Luận văn Xây dựng hệ thống điều khiển đo và giám sát nhiệt độ dựa trên mô phỏng ứng dụng của phần mềm Win CC doc

Luận văn
Xây dựng hệ thống điều khiển đo và giám sát
nhiệt độ dựa trên mô phỏng ứng dụng của phần
mềm Win CC


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Bài Tập Lớn Môn: Hệ Thu Thập DLDK & TSL

Lời Nói Đầu
Trong q trình phát triển đất nước vấn đề cơng nghiệp hóa hiện đại hóa
đất nước được đặt lên hang đầu. Do đó khoa học có một vị trí quan trọng.
Những thành tựu của nó đã được ứng dụng vào phục vụ đời sống của con
người hang ngày. Và nghành đo lường điều khiển cũng được nâng lên một
tầm mới. Bởi trong hệ thống sản xuất nó chính là khâu kiểm tra giám sát, lấy
tín hiệu phản hồi, và điều khiển các bộ chấp hành hoạt động.
Trong các nhu cầu của chúng ta, điện năng đóng vai trị quan trọng và
nó như là một phần khơng thể thiếu của con người. Nó đóng vai trò chủ đạo
và được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực từ nhu cầu cuộc sống tới các
lĩnh vực như kinh tế, chính trị, văn hóa…
Từ khi con người biết tới điện và sử dụng nó như là một nhu cầu cần
thiết của cuộc sống thì càng có nhiều phát minh liên quan đến việc sử dụng
điện, cùng với đó các hệ thống sản xuất, dây truyền sản xuất ra đời, các hệ
thống thông minh cũng lần lượt ra đời. Điều đó giúp giải quyết các nhu cầu
của con người, của cuộc sống. Với sự thay đổi của khí hậu, nhiệt độ cũng
thay đổi theo. Để chống lại sự thay đổi đó thì con người đã sử dụng ứng
dụng của điện năng vào việc này. Đó chính là phát minh ra hệ thống điều
khiển nhiệt độ.
Trong bài báo cáo này em sẽ thực hiện việc xây dựng hệ thống điều
khiển đo và giám sát nhiệt độ dựa trên mô phỏng ứng dụng của phần mềm

Win CC. Và phần mềm S7-200 của hãng siemens.

TRƯƠNG THẾ HẢI ĐIỆN 1 - K 4

Page 2


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội
I.
1.

Bài Tập Lớn Môn: Hệ Thu Thập DLDK & TSL

Tổng quan về kiến thức và yêu cầu

Các vấn đề cơ bản của kỹ thuật đo lường
1.1. Khái niệm:
- Đo lường là một quá trình đánh giá định hướng các đại lượng cần đo
để có kết quả bằng số với kỹ thuật đo
Kết quả đo lường là giá trị bằng số của đại lượng cần đo A, nó bằng tỷ
số giữa đại lượng đo X và đơn vị cần đo X 0, đây chính là phương trình
cơ bản của phép đo X = A.X 0 nó chỉ rõ sự so sánh đại lượng cần đo với
-

-

mẫu và cho kết quả bằng số
Các cách thực hiện phương pháp đo gồm: đo trực tiếp; đo gián tiếp; đo
thống kê.
1.2 Các đại lượng đặc trưng của kỹ thuật đo lường

Tín hiệu đo: là tín hiệu mang thong tin về giá trị của đại lượng đo. Nó có
thể là tín hiệu liên tục Analog hoặc tín hiệu rời rạc Digital
- Đại lượng đo: là một thông số xác định quá trình vật lý nào đó như đại
lượng điện, đại lượng theo thời gian…
1.3 Điều kiện đo
Các thông tin đo lường bao giờ cũng gắn chặt với môi trường sinh
ra đại lượng đo. Khi tiến hành phép đo ta phải tính tới ảnh hưởng của
môi trường đến kết quả đo và khi dùng dụng cụ đo không được để ảnh
hưởng đến đối tượng đo, cần phải tính đến các điều kiện đo khác nhau
để chọn thiết bị đo và tổ chức các phép đo cho tốt nhất
1.4 Đơn vị đo
Là giá trị đơn vị tiêu chuẩn về một đại lượng đo nào đấy được quốc
tế quy định mà mỗi quốc gia đều phải tuân theo. Các đơn vị tiêu chuẩn
cơ bản là:
Chiều dài là mét (m)
Khối lượng là kilogram (kg)
Thời gian là giây (s)
Cường độ dòng điện là ampe (A)
Nhiệt độ là Kenvin (K)
Cường độ ánh sang là Candela (cd)
Số lượng vật chất là mol (mol)

TRƯƠNG THẾ HẢI ĐIỆN 1 - K 4

Page 3


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội
1.5

Bài Tập Lớn Môn: Hệ Thu Thập DLDK & TSL

Thiết bị đo và các phương pháp đo

A, Thiết bị đo
Là thiết bị kỹ thuật dùng để gia cơng tín hiệu mang thơng tin đo
thành dạng tiện lợi cho người quan sát
Để thực hiện phép đo cần có: - Thiết bị tạo mẫu đây là thiết bị đo
để khôi phục một đại lượng vật lý nhất định. Thiết bị mẫu phải đạt độ
-

chính xác cao
Dụng cụ đo: là thiết bị để gia công các thông tin đo lường và thể hiện
kết quả đo dưới dạng con số, đồ thị hoặc bảng sô, tùy theo cách biến
đổi tín hiệu và chỉ thị, dụng cụ đo được chia thành dụng cụ đo analog

và digital.
So sánh: gồm có thiết bị tự động hoặc người điều khiển
Biến đổi
Kết quả đo trình cơ bản của phép đo, nó chỉ rõ sự so sánh đại lượng cần

-

đo với mẫu và cho kết quả bằng số
Các thao tác cơ bản về đo lường: thao tác xác định mẫu và thành lập

-

mẫu; thao tác so sánh ; thao tác biến đổi; thao tác thể hiện kết quả hay chỉ
thị

-

B, Các phương pháp đo
Đo trực tiếp: là cách đo mà kết quả nhận được trực tiếp từ 1 phép đo duy
nhất.
- Đo gián tiếp: là cách đo mà kết quả được suy ra từ phép đo, từ sự
phối hợp của nhiều phương pháp đo trực tiếp.
- Đo thống kê: là phép đo nhiều lần 1 đai lượng nào đó trong cùng
một điều kiện và cùng 1 giá. Từ đó dùng phép tính xác xuất để thể hiện
kết quả đo có độ chính xác cần thiết.
Kết quả đo của Phương pháp biến đổi thẳng:

Chuyển đổi

TRƯƠNG THẾ HẢI ĐIỆN 1 - K 4

Mạch đo

Page 4

Chỉ thị


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Bài Tập Lớn Môn: Hệ Thu Thập DLDK & TSL

Chuyển đổi: biến đổi giữa hai đại lượng vật lý với nhau, ở đây có thể là

-

chuyển đổi điện – điện, hoặc chuyển đổi không điện – điện. Và có thể
-

ở dạng liên tục hoặc dạng rời rạc.
Mạch đo: có thể là mạch cộng; mạch trừ; mạch tích phân; mạch khuếch

-

đại; mạch logic.
Chỉ thị: tức là khâu cuối để thể hiện kết quả đo. Ta có thể dùng kim chỉ
thị, hoặc chỉ thị số.
X

∆X

Chuyển.
đổi

Mạch đo

Chỉ thị

Xk
Chuyển đổi
ngược

X: là đại lượng đo
Xk: là đại lượng chuẩn phản hồi ∆X = X - ∆X

So sánh cân bằng: X – X = ∆X = 0
So sánh không cân bằng ∆X ≠ 0 → X = Xk + ∆X
2.

Các đại lượng đặc trưng cơ bản
- Sai số tuyệt đối: ∆ = Xđo – Xthực với Xđo do các dụng cụ đo được;
-

Xthực là giá trị mẫu
Sai số tương đối: ᵞ% = *100%
Sai số quy đổi: X% thể hiện cấp chính xác của dụng cụ đo

ᵞqđ% = *100%
: sai số lớn nhất của thang đo
sai số tuyệt đối cảu thang đo
-

Độ nhạy S:là độ biến thiên tương đối giữa đại lượng ra và vào.
S = nếu là tuyến tính

TRƯƠNG THẾ HẢI ĐIỆN 1 - K 4

Page 5


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Bài Tập Lớn Môn: Hệ Thu Thập DLDK & TSL

S = nếu là phi tuyến

Với x là đại lượng vào; y là đại lượng ra
- Ngồi ra cịn tổng trở vào ra của dụng cụ.
3. Các vấn đề cơ bản của kỹ thuật điều khiển
- Điều khiển là tác động lên đối tượng để đối tượng làm việc theo một đích nào
đó
- Hệ thống điều khiển: là một tập hợp các thành phần vật lý co liên hệ tác động
qua lại với nhau để chỉ huy hoặc hiệu chỉnh bản thân đối tượng hay một hệ
thống khác.
- Xung quanh chúng ta có nhiều hệ thống điều khiển nhưng có thể phân chia
thành 3 dạng hệ thống điều khiển cơ bản: Hệ thống điều khiển tự nhiên; hệ
thống điều khiển nhân tạo; hệ thống điều khiển tự nhiên và nhân tạo.
Trong các hệ thống đó đối tượng điều khiển có thể là hệ thống vật lý,
thiết bị kỹ thuật, cơ chế sinh vật, hệ thống kinh tế,quá trình… đối tượng
nghiên cứu là các thiết bị kỹ thuật gọi la điều khiển học kỹ thuật.
Mỗi hệ thống kỹ thuật, đều chịu tác động của bên ngoài và cho ta các
đáp ứng. Tác động vào là đầu vào tác động ra là đầu ra.
Các tác động vào

Các đáp ứng
Hệ thống hoặc các
phần tử của hệ thống



Phân tích hệ thống
Nhằm xác định các đặc tính đầu ra của hệ sau đó đem so sánh với
những chỉ tiêu yêu cầu để đánh giá chất lượng điều khiển của hệ thống đó.
Muốn phân tích hệ thống điều khiển tự động người ta dùng phương
pháp trực tiếp hoặc gián tiếp để giải quyết hai vấn đề cơ bản:

-

Tính ổn định của hệ thống
- Chất lượng của quá trình điều khiển-quá trình xác lập trạng thái tĩnh
và trạng thái động

TRƯƠNG THẾ HẢI ĐIỆN 1 - K 4

Page 6


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Bài Tập Lớn Môn: Hệ Thu Thập DLDK & TSL

Để giải quyết vấn đề trên dùng mơ hình tốn học; các phần tử của hệ
thống điều khiển đều được đặc trưng bằng mơ hình tốn của các phần tử
sẽ cho mơ hình tốn của tồn bộ hệ thống.
Ta có thể xác định đặc tính ổn định của hệ thống qua mơ hình tốn của
hệ thống với việc sử dụng lý thuyết ổn định trong toán học.
Tổng hợp hệ thống
Chính là xác định thơng số và cấu trúc của thiết bị điều khiển.



Thực ra đây chính là thiết kế hệ thống điều khiển, trong qua trình tổng


hợp này thường kèm theo bài tốn phân tích
Các mơ hình diễn tả hệ thống điều khiển được sử dụng phổ biến và thuận

tiện như:
- Hệ thống các phương trình vi phân
- Sơ đồ khối
- Graph tín hiệu
- Hàm truyền đạt
- Không gian trạng thái
Về mặt lý thuyết mỗi hệ thống điều khiển đều có thể diễn tả bằng
các phương trình tốn. Giải các phương trình này và nghiệp của chúng sẽ
diễn tả trạng thái của hệ thống. Tuy nhiên việc giải phương trình thường
khó tìm nghiệm, lúc đó cần đặt các giả thuyết để đơn giản hóa nhằm dẫn
tới các phương trình vi phân thường-Hệ điều khiển tuyến tính liên tục.
Ta dựa vào mơ hình tốn học để nghiên cứa các tính chất của hệ
thống.
 Phương trình vi phân
Các nội dung cơ bản của phương trình vi phân

x(t) và y(t) là các biến phụ thuộ còn t là biến độc lập, ta có:

TRƯƠNG THẾ HẢI ĐIỆN 1 - K 4

Page 7


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Bài Tập Lớn Môn: Hệ Thu Thập DLDK & TSL

Xét phương trình vi phân trên ta có:

Nghiệm của phương trình đặc trưng này rất có ý ngĩa khi ta xét đến

tính ổn định của hệ thống.
 Sơ đồ khối
- Sơ đồ khối được biểu diễn bằng các khối liên kết với nhau để diễn tả mối
quan hệ đầu vào và đầu ra của một hệ thống vật lý.
- Sơ đồ khối thuận tiện để diễn tả mối quan hệ giữa các phần tử của hệ thống
điều khiển.
Ta có sơ đồ khối:

TRƯƠNG THẾ HẢI ĐIỆN 1 - K 4

Page 8


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Bài Tập Lớn Môn: Hệ Thu Thập DLDK & TSL

Trong sơ đồ khối có các khối các khâu biểu thị sự tác động của các phần
tử, các phần tử tác động, các phần tử chịu sự tác động, các biến số vào, các
tín hiệu gây nhiễu, các tín hiệu phản hồi.
 Vậy để điều khiển một đối tượng nào đó ta có thể điều khiển tự động hoặc
điều khiển gián tiếp. Trong thực tế hiện nay người ta thường sử dụng các bộ
điều khiển nhiệt độ kiểu tự động.
Yêu cầu thiết kế
Trong xu thế công nghiệp đang ngày càng hội nhập, đất nước ngày

4.

càng phát triển thì việc sử dụng các hệ thống điều khiển tự động là điều tất
yếu, nhưng điều đó cũng đồng nghĩa với yêu cầu đặt ra là hệ thống phải

đảm bảo các yêu cầu về các chỉ tiêu chất lượng các chỉ tiêu về kỹ thuật.
Trong bài báo cáo này em sẽ thực hiện việc thiết kế trên phần mềm
Win CC lS7-200 và các ứng dụng của nó. Đề tài ở đây là ứng dụng xây
dựng hệ thống điều khiển đo và giám sát nhiệt độ, để cho cụ thể thì em sẽ
thực hiện việc thiết kế hệ thống điều khiển đo và giám sát nhiệt độ lò.
Việc xây dựng thiết kế mô phỏng sẽ được thực hiện dựa trên phần mềm
Wicc. Thiết kế hệ thống sao cho phải hoạt động tốt trong mọi điều kiện,
không bị lỗi cho dù có sự tác động của các nhiễu. Hệ thống phải đáp ứng
đúng thời gian, kịp thời.
5.

Các thiết bị được sử dụng

Do hệ thống ở đây bao gồm điều khiển đo và giám sát nhiệt độ, nên ta
sẽ tách ra làm 2 phần đó là xây dựng hệ thống điều khiển đo và xây dựng hệ
TRƯƠNG THẾ HẢI ĐIỆN 1 - K 4

Page 9


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Bài Tập Lớn Môn: Hệ Thu Thập DLDK & TSL

thống giám sát nhiệt độ và sau đó ta ghép nối 2 phần này lại với nhau.
Nhưng trước khi xây dựng hệ thống ta cần phải nói qua về các thiết bị chính
sẽ được dùng, ưu điểm khi sử dụng hệ thống này.
Các thiết bị chủ yếu
 PLC S7-200
PLC (Programmable Logic Controller ) là bộ điều khiển lập trình,

a)

PLC được xếp vào trong họ máy tính, được sử dụng trong các ứng dụng
công nghiệp và thương mại. PLC có đầy đủ chức năng và tính tốn như vi
xử lý. Ngồi ra, PLC có tích hợp thêm một số hàm chuyên dùng như bộ
điều khiển PID, dịch chuyển khối dữ liệu, khối truyền thơng…

PLC có những ưu điểm:
- Có kích thước nhỏ, được thiết kế và tăng bền để chịu được rung
động, nhiệt, ẩm và tiếng ồn, đáng tin cậy.
- Rẻ tiền đối với các ứng dụng điều khiển cho hệ thống phức tạp.
- Dễ dàng và nhanh chống thay đổi cấu trúc của mạch điều khiển.
- PLC có các chức năng kiểm tra lỗi, chẩn đốn lỗi.
- Có thể nhân đơi các ứng dụng nhanh và ít tốn kém.


Một PLC gồm có những phần cơ bản sau:
- Bộ nguồn: cung cấp nguồn thiết bị và các module mở rộng được kết nối

vào.
- CPU: thực hiện chương trình và dữ liệu để điều khiển tự động các
tác vụ hoặc quá trình.
- Vùng nhớ.
- Các ngõ vào/ra: gồm có các ngõ vào/ra số, vào/ra tương tự. Các ngõ
vào dùng để quan sát tín hiệu từ bên ngồi đưa vào (cảm biến, công tắc), ngõ
ra dùng để điều khiển các thiết bị ngoại vi trong quá trình.
- Các cổng/module truyền thông (CP: Communication Professor): dùng
để nối CPU với các thiết bị khác để kết nối thành mạng, xử lý thực hiện
truyền thông giữa các trạm trong mạng.
TRƯƠNG THẾ HẢI ĐIỆN 1 - K 4

Page 10


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Bài Tập Lớn Môn: Hệ Thu Thập DLDK & TSL

- Các loại module chức năng (FM: Function Module). Ví dụ các module
điều khiển vịng kín, các module thực hiện logic mờ…



Cấu trúc bên trong của PLC

TRƯƠNG THẾ HẢI ĐIỆN 1 - K 4

Page 11


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Bài Tập Lớn Môn: Hệ Thu Thập DLDK & TSL

Hình 2.4: Sơ đồ cấu trúc bên trong của plc S7-200
a)

Nguyên tắc thực hiện chương trình:

TRƯƠNG THẾ HẢI ĐIỆN 1 - K 4

Page 12


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Bài Tập Lớn Môn: Hệ Thu Thập DLDK & TSL

PLC thực hiện chương trình theo chu trình vịng lặp. Mõi vịng lặp được
gọi là vịng qt. Trong từng vịng qt, chương trình được thực hiện tư lệnh
đầu tiên và kết thúc tại lệnh kết thúc (MEND).
Có thể lập trình cho PLC S7-200 bằng cách sử dụng phần mềm sau
STEP7- Micro/WIN.
Các chương trình cho S7-200 phải có cấu trúc bao gồm chương
trình chính (main program) và sau đó đến các chương trình con và các
chương trình xử lý ngắt.
b)

Giới thiệu về PLC S7-200 CPU224 AC/DC/RELAY
Với đề tài này em sử dụng PLC S7-200 CPU 224 AC/DC/RELAY: CPU
được cấp nguồn 220VAC. Tích hợp 14 ngõ vào số (mức 1 là 24Vdc, mức 0
là 0Vdc). 10 ngõ ra dạng relay.
Hình ảnh về PLC S7-200 của siemens:

c)

Mơ tả các đèn báo trên S7-200:

TRƯƠNG THẾ HẢI ĐIỆN 1 - K 4

Page 13


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Bài Tập Lớn Môn: Hệ Thu Thập DLDK & TSL

- SF: Đèn đỏ SF báo hiệu khi PLC có hỏng hóc.
- RUN: Đèn xanh sáng báo hiệu PLC đang ở chế độ làm việc và thực
hiện chương trình nạp ở trong máy.
- STOP: Đèn vàng sáng báo hiệu PLC đang ở chế độ dừng, không
thực hiện chương trình hiện có.
- Ix.x: chỉ trạng thái logic tức thời của cổng Ix.x. Đèn sáng tương ứng
mức logic là 1.
- Qx.x: chỉ trạng thái logic tức thời của cổng Qx.x. Đèn sáng tương ứng
mức logic là 1.
Cách đấu nối ngõ vào ra PLC:

Hình 2.6: Sơ đồ đấu nối ngõ vào ra của PLC S7-200 CPU224
AC/DC/RELAY
b)

Cảm biển nhiệt độ

TRƯƠNG THẾ HẢI ĐIỆN 1 - K 4

Page 14


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Bài Tập Lớn Môn: Hệ Thu Thập DLDK & TSL

Ngày nay với trình độ cơng nghệ kỹ thuật cao đã tao ra được các cảm
biến điện trở chia ra làm 3 nhóm: kim loại, bán dẫn và nhiệt điện trở; ưu
điểm của cảm biển điện trở là đơn giản, độ nhạy cao, ổn định dài hạn.
d) Cảm biến nhiệt độ điện trở kim loại
Nguyên lý làm việc của hệ thống đo nhiệt độ này là dựa trên sự thay
đổi điện trở của kim loại làm điện trở khi nhiệt độ môi trường đo thay đổi
so với trị số điện trở ở nhiệt độ tiêu chuẩn.Ví dụ về điện trở của dây đồng
thay đổi theo nhiệt độ:
Với RCu0 là điện trở của dây đồng làm cảm biến ở nhiệt độ t 0. Nhiệt độ
t0 trong thực tế người ta thường lấy ở 00C, t là nhiệt độ của môi trường đo
là hệ số tăng điện trở của đồng trên 10C
Các điện trở bằng kim loại thường là các dây tròn, được quấn trên lõi
cách điện và được lắp đặt trong ống kim loại bảo vệ và đã bịt kín đầu
dưới, hoăc ống gốm bịt kín.
Đây là hình ảnh về cảm biến điện trở bạch kim:

Điện trở bạch kim sử dụng làm cảm biến
1: tấm mica có đường gen
2: dây platin
3: đầu nối ra
TRƯƠNG THẾ HẢI ĐIỆN 1 - K 4

Page 15


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

e)

Bài Tập Lớn Môn: Hệ Thu Thập DLDK & TSL

4: đệm mica
5: dây bạc để gắn đệm mica
Cảm biến điện trở Silic
Silic tinh khiết hoặc đơn tinh thể có hệ số điện trở âm, tuy nhiên khi

được kích tạp loại chất n ở một dải nhiệt độ nào đó hệ số điện trở của nó
thành dương. Ta có thể tính gần đúng điện trở của cảm biến Silic như sau:
;
Với T, T0 tính theo nhiệt độ K. Vì độ nhạy của cảm biến điện trở cao
nên thường dùng để phát hiện nhiệt độ biến thiên rất nhỏ từ (10-4-10-3)K

f)

Ta có sơ đồ nối cảm biến nhiệt độ điện trở

a)

b)

Trên hình này các điện trở R1, R2, R3 là các điện trở có trị số thay đổi
theo điện trở là rất nhỏ; Rt là cảm biến điện trở đặt trong vùng cần đo nhiệt
độ. Sơ đồ cầu được cấp điện bởi nguồn điện một chiều E có độ ổn định cao.
Giả sử thang chia độ của mV được chia từ 0 0C thì muốn kim milivonmV chỉ 00C thì điện thế ở điển 1 và điển 2 trên sơ đồ phải bằng nhau tức là:
=
Và U1-2 = -

TRƯƠNG THẾ HẢI ĐIỆN 1 - K 4

Page 16


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Bài Tập Lớn Môn: Hệ Thu Thập DLDK & TSL

Nế chọn R1 = R2 và R0 = Rto; với Rto là tri số của cảm biến điện trở ở
nhiệt độ 00C . Vậy ta có thể viết:
U1-2 =E. = E. = 0
Khi nhiệt độ khác 00C thì có biểu thức tính điện áp theo điện trở của
cảm biến là:

U1-2= E.

Khi dẫn tín hiệu đi xa và tránh ảnh hưởng của điện trở dây dẫn theo
nhiệt độ tới phép đo, thì ta có thể nối dây như sơ đồ hình b, do nhánh cầu
cần được nối vào điện trở dây dẫn Rd1, Rd2 nên điện thế tai 2 điểm trên sơ
đồ phản ánh đúng điện thế gây ra do nhiệt độ của cảm biến Rt.
Ngoài ra ta cịng có thể đo nhiệt độ bằng Diode và Transistor và một số
loại khác
g. Thiết bị giám sát
Thiết bị giám sát ở đây ta dùng màn hình hiển thị là máy tính và để
giám sát được nhiệt đơ thì ta dùng một phần mềm hiển thị trên máy tính đó
là phần mềm TEMPERATURE AND HUMIDITY MONITORING.
Phần mềm này giúp chúng ta có thể giám sát được nhiệt độ đồng thời cũng
có thể đưa ra cảnh báo để biết mà có những điều chỉnh kịp thời.
II.

1.
a)

Thiết kế hệ thống đo và giám sát nhiệt độ
Sơ đồ khối của hệ thống
Sơ đồ tổng quát

Trong đó các hệ thống này được nối với nhan thông qua cáp truyền thông.

TRƯƠNG THẾ HẢI ĐIỆN 1 - K 4

Page 17


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội
b)

Bài Tập Lớn Môn: Hệ Thu Thập DLDK & TSL

sơ đồ khối chi tiết

Khối
cảm
biến

Khối
khuếch
đại

Khối

chuyển và
nhớ kênh

Khối
hiển
thị

Khối
PID

Khối
giám
sát
Khối
chấp
hành

Khối
so
sánh

Khối
tạo
xung

Khối
nguồn
cấp

Chức năng của các khối và từng phần tử trong khối:

Khối cảm biến
Đây chính là bộ phận cảm biến nhiệt độ dùng để biến tín hiệu


-

khơng điện thành tín hiệu điện
Ở đây ta sử dụng đo nhiệt độ bằng điện trở vì:
- Sai số nhỏ
- Đơn giản, gọn nhẹ, dễ hiểu
- Độ nhạy cao
- Tính lặp lại cao
 Thiết kế cảm biến
Để đo nhiệt độ ta có thể dùng các loại cảm biền thông dụng như
LM35,Themocouple, PT100. Nhưng do LM35 là cảm biến được chế tạo
bằng bán dẫn tầm đo max là 1250C chỉ thích hợp đo nhiệt độ mơi trường.
Themocouple độ phi tuyến cao. PT100 độ tuyến tính cao, sai số 0.04%
trên 1000C. Do đó, Trong luận văn nàyem dùng PT100 để đo nhiệt độ lò.
Để đo nhiệt độ được chính xác, tất nhiên cần có một đầu dị thích hợp.
TRƯƠNG THẾ HẢI ĐIỆN 1 - K 4

Page 18


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Bài Tập Lớn Môn: Hệ Thu Thập DLDK & TSL

Đầu dò là một cảm biến nhiệt độ có nhiệm vụ vận chuyển từ nhiệt độ từ
tín hiệu khơng điện qua tín hiệu điện. Có rất nhiều loại cảm biến như giới

thiệu ở trên. Nhưng dựa vào lý thuyết và thực tế của mạch cần thiết kế ta
-

dùng phương pháp đo bằng Pt100loại 3 dây.
Ở 00 C thì Rt =100 ohm, Pt 100 có nhiều loại( 2 dây, 3 dây, 4 dây), sau đây
là sơ đồ Pt100 3 dây, tầm biến thiên điện áp theo nhiệt độ là 20mV/ 0C, tầm
đo 0-2500 C. U16 có chức năng là mạch trừ, U17 khuếch đại đảo.
RT = Ro. (1 0.385%T)
Yêu cầu chung: thông tin phản ánh nhiệt độ được truyền tuần tự, chính
xác và liên tục theo thời gian; tạo điện áp biến thiên tuyến tính với nhiệt
độ.

Ta có sơ đồ như hình vẽ:

TRƯƠNG THẾ HẢI ĐIỆN 1 - K 4

Page 19


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Bài Tập Lớn Môn: Hệ Thu Thập DLDK & TSL

Ở 00C thì Rt = 100 ohm cầu cân bằng V1 = 0, ở 2500C thì
Rt = 196.25 ohm V1=300mV, để Vo = 5V ta có hệ số khuếch đại bằng
16,67(R16).
Khối khuyếch đại trung gian
Bộ phận này có nhiệm vụ khuyếch đạtín hiêụ từ Sensor, (các cảm



-

biến).
Khối khuyếch đại trung gian gồm các bộ khuyếch đại thuật tốn đo
lường tuyến tính.. Như vậy ta dùng các IC TL084

Sơ đồ chân IC TL084
Sơ đồ này chống nhiễu đồng pha:
Ur = k.Ucầu
(3)
Với k = k1.k2 trong đó: k1 = 1 + ; k2 = Ở công thức (3) ta muốn thay đổi hệ số khuyếch đại phù hợp thì ta
điều chỉnh điện trở R2 sao cho phù hợp
Ta có sơ đồ khuyếch đại đo lường IC TL084:

TRƯƠNG THẾ HẢI ĐIỆN 1 - K 4

Page 20


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

a.

Bài Tập Lớn Môn: Hệ Thu Thập DLDK & TSL

Khối chuyển và nhớ kênh
Khối này cho phép từng kênh đọc một. khi xong chuyển kênh khác

và báo kênh nào đang được đọc.
Nhiêm vụ của khối chuyển kênh là nhận tín hiệu từ các kênh tới, sau

đó sẽ chỉ thị đo và cho biết kênh nào đang được đọc và nhiệt độ của nó.
Việc chuyển kênh có thể được thực hiện theo nhiều cách, nhưng tổng
quát có thể chia ra làm hai cách là dùng mạch có tiếp điểm (điều khiển
bằng cơ) và dùng mạch khơng tiếp điểm. Hiện nay người ta thường dùng
-

mạch không tiếp điểm vì mạch có tiếp điểm:
Có tuổi thọ khơng cao do sự đóng mở các tiếp điểm nên có sự hao mịn về

-

điện hồ quang và về cơ khí
Khơng đáp ứng được yêu cầu cần các hệ tác động nhanh
Kích thước và không gian chiếm chỗ khá lớn, hệ thống điều khiển phức
tạp cồng kềnh và kém tin cậy
Bên cạnh đó thì dùng mạch khơng tiếp điểm có nhiều ưu điểm như:
- Có thể tác động nhanh
- Kích thước nhỏ, dễ điều khiển
- Độ tin cậy cao
Với ý do đó ta chọn mạch không tiếp điểm, dùng IC 4051B tức là
-

loại HEF4051B của Nhật Bản:
IC HEF4051B bao gồm mạch đa/giả đa hợp với 3 ngõ vào cho
phép (A0 – A2 ), một ngõ vào cho phép hoạt động mức thấp (E), 8

-

ngõ vào/ra độc lập và một ngoc vào/ra chung (z)
IC gồm 8 khóa 2 chiều một phía được nối với các ngõ vào/ra độc

lập (Y0 –A7), phía cịn lại được nối với ngõ chung(Z)

TRƯƠNG THẾ HẢI ĐIỆN 1 - K 4

Page 21


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Bài Tập Lớn Môn: Hệ Thu Thập DLDK & TSL

Khi chân (E) =L khóa chọn các trạng thái bởi các chân (A0 – A2 )
Khi chân E=H khóa ở trạng thái cao, độc lập với (A0 – A2 ).
- VDD và VSS là chân cấp nguồn giá trị VDD - VSS không vượt quá
-

-

-

b.

-

-

15V
Trong trường hợp hoạt động như một bộ đa hợp/giải đa hợp dạng
số
Nhiệm vụ các chân: Y0 – Y9 các ngõ vào/ra

A0 – A2 các ngõ vào địa chỉ
E ngõ vào cho phép tac động mức thấp
Z chân chung vào/ra

Khối so sánh
 Khối này lấy tín hiệu từ khối khuyếch, có nhiệm so sánh tín hiệu vào
(tín hiệu đo) với tín hiệu chuẩn (tín hiệu đặt) để cho ra khối chấp hành.
 Khâu so sánh tín hiệu thường dùng khuyếch đại thuật tốn ký hiệu OA
OA có hai cổng vào: (+) U+ là cổng vào không đảo dấu
(+) U- là cổng vào đảo dấu
S cổng ra
- M là điểm nối đất của sơ đồ, là điểm chuẩn để đo điện thế của các điểm
khác nhau trong sơ đồ
Vp ,Vp- là nguồn nuôi OA
+

TRƯƠNG THẾ HẢI ĐIỆN 1 - K 4

Page 22


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Bài Tập Lớn Môn: Hệ Thu Thập DLDK & TSL

Khối xung nhịp
Khối này có nhiệm vụ tạo ra tín hiệu điều khiển khối chuyển kênh.
a) Cấu tạo:
- cấp phân áp gồm 3 điện trở 5kV nối từ nguồn xuống mát cho ra 2 điện áp
c.

chuẩn 1/3Vcc và 2/3Vcc.
- OA1 là mạch khuyếch đại so sánh có ngõ vào khơng đảo nhận điện áp chuẩn
2/3Vcc, cịn ngoc vào thì nối ra ngồi chân 6. Tùy thuộc điện áp chân 6 so
với điện áp chuẩn 2/3Vcc mà OA1 có điện áp ra ở mức cao hay thấp để làm
tín hiệu R2, điều khiển bộ và đảo.
- OA2- AMP là mạch khuyếch đại so sánh có ngõ vào vào đảo nhập điện áp
chuẩn 1/3Vcc, cịn ngõ vào khơng đảo thì nối ra ngồi chân 2.
- Hai bộ Và- Đảo của R và S có biểu thức như sau:
-

,
Tranzitor T là transitor có cực hở nối ra chân 7.

TRƯƠNG THẾ HẢI ĐIỆN 1 - K 4

Page 23


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội
b)

Bài Tập Lớn Môn: Hệ Thu Thập DLDK & TSL

Nguyên lý là việc:
- Khi mới đóng điện (chân 4,8) tụ C bắt đầu nạp từ 0V
OA1 có V+i > V-i nên ngõ ra V01 ở mức cao (H), (P2 =H)
OA2 có V+i < V-i nên ngõ ra V02 ở mức cao (L), (S2 =L)
Do => S = H (mức cao) chân ra (3) ở mức cao, hay
Ura Unguồn

Mặt khác cùng thời điểm này do S = H (mức cao) R3=S=H (mức
cao)

R = L (mức thấp)
Cực B của tranzitor T ở mức thấp hay T bị oxy hóa
Tụ nạp điện theo mạch “ Vcc – RA – D – C – Vcc “, có hằng số:
t = 0,693RA.C
khi điện áp trên tụ U6;2 1/3UN khi đó OA2 lật trạng thái.
OA2 có V+i > V-i V0 = H (múc cao)
Nhưng do lúc này OA1 chưa thay đổi do điện áp trên tụ vẫn nhỏ hơn
2/3UN R=L (mức thấp)
S vẫn ở mức cao, tức là tụ vẫn nạp bình thường.
Khi điện áp trên tụ bằng 2/3UN thì OA1 lật trạng thái tức là
V0 = L do biểu thức logic ở trên nên ta có R = H (mức cao)
Do R = B = H mức cao, nên tranzitor T được mở thông. Tụ không
được nạp điện và chuyển sang xả điện vào chân 7 qua T ra chân 1 nối đất,
tụ xả theo hằng số thời gian t = 0,693RA.C.
TRƯƠNG THẾ HẢI ĐIỆN 1 - K 4

Page 24


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Bài Tập Lớn Môn: Hệ Thu Thập DLDK & TSL

Tụ xả đến khi điện áp trên tụ nhỏ hơn 2/3 UN thì OA1 đổi lại trạng thái
tức là có V0 = H (mức cao).
R2 = H nhưng do lúc này OA2 chưa đổi trạng thái nên chân 3 vẫn ở mức
thấp và T vẫn mở thông nên tụ vẫn xả. Tụ xả đến khi điện áp trên tụ nhỏ

hơn 1/3UN thì OA2 đổi lại trạng thái ban đầu, có V0 = 0.
S1= 0 theo biểu thức logic (2) có S=H mức cao nên chân ra 3 của 555 ở
mức cao tức là Ur Un đồng thời R=0 do R1 = S = 1, R2 = R3 = 1
Khi đó T khóa và tụ lại bắt đầu nạp và quá trình nạp lại bắt đầu như
trên, có một điều khác từ chu kỳ thứ 2 trở đi là tụ được nạp điện từ 1/3
2/3UN mà không nạp từ 0 như ban đầu

Ta có sơ đồ như trên

TRƯƠNG THẾ HẢI ĐIỆN 1 - K 4

Page 25