Đồ Án Tốt Nghiệp Cao Đẳng Điều Khiển Nhiệt Độ Lò Nhiệt Theo Góc Kích Sử Dụng Giải Thuật PID

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4 MB, 116 trang )

Đồ Án Tốt Nghiệp Cao Đẳng

Điều Khiển Nhiệt Độ Lò Nhiệt
Theo Góc Kích Sử Dụng Giải Thuật PID

Sinh viên thực hiện:
Nguyễn Trần Gia Huy

MSSV:0309171148

Đỗ Cơng Minh

MSSV:0309171170

Bộ Mơn Tự Động Hóa
Khoa Điện – Điện tử
Trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng

Tháng 8 năm 2020

Điều Khiển Nhiệt Độ Lị Nhiệt
Theo Góc Kích Sử Dụng Giải Thuật PID

Giảng viên hướng dẫn: Th.S Cù Minh Phước

Sinh viên thực hiện:
Nguyễn Trần Gia Huy

MSSV:0309171148

Đỗ Công Minh

MSSV:0309171170

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN
Họ tên sinh viên:
1. Nguyễn Trần Gia Huy

MSSV: 0309171148

2. Đỗ Cơng Minh

MSSV: 0309171170

Khóa: 2017

Khoa: Điện - Điện tử

Ngành: CNKT Điều

khiển & tự động hóa
1. Đầu đề đồ án:
ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LỊ NHIỆT THEO GĨC KÍCH
SỬ DỤNG GIẢI THUẬT PID
2. Các số liệu và dữ liệu ban đầu
- Nguồn 220VAC - 24VDC/5VDC, lò nhiệt
- Phần mềm CCS, GX Developer, Easy Builder 8000, Matlab 2020A.
- Cảm biến nhiệt độ PT100, PLC Mitsubishi FX3U - 24MT, HMI
Weintek.

3. Nội dung các phần thuyết minh và tính tốn
- Thiết kế, vẽ mạch và viết chương trình board driver điều chỉnh điện áp
hiệu dụng tuyến tính theo góc kích.
- Thiết kế và thi cơng mơ hình lị nhiệt có thể tác động theo hai chiều.
- Xử lý, tính tốn tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ PT100.
- Điều khiển nhiệt độ lò nhiệt bằng PLC sử dụng giải thuật PID.
- Giao tiếp giám sát và điều khiển mơ hình bằng màn hình HMI.
4. Các bản vẽ, đồ thị
- Bản vẽ mơ hình khung lò nhiệt.
- Sơ đồ đấu dây các thiết bị.
5. Họ và tên giảng viên hướng dẫn: Cù Minh Phước.
6. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 13/07/2020.
7. Ngày hoàn thành đồ án: 08/08/2020.
TP. HCM, ngày 13 tháng 07 năm 2020

Nhận Xét Của Giảng Viên Hướng Dẫn
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................

.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................

Nhận Xét Của Giảng Viên Phản Biện
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................

(Thành Viên)

(Thành Viên)

(Thành Viên)

(Thành Viên)

(Thành Viên)

Tháng 8 năm 2020

Lời Cảm Ơn
Đồ án tốt nghiệp là thử thách cuối cùng của nhóm sinh viên thực hiện
đề tài trong hành trình 3 năm học Cao đẳng, là cơ hội để các sinh viên có
thể vận dụng kiến thức, kinh nghiệm để hồn thành tốt bài báo cáo kết thúc
khóa học.
Được sự phân cơng của bộ mơn Tự động hóa thuộc Khoa Điện – Điện
tử trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng, nhóm sinh viên đã thực hiện đề
tài: “Điều khiển nhiệt độ lị nhiệt theo góc kích sử dụng giải thuật PID”.
Nhóm sinh viên thực hiện đề tài xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy
Cù Minh Phước – giảng viên bộ mơn Tự động hóa, người đã tận tình hướng
dẫn nhóm sinh viên qua từng buổi chia sẻ, thảo luận về đề tài. Những lời
khuyên, góp ý của thầy đã giúp đỡ nhóm rất nhiều trong q trình thực hiện
đề tài. Những thiết sót, lỗi kỹ thuật cũng đã được thầy chỉ dạy tận tình. Một
lần nữa, nhóm thực hiện đề tài xin chân thành cảm ơn thầy.
Nhóm thực hiện đề tài cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất cả
các thầy cô trong Bộ môn Tự động Hóa, đã tận tâm truyền đạt những kiến

thức quý báu qua các buổi học, cũng như trong quá trình thực hiện đề tài đã
đóng góp ý kiến, chia sẻ cho nhóm.
Với điều kiện thời gian cũng như kinh nghiệm thực tế cịn có hạn của
nhóm, q trình thực hiện báo cáo này không thể tránh được những sai sót.
Nhóm thực hiện đề tài mong nhận được sự chỉ bảo, ý kiến đánh giá của các
thầy, cô để báo cáo được hồn thiện hơn.
Nhóm sinh viên thực hiện đề tài xin chân thành cảm ơn.

Mục Lục
Lời cảm ơn
Mục Lục...........................................................................................................
Danh Sách Các Hình......................................................................................
Danh Sách Các Bảng Và Sơ Đồ.....................................................................
Các Ký Hiệu, Chữ Viết Tắt..........................................................................
Tóm Tắt.........................................................................................................
Chương 1: Giới Thiệu Đề Tài......................................................................

1.1 Giới thiệu chung.....................................................................................................

1.2 Mục tiêu của đề tài.................................................................................................

1.3 Cấu trúc quyển báo cáo..........................................................................................

1.4 Kế hoạch thực hiện đề tài.......................................................................................
Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết........................................................................

2.1 Tổng quan về board PLC FX3U – 24MT...............................................................
2.1.1

Giới thiệu...............................................................................

2.1.2

Các chân sử dụng trong hệ thống..........................................

2.1.3

Các lệnh chính sử dụng trong chương trình điều khiển.........

2.2 Tổng quan về vi điều khiển PIC16F877A sử dụng trong board

driver góc kích..............................................................................................................
2.2.1

Giới thiệu...............................................................................

2.2.2

Chức năng ADC sử dụng trong VĐK PIC16F877A.............

2.2.3

Chức năng ngắt ngoài RB0 sử dụng trong PIC16F877A......
1

2.2.4

Chức năng ngắt Timer 1 sử dụng trong PIC16F877A...........

2.2.5

Bộ xuất xung PWM CCP1 sử dụng trong PIC16F877A.......

2.3 Giới thiệu về linh kiện bán dẫn Triac.....................................................................
2.3.1

Cấu tạo...................................................................................

2.3.2

Kí hiệu và sơ đồ kết nối.........................................................

2.3.3

Đặc tuyến Volt-Ampere........................................................

2.4 Cảm biến nhiệt độ PT100 và bộ chuyển đổi tín hiệu.............................................
2.4.1

Cảm biến nhiệt độ PT100......................................................

2.4.2

Bộ chuyển đổi tín hiệu PT100...............................................

2.5 Giới thiệu linh kiện MOC3052...............................................................................

2.6 Tổng quan về màn hình giao diện HMI Weintek MT6070iH................................

2.6.1

Giới thiệu...............................................................................

2.6.2

Các thông số kỹ thuật............................................................

2.7 Giới thiệu về giao thức truyền thông Modbus........................................................
2.7.1

Tổng quan về giao thức Modbus...........................................

2.7.2

Modbus RTU.........................................................................

2.8 Biến đổi điện áp xoay chiều...................................................................................

2.9 Phần mềm biên dịch chương trình CCS.................................................................

2.10 Phần mềm GX Developer.....................................................................................
2.10.1

Giới thiệu về phần mềm GX Developer............................

2.10.2

Mơi trường lập trình trên phần mềm GX Developer.........

2.10.3

Kết nối PLC và nạp chương trình......................................

2.11 Phần mềm Easy Builder 8000..............................................................................
2

2.11.1

Giới thiệu phần mềm Easy Builder 8000...........................

2.11.2

Cài đặt giao tiếp giữa PLC và HMI...................................

2.11.3

Thiết kế giao diện đồ thị trên phần mềm Easy Builder

8000

...........................................................................................

2.11.4

Giao diện điều khiển..........................................................

2.12 Phần mềm Matlab 2020A.....................................................................................
2.12.1

Giới thiệu...........................................................................

2.13 Các phương pháp dị tìm thơng số PID trong mơ hình.........................................
2.13.1

Tính tốn giá trị PID dựa vào đồ thị trên Matlab bằng

phương pháp Ziegler – Nichols...............................................................
2.13.2

Phương pháp điều chỉnh PID bằng tay..............................

Chương 3: Thiết Kế Và Thi Công Mơ Hình...............................................

3.1 Sơ đồ khối...............................................................................................................
Sơ đồ khối của hệ thống..........................................................................

3.2 Thiết kế và thi cơng phần cứng của mơ hình..........................................................
3.2.1

Bản vẽ cơ khí của mơ hình....................................................

3.2.2

Tổng thể của mơ hình sau khi hồn thiện..............................

3.3 Board driver góc kích.............................................................................................
3.3.1

Giới thiệu...............................................................................

3.3.2

Thiết kế và thi cơng mạch.....................................................

Chương 4: Chương Trình Điều Khiển........................................................

4.1 Lưu đồ giải thuật....................................................................................................
4.1.1

Lưu đồ giải thuật chương trình trên VĐK.............................
3

4.1.2

Lưu đồ giải thuật chương trình trên PLC..............................

4.2 Chương trình PID trên PLC....................................................................................
Chương 5: Kết Quả Và Hướng Phát Triển................................................

5.1 Kết quả của đồ án...................................................................................................
5.1.1

Phần cứng..............................................................................

5.1.2

Phần mềm..............................................................................

5.2 Mặt hạn chế của đề tài............................................................................................

5.3 Hướng phát triển của đề tài....................................................................................
Phụ Lục..........................................................................................................
Tài Liệu Tham Khảo..................................................................................101
Bảng Tính Vật Tư.......................................................................................102

4

Danh Sách Các Hình
Hình 2.1 PLC Mitsubishi FX3U – 24MT....................................................17
Hình 2.2 Lệnh đọc giá trị Analog................................................................18
Hình 2.3 Lệnh xuất giá trị Analog...............................................................18
Hình 2.4 Lệnh nhân số thực.........................................................................18
Hình 2.5 Lệnh chia số thực..........................................................................19
Hình 2.6 Lệnh cộng số thực.........................................................................19
Hình 2.7 Lệnh trừ số thực............................................................................19
Hình 2.8 Lệnh so sánh.................................................................................19
Hình 2.9 Lệnh di chuyển.............................................................................19
Hình 2.10 Vi điều khiển PIC16F877A........................................................20
Hình 2.11 Sơ đồ khối chức năng của PIC16F877A....................................21
Hình 2.12 Cấu tạo Triac..............................................................................23
Hình 2.13 Kí hiệu và sơ đồ kết nối bên trong của Triac..............................24
Hình 2.14 Đặc tuyến Volt-Ampere Triac....................................................24
Hình 2.15 Hình ảnh thực tế Triac BTA16...................................................25
Hình 2.16 Cảm biến nhiệt độ PT100...........................................................26
Hình 2.17 Bộ chuyển đổi tín hiệu PT100....................................................27
Hình 2.18 Sơ đồ chân MOC3052................................................................27

Hình 2.19 Hình ảnh thực tế MOC3052.......................................................28
Hình 2.20 HMI Weintek MT6070iH...........................................................30
Hình 2.21 Đơn vị dữ liệu giao thức Modbus...............................................31
Hình 2.22 Khung truyền Modbus nối tiếp...................................................31
Hình 2.23 Bit trình tự trong chế độ RTU.....................................................32
Hình 2.24 Khung dữ liệu RTU....................................................................33
Hình 2.25 Cấu trúc một bản tin Modbus RTU............................................33
Hình 2.26 Thời gian truyền nhận giữa các bản tin Modbus........................34
Hình 2.27 Khung truyền dữ liệu RTU.........................................................35
5

Hình 2.28 Sơ đồ trạng thái chế độ truyền dẫn RTU....................................36
Hình 2.29 Mơ tả về Input-Output của bộ biến đổi điện áp xoay chiều.......40
Hình 2.30 Mạch điều khiển Triac tải R.......................................................41
Hình 2.31 Dạng sóng mạch điều khiển Triac tải R.....................................42
Hình 2.32 Giao diện làm việc chính của phần mềm CCS...........................43
Hình 2.33 Màn hình soạn thảo chương trình Gx Developer.......................44
Hình 2.34 Thiết lập kết nối PLC..................................................................46
Hình 2.35 Chọn serial USB, thiết lập cổng COM và tốc độ truyền............47
Hình 2.36 Nạp chương trình xuống PLC.....................................................47
Hình 2.37 Lựa chọn các mục tải xuống PLC...............................................48
Hình 2.38 Hồn tất tải chương trình xuống PLC.........................................48
Hình 2.39 Giao diện làm việc chính của phần mềm....................................49
Hình 2.40 Hộp thoại Device Properties.......................................................50
Hình 2.41 Hộp thoại Data Sampling Object................................................51
Hình 2.42 Hộp thoại Data Format...............................................................51
Hình 2.43 Hộp thoại Trend Display Object’s Properties.............................52
Hình 2.44 Cài đặt tại mục Trend cho đồ thị................................................52
Hình 2.45 Cài đặt tại mục Channel cho đồ thị.............................................53

Hình 2.46 Giao diện đồ thị sau khi cài đặt..................................................53
Hình 2.47 Giao diện điều khiển...................................................................54
Hình 2.48 Lựa chọn mục Modbus Explorer................................................56
Hình 2.49 Cửa sổ Modbus Explorer............................................................56
Hình 2.50 Cài đặt truyền thơng Modbus giữa PLC và Matlab....................56
Hình 2.51 Giao diện đồ thị trên Matlab.......................................................57
Hình 2.52 Đồ thị thu được bằng cơng cụ Matlab........................................57
Hình 2.53 Đồ thị đáp ứng của các thông số PID tìm bằng phương pháp
Ziegler – Nichols hiển thị qua HMI.............................................................58

6

Hình 3.1 Hình chiếu đứng (mặt trước) của mơ hình...................................61
Hình 3.2 Hình chiếu đứng (mặt sau) của mơ hình.......................................62
Hình 3.3 Hình chiếu bằng của mơ hình.......................................................62
Hình 3.4 Hình chiếu cạnh của mơ hình.......................................................63
Hình 3.5 Lị gia nhiệt...................................................................................63
Hình 3.6 Bản vẽ 3D của mơ hình – mặt trước.............................................64
Hình 3.7 Bản vẽ 3D của mơ hình – mặt sau................................................64
Hình 3.8 Mơ hình tổng thể sau khi hồn thiện............................................65
Hình 3.9 Khối nguồn trong board driver góc kích......................................66
Hình 3.10 Khối xử lý trung tâm...................................................................67
Hình 3.11 Khối lấy điểm Zero crossing......................................................67
Hình 3.12 Dạng sóng thu được của khối Zero crossing..............................68
Hình 3.13 Ngun lí khối cơng suất tải AC................................................69
Hình 3.14 Khối băm xung...........................................................................69
Hình 3.15 Board driver góc kích hồn thiện...............................................70
Hình 3.16 Dạng sóng điện áp lưới khi góc kích α bằng 0...........................70
Hình 3.17 Dạng sóng điện áp lưới khi góc kích α bằng 13,70....................71

Hình 3.18 Dạng sóng điện áp lưới khi góc kích α bằng 106o......................71
Hình 4.1 Tính giá trị Pout............................................................................76
Hình 4.2 Tính giá trị Iout.............................................................................77
Hình 4.3 Tính giá trị Dout...........................................................................77
Hình 4.4 Tính tổng out PID.........................................................................78
Hình 5.1 Tổng thể của mơ hình 79
Hình 5.2 Bố trí các thiết bị bên trong mơ hình............................................79
Hình 5.3 Giao diện điều khiển trên màn hình HMI.....................................80
Hình 5.4 Giao diện giám sát của mơ hình...................................................80
Hình 5.5 Chọn chế độ vận hành..................................................................81
7

Hình 5.6 Thiết lập nhiệt độ đặt Setpoint......................................................81
Hình 5.7 Nhấn START để vận hành hệ thống.............................................82
Hình 5.8 Nhấn Stop để ngừng gia nhiệt......................................................82
Hình 5.9 Nhấn RUN/STOP để bật/tắt quạt tản nhiệt...................................83
Hình 5.10 Chuyển tiếp các trang giao diện.................................................83

8

Danh Sách Các Bảng Và Sơ Đồ
Bảng 1.1 Bảng phân công thực hiện nhiệm vụ đồ án.................................14
Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của board PLC FX3U – 24MT.......................17
Bảng 2.2 Các chân PLC sử dụng trong đề tài..............................................17
Bảng 2.3 Bảng phân loại và địa chỉ bộ nhớ Modbus RTU..........................32
Bảng 2.4 Nhiệm vụ của mã chức năng trong giao tiếp Modbus..................34
Bảng 2.5 Thư viện logic dưới dạng Ladder.................................................46
Bảng 2.6 Thông số P,I,D tương ứng với dải nhiệt độ..................................59

Sơ đồ 2.1 Quy trình vận hành của hệ thống................................................55
Sơ đồ 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống..............................................................60
Sơ đồ 3.2 Sơ đồ khối chức năng của board driver góc kích........................66
Sơ đồ 4.1 Lưu đồ giải thuật chương trình chính VĐK................................72
Sơ đồ 4.2 Lưu đồ giải thuật chương trình ngắt ngồi RB0..........................73
Sơ đồ 4.3 Lưu đồ giải thuật chương trình ngắt Timer 1..............................74
Sơ đồ 4.4 Lưu đồ giải thuật chương trình chính trên PLC..........................75
Sơ đồ 4.5 Lưu đồ giải thuật chương trình chính trên PLC..........................76
Bảng tính vật tư 1......................................................................................102

9

Các Ký Hiệu, Chữ Viết Tắt
Ký hiệu

Ý nghĩa

VĐK

Vi điều khiển

PLC

Bộ điều khiển khả lập trình

HMI

Giao diện người – máy

P

Thừa số tỷ lệ ngõ ra

I

Thừa số tích phân ngõ ra

D

Thừa số vi phân ngõ ra

Kp

Độ lợi tỷ lệ

Ki

Độ lợi tích phân

Kd

Độ lợi vi phân

CRC

Kiểm dư chu trình

RTU

Thiết bị đầu - cuối điều khiển
từ xa

10

Tóm Tắt
Đề tài điều khiển nhiệt độ lị nhiệt theo góc kích bao gồm những nội
dung sau:
- Ứng dụng thuật toán của bộ điều khiển PID vào đề tài.
- Xây dựng giao diện điều khiển, giám sát từ HMI.
- Hiệu chỉnh góc mở alpha của triac để điều khiển điện áp xoay chiều.
Mục đích chính của đề tài là điều khiển, giám sát sự tác động của bộ
điều khiển PID lên mơ hình bằng giao diện HMI. Ổn định nhiệt dộ của lò
nhiệt với một giới hạn nhất định được thiết lập theo yêu cầu của người điều
khiển. Mở ra hướng phát triển cho các hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID
một cách trực quan nhất. Nhận xét và đánh giá được chất lượng của hệ
thống thông qua đồ thị đáp ứng trên giao diện, qua đó có thể lựa chọn các
thông số Kp, Ki, Kd phù hợp nhất cho hệ thống.
Đề tài đã đạt được những kết quả sau:
- Hoàn thiện được giao diện và giao thức truyền thơng giữa PLC và
HMI.
- Hồn thành mơ hình ứng dụng bộ điều khiển PID như mục tiêu ban
đầu.
- Hiệu chỉnh được các thông số Kp, Ki và Kd để ổn định hệ thống bằng
phương pháp dò PID.

11

Chương 1: Giới Thiệu Đề Tài
1.1 Giới thiệu chung
Trong thực tế công nghiệp và sinh hoạt hàng ngày, năng lượng nhiệt
đóng vai trị rất quan trọng, nhất là nghành cơng nghệ luyện kim, chế biến
thực phẩm. Vấn đề đo và khống chế nhiệt độ đặc biệt được chú trọng vì nó
là một yếu tố quyết định đến chất lượng của sản phẩm. Nắm được tầm quan
trọng của vấn đề trên nhóm em đã chọn đề tài tốt nghiệp “Điều Khiển Nhiệt
Độ Lị Nhiệt Theo Góc Kích Sử Dụng Giải Thuật PID”
Đề tài “Điều khiển nhiệt độ lị nhiệt theo góc kích sử dụng giải thuật
PID” dùng để điều khiển nhiệt độ lò nhiệt bằng bộ điều khiển PID. Giám
sát, điều khiển, vẽ đồ thị đáp ứng và hiệu chỉnh các thơng số trên màn hình
giao diện HMI.
Hệ thống chương trình này có thể mở rộng ra cho nhiều ứng dụng khác
như hệ thống điều khiển vị trí, tốc độ cho các động cơ ứng dụng trong công
nghiệp.

1.2 Mục tiêu của đề tài
- Tìm hiểu các thiết bị điều khiển nhiệt độ.
- Thiết kế bản vẽ cơ khí, lắp ráp mơ hình.
- Xây dựng thuật tốn PID trên phần mềm lập trình PLC GX Developer,
điều khiển nhiệt độ lị nhiệt.
- Xây dựng giao diện HMI trên phần mềm Easy Builder 8000.
- Xây dựng giao thức truyền thông giữa PLC và HMI.

12

1.3 Cấu trúc quyển báo cáo
- Nội dung quyển báo cáo gồm 5 phần:
+ Chương 1: Giới thiệu đề tài

+ Chương 2: Cơ sở lý thuyết
+ Chương 3: Thiết kế và thi cơng mơ hình
+ Chương 4: Chương trình điều khiển
+ Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

1.4 Kế hoạch thực hiện đề tài
Thời gian
11/05/2020
12/05/2020
13/05/2020 - 30/05/2020
31/05/2020
01/06/2020 - 15/06/2020

Công việc
Nhận đề tài

Cả nhóm

Lên bản thiết kế
phần cứng
Thi

cơng

Sinh viên thực hiện

phần

cứng
Mua linh kiện, vật

tư cần thiết
Thiết kế và thi
công mạch

Nguyễn Trần Gia Huy
Cả nhóm
Nguyễn Trần Gia Huy
Đỗ Cơng Minh

Lắp ráp và hồn
16/06/2020

thiện cơ bản mơ

Cả nhóm

hình
17/06/2020 - 01/07/2020
02/07/2020 - 15/07/2020

Viết chương trình
ladder cho PLC
Viết chương trình
cho PIC16F877A
cho board driver
13

Đỗ Cơng Minh
Đỗ Công Minh

Đồ Án Tốt Nghiệp Cao Đẳng Điều Khiển Nhiệt Độ Lò Nhiệt Theo Góc Kích Sử Dụng Giải Thuật PID

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về