Đồ án: Xây dựng hệ thống điều chỉnh tự động nhiệt độ lò điện trở

Đồ án chi tiết về xây dựng hệ thống điều chỉnh tự động nhiệt độ lò điện trở, trình bày thiết kế phần cứng, bộ điều khiển PID và giao diện giám sát.

• Tác giả: Nguyễn Văn Phong
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Hoà
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Điều Khiển Tự Động
• Đề tài: Xây Dựng Hệ Thống Điều Khiển Nhiệt Độ Lò Điện Trở
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2006
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống điều khiển nhiệt độ lò điện trở

Hệ thống điều khiển nhiệt độ lò điện trở là một giải pháp công nghệ quan trọng trong các ngành công nghiệp sản xuất, xử lý vật liệu và nghiên cứu khoa học. Lò điện trở sử dụng dây đốt để tạo ra nhiệt độ cao, nhưng việc duy trì nhiệt độ ổn định đòi hỏi một hệ thống điều khiển tự động chính xác. Đặc điểm của lò điện trở bao gồm khả năng tạo nhiệt độ cao, phản ứng chậm với những thay đổi điều khiển và độ trễ vận chuyển nhiệt. Để đạt được hiệu suất tối ưu, các kỹ sư cần thiết kế một hệ thống điều chỉnh có khả năng ứng phó nhanh chóng với những biến động của quá trình làm nóng. Trong công nghiệp hiện đại, điều khiển nhiệt độ lò điện trở đóng vai trò then chốt để nâng cao chất lượng sản phẩm và tiết kiệm năng lượng.

1.1. Đặc điểm và phân loại lò điện trở

Lò điện trở có các đặc điểm nổi bật như khả năng tạo nhiệt độ cao lên đến hàng nghìn độ C và không phát sinh khí độc hại. Theo phân loại, lò điện trở được chia thành: lò nung vòng quay, lò chuyển động, lò khoang. Vật liệu làm dây đốt phải có độ bền cao, khả năng chịu nhiệt tốt và điện trở ổn định. Các yêu cầu đặc biệt bao gồm khả năng hoạt động lâu dài ở nhiệt độ cao mà không bị oxy hóa hoặc suy giảm.

1.2. Các phương pháp điều chỉnh nhiệt độ truyền thống

Trước kỹ thuật số, phương pháp điều khiển lò điện trở chủ yếu sử dụng biến áp để thay đổi hiệu điện thế đầu vào. Phương pháp rơle điều khiển công suất bằng cách bật-tắt mạch điện, còn kết hợp thyristor cho phép điều chỉnh mịn hơn. Hệ thống thyristor xung đối hiện đại cho phép kiểm soát chính xác nhiệt độ lò điện trở với sai số nhỏ và hiệu suất năng lượng cao.

II. Thiết kế phần cứng hệ thống điều khiển

Thiết kế phần cứng hệ thống điều khiển nhiệt độ bao gồm nhiều thành phần chính để đảm bảo hoạt động ổn định. Bộ khuếch đại tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ cần có độ chính xác cao và khả năng chống nhiễu tốt. Khối ổn dòng đảm bảo dòng cấp ổn định cho các linh kiện điều khiển. Bộ điều khiển công suất sử dụng thyristor để điều chỉnh công suất cấp cho lò điện trở. Sơ đồ địa chỉ vào-ra cho máy tính IBM tương thích cho phép giao tiếp giữa hệ thống điều khiển và máy tính. Các vi mạch được lựa chọn để đảm bảo tính ổn định, độ bền cao và khả năng hoạt động trong môi trường nhiệt độ cao.

2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Thyristor

Thyristor là linh kiện điều khiển công suất cấp cao sử dụng để điều chỉnh điện áp và dòng điện cấp cho lò điện trở. Cấu tạo bao gồm 4 lớp bán dẫn P-N-P-N tạo thành hai transistor ngược chiều. Khi có xung điều khiển vào cực gate, thyristor sẽ dẫn điện từ anot sang catot cho đến khi dòng điện hạ xuống dưới mức giữ. Nguyên lý hoạt động dựa trên cơ chế phản hồi tích cực giữa hai transistor, cho phép điều khiển dòng điện lớn với tín hiệu điều khiển nhỏ.

2.2. Bộ điều khiển công suất lò nung hiện đại

Hệ thống điều khiển công suất sử dụng hai thyristor mắc xung đối cho phép điều khiển cả nửa chu kỳ dương và âm của điện áp AC. Phương pháp này giúp tăng hiệu suất năng lượng lên tới 95% so với 50% của phương pháp rơle truyền thống. Mạch điều khiển xung bao gồm mạch phát xung được đồng bộ với điện áp mạng, đảm bảo bật-tắt thyristor tại thời điểm chính xác để đạt điều khiển nhiệt độ lò điện trở tối ưu.

III. Nhận dạng đối tượng và xác định tham số động học

Nhận dạng đối tượng điều khiển là bước tiên quyết để thiết kế một hệ thống điều khiển hiệu quả. Qua khảo sát quá trình nhiệt luyện của lò điện trở, ta xác định được các tham số động học như hệ số khuếch đại, hằng số thời gian và độ trễ. Phương pháp thí nghiệm bao gồm cấp một tín hiệu nhảy đơn vị cho hệ thống lò điện trở và đo ghi lại đáp ứng nhiệt độ theo thời gian. Từ đó xây dựng mô hình toán học bậc nhất hoặc bậc hai với trễ tương ứng. Kiểm chứng tính chính xác mô hình bằng cách so sánh đáp ứng lý thuyết với đáp ứng thực tế, sai số không quá 5-10%.

3.1. Cơ sở lý thuyết nhận dạng hệ thống

Nhận dạng hệ thống điều khiển nhiệt độ dựa trên các phương pháp xác định từ dữ liệu vào-ra. Mô hình toán học của lò điện trở thường được biểu diễn dưới dạng hàm truyền: G(s) = K/(1+τs)e^(-Ls) hoặc bậc cao hơn. K là hệ số khuếch đại, τ là hằng số thời gian, L là độ trễ vận chuyển. Việc xác định chính xác các tham số này rất quan trọng để thiết kế bộ điều khiển PID phù hợp.

3.2. Xác định tham số từ đặc tính động học

Phương pháp xác định tham số sử dụng phản ứng bước nhảy và phương pháp tiếp tuyến để trích xuất các tham số từ đường cong. Từ đồ thị đáp ứng, xác định: thời gian trễ L (khoảng thời gian trước khi nhiệt độ bắt đầu tăng), hằng số thời gian τ (thời gian từ 0% tới 63.2% giá trị cuối cùng). Khảo sát tính chính xác bằng cách mô phỏng hệ thống với mô hình nhận dạng được và so sánh với dữ liệu thực tế.

IV. Thiết kế bộ điều khiển PID và tổng hợp hệ thống

Bộ điều khiển PID là giải pháp chuẩn cho điều khiển nhiệt độ lò điện trở với ba thành phần: Proportional (tỷ lệ), Integral (tích phân), Derivative (đạo hàm). Thành phần P giúp hệ thống phản ứng nhanh, thành phần I loại bỏ sai lệch xác lập, thành phần D ổn định quá độ. Phương pháp Chien-Hrrones-Reswick và phương pháp tổng Kuhn là các kỹ thuật xác định tham số bộ điều khiển từ mô hình nhận dạng. Bộ điều khiển tối ưu độ lớn hoặc tối ưu đối xứng được áp dụng để đạt chất lượng quá trình tốt nhất. Thuật toán PI số được lập trình trên máy tính để điều khiển hệ thống lò điện trở với khả năng thay đổi tham số theo quá trình.

4.1. Thiết kế bộ PID kinh điển cho lò điện trở

Bộ điều khiển PID được thiết kế dựa trên mô hình xấp xỉ bậc nhất có trễ: Kp = 1.2τ/(K×L), Ki = Kp/τ, Kd = 0.5×Kp×L. Các hệ số này được xác định thực nghiệm bằng cách tăng từng tham số cho đến khi hệ thống đạt giới hạn ổn định. Sau đó điều chỉnh tối ưu để giảm độ overshoot và thời gian xác lập của quá trình điều khiển nhiệt độ lò điện trở.

4.2. Xây dựng giao diện giám sát và phần mềm điều khiển

Phần mềm điều khiển được lập trình với giao diện thân thiện để người dùng có thể giám sát và điều chỉnh hệ thống lò điện trở thực thời. Thuật toán PID số được xấp xỉ từ công thức liên tục, cho phép tính toán giá trị điều khiển tại mỗi chu kỳ lấy mẫu. Giao diện hiển thị nhiệt độ thực tế, giá trị cài đặt, sai lệch và tín hiệu điều khiển, hỗ trợ người vận hành theo dõi và can thiệp nếu cần thiết.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN. Mục đích của bản thiết kế tốt nghiệp là xây dựng một hệ thống điều khiển nhiệt độ là điện trở và lấy quá trình nhiệt luyện làm thí nghiệm để khảo sát. Nhiệt luyện là tập hợp các nguyên công nung nóng, giữ nhiệt và làm nguội với các tốc độ khác nhau đẻ làm biến đổi tổ chức của kim loại và hợp kim do đó làm biến đổi tính chất của chúng theo ý muốn. Nhiệt luyện là phương pháp gia công có những đặc điểm riêng.

Sau đây là những phân biệt nguyên công này với các nguyên công khác.  Khác với đúc, hàn là nó không nung nóng đến trạng thái lỏng, luôn luôn chỉ ở trạng thái rắn( tức là nhiệt độ nưng nóng phải thấp hơn nhiệt độ đông đặc).  Khác với cắt gọt, biến dạng dẻo( rèn, dập) khi nhiệt luyện hình dạng và kích thước các sản phẩm không thay đổi hay thay đổi không đáng kể.  Kết quả của nhiệt luyện được đánh giá bằng biến đổi của tổ chức tế vi và cơ tính không thể kiểm tra bằng vẻ ngoài.

Sơ đồ của quá trình nhiệt luyện đơn giản nhất: Đối với quá trình nhiệt luyện, ít nhất cũng được đặc trưng bằng ba thông số quan trọng nhất: - Nhiệt độ nung nóng T0n: nhiệt độ cao nhất mà quá trình phải đạt đến. - Thời gian giữ nhiệt : thời gian ngưng ở nhiệt độ nung nóng. - Tốc độ nguội Vnguội: sau khi giữ nhiệt. Ba thông số này đặc trưng cho ba giai đoạn nối tiếp của quá trình nhiệt luyện: nung nóng, giữ nhiệt, làm nguội.

Nhóm sinh viên thực hiện Nguyễn Văn Phong - Đỗ Hồng Quang ĐTĐ-K46 7 Đồ án tốt nghiệp Đối với kết quả nhiệt luyện được đánh giá bằng các chỉ tiêu sau:  Tổ chức tế vi: Bao gồm các tạo pha, kích thước hạt, chiều sâu lớp hoá bền. Có thể nói đây là chỉ tiêu gốc, cơ bản nhất song để thực hiện khá mất thời gian nên thường chỉ để kiểm tra trong từng mẻ khi sản xuất đã ổn định.  Độ cứng: Là chỉ tiêu cơ tính đẻ xác định và cũng có liên quán đến các chỉ tiêu khác như độ bền, độ dẻo, độ dai. Vì vậy bất cứ chi tiết, dụng cụ nào qua nhiệt luyện cũng được quy định giá trị độ cứng( tuỳ từng trường hợp, phải lớn hơn hay nhỏ hơn giá trị quy định) và thông thường được kiểm tra theo tỉ lệ( trong một số trường hợp có thể phải kiểm tra 100%).

 Độ cong vênh, biến dạng: Nói chung độ biến dang khi nhiệt luyện trong nhiều trường hợp là nhỏ hoặc không đáng kể, song một số trường hợp quan trọng yêu cầu này rất khắt khe, nếu vượt quá phạm vi cho phép cũng không thể dùng được. Nhiệt luyện thường gặp nhất chỉ dùng cách thay đổi nhiệt độ( không biến đổi thành phần và biến dạng dẻo) để biến đổi tổ chức trên toàn diện. Nó bao gồm nhiều phương pháp: - Ủ : Nung nóng rồi làm nguội chậm đẻ đạt được tổ chức cân bằng với độ cứng và độ bền thấp nhất, độ dẻo cao nhất. - Thường hoá: nung nóng đến tổ chức hoàn toàn Austenit, làm nguội bình thường trong không khí tĩnh để đạt tổ chức gần cân bằng.

Mục đích của ủ và thường hoá là làm mềm thép để dễ gia công cắt và dập nguội. - Tôi: nung nóng làm xuất hiện Austenit rồi làm nguội nhanh để đạt tổ chức không cân bằng với độ cứng cao nhất ( nhưng cũng đi kèm với độ giòn cao). Nếu hiệu ứng này chỉ xảy ra ở bề mặt gọi là tôi bề mặt. - Ram: nguyên công bắt buộc sau khi tôi, nung nóng lại thép toi để điều chỉnh độ cứng, đệ bền theo đúng yêu cầu làm việc.

Như vậy tôi và ram là hai nguyên công nhiệt luyện đi kèm với nhau ( không tiến hành riêng lẻ mà luôn kết hợp với nhau), mục đích củ tôi và ram là tạo cơ tính phù hợp với yêu cầu làm việc cụ thể. Nhóm sinh viên thực hiện Nguyễn Văn Phong - Đỗ Hồng Quang ĐTĐ-K46 8 Đồ án tốt nghiệp - Hoá nhiệt luyện: dùng các thay đổi nhiệt độ và biến đỏi thành phần hoá học ở bề mặt vùng này để biến đổi tổ chức và cơ tính mạnh hơn. Thường tiến hành bằng cách thấm, khếch tán một hay nhiều nguyên tố nhất định. Tác dụng của nhiệt luyện đối với sản xuất cơ khí: Nhiệt luyên là khâu quan trọng và không thể thiếu được đối với sản xuất cơ khí và nó có những tác dụng chủ yếu sau:  Tăng độ cứng, tính chống mại mòn và độ bền của thép: Mục tiêu của sẳn xuất cơ khó là sản xuất ra các cơ cấu và máy bền hơn, nhẹ hơn, khoẻ hơn với các tính năng tốt hơn.

Để đạt được điều đó không thể không sử dụn những thành quả của vật liệu kim loại và nhiệt luyện, sử dụng triệt để các tiềm năng của vật liệu về mặt cơ tính. Bằng những phương pháp nhiệt luyện thích hợp như tôi và ram, tôi bề mặt, thấm cácbon…  Cải thiện tính công nghệ: Muốn tạo thành chi tiết máy, sản phẩm thép phải qua nhiều khâu, nguyên công gia công cơ khí: rèn dập, cắt…Để đảm bảo sản xuất dễ dàng với năng suất lao đông coa, chi phí thâp, thép phải có cơ tính sao cho phù hợp với điều kiện gia công tiếp theo như cần mềm để dễ cắt hoặc dẻo để dễ biến dạng nguội. Các chuyển biến khi nung thép. Thao tác đầu tiến của nhiệt luyện là nung nóng kim loại.

Phụ thuộc vào thành phần Cácbon cổtng thép và nhiệt độ nung nóng mà trong thép có những chuyển biến khác nhau. Cơ sở để xác định chuyển biến khi nung thép là giản đồ pha Fe_C, song chỉ giới hạn ở khu vực của thép và ở trạng thái rắn. Quan sát trên giản đồ pha ta thấy rõ ở nhiệt độ thường mọi thép đều cấu tạo bởi hai pha cơ bản: Ferit và Xementit, trong đó có Peclit là hỗn hợp cùng tích của hai pha này. Thép cung tích có tổ chức đơn giản hơn cả, chỉ có Peclit.

Các thép trước và sau cùng tích cótor chức phức tạp hơn: Ngoài Peclit ra còn có thêm Ferit hoặc Xêmentit thứ hai. Bây giờ khi nung nóng các thép lên nhiệt độ cao, hãy xem chúng lần lượt có những chuyển biến gì? Nhóm sinh viên thực hiện Nguyễn Văn Phong - Đỗ Hồng Quang ĐTĐ-K46 9 Đồ án tốt nghiệp - Khi nhiệt độ nung nóng thấp hơn 7000C trong đó thép vẫn chưa có chuyển biến gì( cho nên sau đó dù làm nguội ra sao tổ chức của thép vẫn không bị biến đổi). - Khi nung nóng lên đến nhiệt độ 7000C phần tổ chức Peclit của mọi thép chuyển biến thành Austenit theo phản ứng sau Trong khi đó Ferit và Xêmentit thứ hai của các thép trước và sau cùng tích chưa chuyển biến. Vật nếu chỉ nung quá nhiệt độ 7000C một chút ta thấy: - Thép cùng tích đã chuyển biến hoàn toàn, có tổ chức không hoàn toàn là Austenit.

- Thép trước và sau cùng tích có chuyển biến nhưng chưa hoàn toàn, có tổ chức không hoàn toàn là Austenit. Tức có tổ chức tương ứng Austenit+Ferit và Austenit+Xêmentit thứ hai. Tuy nhiên khi nung nóng tiếp tục từ 700 0C đến 9000C sẽ có quá trình hoà tan Ferit và Xêmentit thứ hai còn dư vào Austenit, làm lượng hai pha này trong tổ chức ngày càng ít đi. Các chuyển biến xảy ra khi giữ nhiệt: Tiếp theo nung nóng là giai đoạn giữ nhiệt, tuy nhiên không xảy ra các chuyển biến song lại là cần thiết để: - Làm đều nhiệt độ trên thiết diện, để cho lõi cũng có chuyển biến như ở bề mặt.

- Có đủ thời gian để hoàn thành các chuyển biến khi nung nóng. - Làm đồng đều thành phần hoá học của vì lúc đầu hạt Austenit có thành phần không đồng nhất. Nơi trước là Ferit sẽ nghèo cacbon, nơi trước là Xêmentit sẽ giàu cacbon. Trong giai đoạn này cacbon( và nguyên tố hợp kim) sẽ sang bằng nồng độ.

Thời gian giữ nhiệt chỉ cần vừa đủ không nên kéo dài quá mức cần thiết sẽ làm hạt lớn và được chọn phụ thuộc vào các công nghệ nhiệt luyện cụ thể. Các công nghệ liên quan đến khuếch tán như hoá nhiệt luyện, ủ khuếch tán thời gian này dài. Các chuyển biến xảy ra khi làm nguội chậm. Nhóm sinh viên thực hiện Nguyễn Văn Phong - Đỗ Hồng Quang ĐTĐ-K46 10 Đồ án tốt nghiệp Mục tiêu của nung nóng và giữ nhiệt là để tạo nên Austenit hạt nhỏ.

Bây giờ hãy xem khi làm nguội, Austenit sẽ chuyển thành tổ chức nào với cơ tính ra sao, điều này quyết định cơ tính của thép khi làm việc hay gia công tiếp theo: mềm, cứng, dẻo, bền, dai…đến mức độ nào và rất khác nhau. - Khi giữ nhiệt quá nguội( trên 7000C) sau thời gian dài( khoảng 100s) nó mới bắt đầu phân hoá và tiếp theo( sau khoảng 200s) nó mới kết thúc chuyển biến. Hỗn hợp Ferit-Xêmentit tấm tạo thành rất thô to cỡ micromet. - Khi giữ nhiệt Austenit ở nhiệt độ thấp hơn trên dưới 6500C nó sẽ bắt đầu và kết thúc phân hoá sau một thời gian ngắn rõ rệt ( cỡ 3s đến 100s ).

Hỗn hợp Ferit-Xêmentit tấm tạo thành sẽ mịn nhỏ đến mức không thể phân biệt được. Để khảo sát quá trình nhiệt luyện ta xây dựng một hệ thống tự động điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở như hình vẽ. 3_cặp nhiệt độ đo nhiệt độ lò KĐ: Bộ khuếch đại ĐKCS: Bộ điều khiển công suất MT: Máy tính A/D,D/A:bộ chuyển đổi Analog to Digital, Digital to Analog Nhóm sinh viên thực hiện Nguyễn Văn Phong - Đỗ Hồng Quang ĐTĐ-K46 11 Đồ án tốt nghiệp Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động nhiệt độ bằng máy tính. Trong hệ thống, đối tượng là một lò điện trở sử dụng loại dây nung Cr-Al( kí hiệu XA) có nhiệt độ làm việc dưới C.

Tín hiêu ra của lò được lấy ra bởi cặp nhiệt điện XA số 3. Nhiệt độ của lò được khống chế từ tương ứng tín hiệu ra của cặp nhiệt điện từ 0mV-41. Tín hiệu này được đưa vào bộ khuếch đại có giá trị từ 0V-5V. Tín hiệu từ bộ khuếch đại cũng được đưa tới máy tính qua bộ chuyển đổi A/D.

Sau khi được xử lý luật điều chỉnh ở máy tính rồi qua bộ chuyển đổi D/A ta thu được Udk. Tín hiệu từ Udk được đưa vào bộ điều chỉnh công suất( ĐKCS). Nhờ tín hiệu điều khiển mà ta có thể thu được nhiêt độ đặt vào lò theo yêu cầu. Lò điện trở xét về mặt đối tượng điều khiển.

Đối tượng đựoc điều khiển bằng máy tính được chọn là đối tượng nhiệt .Ở đây đối tượng cụ thể là lò nhiệt điện trở 1.