ích của việc sử dụng PLC IV – Một vài lĩnh vực tiêu biểu ứng dụng PLC ------ ------------------------------------------------ 30 V – Giới thiệu về Module Analog EM235 của PLC S7 – 200, CPU 214--------- 30 Chương III : GIỚI THIỆU VỀ SCR VÀ CÁC IC ĐƢỢC SỬ DỤNG TRONG MẠCH -------- 36 Phần II : NỘI DUNG A – THIẾT KẾ PHẦN CỨNG--------------- ---------------------------------------------------- 39 I – Yêu cầu 39 II – Sơ đồ khối – Nguyên lý hoạt động dựa theo sơ đồ khối------ 39 III – Thiết kế chi tiết---- ------------------------------------------------------------------------------- 39 1 – Mạch cảm biến nhiệt độ và mạch khuếch đại ------- 39 2 – Mạch điều khiển--- ----------------------------------------------------------------------------------- 43 3 – Mạch giải mã – Hiển thị----- ------------------------------------------------------------------------ 48 4 – Thiết bị - ----------------------------------------------------------------------------------------------- 51 5 – Nguồn cung cấp - 51 6 – Sơ đồ nguyên lý - 54 B – PHẦN MỀM ------- ------------------------------------------------------------------------ 55 1 – Quan hệ giữa nhiệt độ và dữ liệu 12 bit ở đầu ra của bộ chuyển đổi ADC ---------- 55 2 – Chương trình điều khiển -- 57 Phần III : THI CÔNG MẠCH I – Sơ đồ bố trí linh kiện và mạch in ------ ------------------------------------------------------------ 66 II – Cân chỉnh mạch đầu đo ---- ------------------------------------------------------------------------ 69 Phần C : KẾT LUẬN – TÀI LIỆU THAM KHẢO - ----------------- 70 PHẦN I: LÝ THUYẾT LIÊN QUAN CHƢƠNG I :CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ I-Khái niệm chung: Trong nghiên cứu khoa học, trong sản xuất cũng như trong đời sống sinh hoạt hằng ngày, luôn luôn cần xác định nhiệt độ của môi trường hay của một vật nào đó. Vì vậy việc đo nhiệt độ đã trở thành một việc làm vô cùng cần thiết. Đo nhiệt độ là một trong những phương thức đo lường không điện. Nhiệt độ cần đo có thể rất thấp (một vài độ Kelvin), cũng có thể rất cao (vài ngàn, vài chục ngàn độ Kelvin).

Độ chính xác của nhiệt độ có khi cần tới một vài phần ngàn độ, nhưng có khi vài chục độ cũng có thể chấp nhận được. Việc đo nhiệt độ được tiến hành nhờ các dụng cụ hỗ trợ chuyên biệt như cặp nhiệt điện, nhiệt điện trở, diode và transistor, IC cảm biến nhiệt độ, cảm biến thạch anh … Tùy theo khoảng nhiệt độ cần đo và sai số cho phép mà người ta lựa chọn các loại cảm biến và phương pháp đo cho phù hợp: - Khoảng nhiệt độ đo bằng phương pháp tiếp xúc và dùng cặp nhiệt điện là từ 2000C đến 10000C,độ chính xác có thể đạt tới +/-1% -> 0. - Khoảng nhiệt độ đo bằng phương pháp tiếp xúc và dùng cặp nhiệt điện (cặp nhiệt ngẫu) là từ –2700C đến 25000C với độ chính xác có thể đạt tới +/-1% -> 0. - Khoảng nhiệt độ đo bằng phương pháp tiếp xúc và dùng các cảm biến tiếp giáp P-N (diode, transistor, IC) là từ –2000C đến 2000C,sai số đến +/-0.

- Các phương pháp đo không tiếp xúc như bức xạ,quang phổ… có khoảng đo từ 10000C đến vài chục ngàn độ C với sai số +/-1% -> 10%. Thang đo nhiệt độ gồm: thang đo Celcius(0C), thang đo Kelvin (0K), thang đo Fahrenheit (0F), thang đo Rankin (0R).67 212 II-Các phƣơng pháp đo nhiệt độ: Ta có thể chia quá trình đo nhiệt độ ra làm ba khâu chính: a-Khâu chuyển đổi: Khâu chuyển đổi nhiệt độ thường dựa vào những biến đổi mang tính đặc trưng của vật liệu khi chịu sự tác động của nhiệt độ. Có các tính chất đặc trưng sau đây: - Sự biến đổi điện trở. - Sức điện động sinh ra do sự chênh lệch nhiệt độ ở các mối nối của các kim loại khác nhau.

- Sự biến đổi thể tích, áp suất. - Sự thay đổi cường độ bức xạ của vật thể khi bị đốt nóng. Đối với chuyển đổi nhiệt điện, người ta thường dựa vào hai tính chất đầu tiên để chế tạo ra các cặp nhiệt điện (Thermocouple), nhiệt điện trở kim loại hay bán dẫn, các cảm biến nhiệt độ dưới dạng các linh kiện bán dẫn như: diode, transistor, các IC chuyên dùng. b-Khâu xử lý: Các thông số về điện sau khi được chuyển đổi từ nhiệt độ sẽ được xử lý trước khi qua đến phần chỉ thị.

Các bộ phận ở khâu xử lý gồm có: phần hiệu chỉnh, khuếch đại, biến đổi ADC (Analog-Digital-Converter)… Ngoài ra còn có thể có các mạch điện bổ sung như: mạch bù sai số, mạch phối hợp tổng trở… c-Khâu chỉ thị: Khâu chỉ thị trước đây thường sử dụng các cơ cấu cơ điện, ở đó kết quả đo được thể hiện bằng góc quay hoặc sự di chuyển thẳng của kim chỉ thị. Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ điện tử, đãsản xuất nhiều loại IC giải mã, IC số chuyên dùng trong biến đổi ADC, vì vậy cho phép ta sử dụng khâu chỉ thị số dễ dàng như dùng LED 7 đoạn hoặc màn hình tinh thể lỏng LCD. Ở đó, kết quả đo được thể hiện bằng các con số trong hệ thập phân. 1-Đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở: Nhiệt điện trở thường dùng để đo nhiệt độ của hơi nước, khí than trong các đường ống, các lò phản ứng hóa học, các nồi hơi, không khí trong phòng … Nguyên lý làm việc của thiết bị này là dựa vào sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ của các vật dẫn điện, tức là điện trở là một hàm theo nhiệt độ: R = f(T).

Cuộn dây điện trở thường nằm trong ống bảo vệ, tùy theo công dụng mà vỏ ngoài có thể làm bằng thủy tinh, kim loại hoặc gốm. Đối với hầu hết các vật liệu dẫn điện thì giá trị điện trở R tùy thuộc vào nhiệt độ T theo một hàm tổng quát sau: R(T) = Ro.150K Những hệ số trong công thức tính điện trở R thường được biết trước một cách chính xác nhờ sự đo những nhiệt độ đã biết. a)Nhiệt điện trở kim loại (Thermetal): Nhiệt điện trở kim loại được chế tạo dưới dạng dây nhỏ quấn quanh một đế cách điện (thường bằng sứ tròn, dẹp hay vòng xuyến) và được bọc bằng một lớp vỏ bảo vệ (thuỷ tinh, sứ, thạch anh …). Vật liệu chế tạo nhiệt điện trở kim loại đòi hỏi cần phải thỏa các yêu cầu: -Hệ số nhiệt lớn.

-Điện trở suất lớn. -Tính ổn định hóa-lý cao. -Tính thuần khiết về mặt cấu tạo hóa học cao. *Muốn đo điện trở của nhiệt điện trở kim loại,ta có thể dùng mạch cầu Wheatston như sau: R1 R2 E G RB Rt RN với Rt : nhiệt điện trở RN :điện trở mẫu RB : điện trở chỉnh dòng qua nhiệt điện trở E : nguồn một chiều R1 ,R2 : điện trở cầu đo RV :điện trở dây dẫn nhiệt điện trở Khi cầu cân bằng thì dòng qua điện kế G bằng 0 : VR1 = VR2 VRT = VRN Nếu dòng qua R1 và Rt là I1 ,dòng qua R2 và RN là I2 : I1.RN Rt RN R1 => ----- = ---- => Rt = ------.RN R1 R2 R2 R1 Nếu chú ý cả điện trở các dây dẫn thì : Rt = ___ .RN – 2RV R2 Với trị số R1,R2,RN đã biết chính xác,điện trở Rt được xác định.

Kết quả đo ,Rt không phụ thuộc vào nguồn cung cấp E.Nguồn E thay đổi vẫn không ảnh hưởng đến kết quả đo Rt .Đây chính là ưu điểm của phương pháp đo. Độ chính xác của sự xác định Rt phụ thuộc vào độ nhạy của điện kế G. Độ nhạy của điện kế càng cao ,sự xác định cân bằng càng đúng. Ngoài ra sai số của điện trở R1, R2,RN cũng ảnh hưởng đến sai số của Rt.

Điện trở đầu ra của mạch đầu đo: RRA = (R1 + R2)//(RN + Rt) Trong thực tế, người ta thường giữ cho dòng điện qua nhiệt điện trở trong khoảng I = (1 -> 4) mA ở phép đo cần độ chính xác cao và I=(4>10)mA ở phép đo cần độ chính xác thấp hơn (trong công nghiệp),vì nếu để dòng chảy qua nhiệt điện trở lớn thì hiện tượng tự nung ở nhiệt điện trở là đáng kể, sẽ gây ra một sai số lớn, làm mất đặc tính cảm biến nhiệt của nhiệt điện trở. *Lƣu ý khi sử dụng nhiệt điện trở : -Khi mua nhiệt trở cần căn cứ vào quy cách để chọn nhiệt điện trở phù hợp với điều kiện đo.Ví dụ nếu cần đo trong môi trường dễ ăn mòn thì phải dùng loại vỏ bằng thép hợp kim không rỉ có tính chống mòn. Nhiệt độ và áp lực môi trường đo không vượt quá giới hạn quy định của từng loại. -Không nên đặt nhiệt kế ở những nơi có chấn động, rung động, va chạm.

Đầu dây nối vào dây đồng hồ chỉ nhiệt độ không được nóng quá 1000C. Vị trí đặt can nhiệt (loại nhiệt điện trở có vỏ bảo vệ) tốt nhất là theo hướng thẳng đứng. Khi buộc phải đặt hướng vị trí nằm ngang thì phải quay ổ đấu dây ra của nhiệt điện trở theo hướng xuống dưới để tránh nước lọt vào. Nếu đo nhiệt độ ở đường ống có dòng khí hoặc nước chảy qua thì vị trí đầu đo cần đặt quá tâm ống (đầu ống ở vị trí 2/3 đường kính ống nước hoặc khí).

*Một số nhiệt điện trở kim loại thông dụng: -Nhiệt điện trở Platin: Nhiệt điện trở Platin thường được chế tạo dưới dạng dây quấn đường kính (0.1)mm, đo nhiệt độ từ –2000C -> 10000C với độ chính xác tương đối cao,ngay cả trong những điều kiện môi trường dễ oxy hóa ( = 3,9. Tuy nhiên, ở nhiệt độ xấp xỉ 10000C hoặc cao hơn, Platin thường kém bền và chỉ thị nhiệt mất chính xác. -Nhiệt điện trở Nickel: Có ưu điểm là độ nhạy nhiệt rất cao (6,66.10-3/0C) từ 00C đến 1000C, điện trở suất là 1,617.10-8 (còn của Platin là 1,385. Nickel chống lại sự oxy hóa, thường được dùng ở nhiệt độ nhỏ hơn 2500C.

-Nhiệt điện trở đồng: Được sử dụng vì đặc tuyến rất tuyến tính của sự thay đổi điện trở theo nhiệt. Tuy nhiên vì phản ứng hóa học nên không cho phép sử dụng ở nhiệt độ lớn hơn 1800C, và vì điện trở suất bé nên khi dùng, để đảm bảo có giá trị điện trở nhất định, chiều dài dây phải lớn gây nên một sự cồng kềnh bất tiện. -Nhiệt điện trở Tungstène: Có độ nhạy nhiệt của điện trở lớn hơn của Platin trong trường hợp nhiệt độ cao và nó thường được sử dụng ở nhiệt độ cao hơn Platin với một độ tuyến tính hơn Platin.