thiết kế và thi công hệ thống ứng dụng plc điều khiển và ổn định lò nhiệt

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HÓA
o0o
ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
ỨNG DỤNG PLC ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH
LÒ NHIỆT
TP. HỒ CHÍ MINH – 09/2011
ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT
i
Đại học GTVT TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Khoa Điện - ĐTVT Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
Bộ môn Tự động hóa

TP Hồ Chí Minh, ngày …tháng …năm 2011
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
1. TÊN ĐỒ ÁN :
- Ứng dụng PLC điều khiển và ổn định lò nhiệt
2. YÊU CẨU CỦA ĐỒ ÁN:
- Tìm hiểu PLC S7-300.
- Tìm hiểu cách lập trình giao diện.
- Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của lò nhiệt.
- Tìm hiểu phần cứng của lò nhiệt.
- Tìm hiểu nguyên lý điều khiển và ổn định lò nhiệt.
- Thi công mạch điều khiển, mạch động lực lò nhiệt.
- Lập trình điều khiển lò nhiệt.
- Lập trình giao diện.
- Kết nối với phần cứng.
3. NGÀY GIAO ĐỒ ÁN: 01/06/2011.
4. NGÀY HOÀN THÀNH ĐỒ ÁN : 30/08/2011.

5. HỌ VÀ TÊN NGƯỜI HƯỚNG DẪN PHẦN HƯỚNG DẪN
Ths. Đặng Hữu Thọ.

Nội dung và yêu cầu của đồ án tốt nghiệp đã được Bộ môn thông qua.
Tp. HCM, ngày …tháng …năm 2011
TRƯỞNG BỘ MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH
(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)
Ths. Đặng Hữu Thọ Ths. Đặng Hữu Thọ
ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT
ii
Đại học GTVT TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Khoa Điện - ĐTVT Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
Bộ môn Tự động hóa

TP Hồ Chí Minh, ngày …tháng …năm 2011
BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
1. NỘI DUNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP:
• Tìm hiểu đối tượng lò nhiệt và các phương pháp điều khiển lò nhiệt (một đối tượng thường gặp
trong công nghiệp có quán tính lớn và tầm hoạt động rộng).
• Thiết kế mạch điều khiển, mạch công suất để điều khiển công suất lò nhiệt (sử dụng phương
pháp điều áp xoay chiều dùng van bán dẫn thyristor hay còn gọi là phương pháp điều khiển pha).
• Ứng dụng các hàm thư viện đặc biệt, các module analog chuyên dụng của PLC S7-300 để điều
khiển và ổn định lò nhiệt.
• Thiết kế giao diện để giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu hoạt động của lò nhiệt thông qua
phần mềm WinCC.
2. NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN:

3. ĐÁNH GIÁ ĐỒ ÁN THUỘC LOẠI : ĐIỂM :

Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2011
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ tên)
Ths. Đặng Hữu Thọ
ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT
iii
Đại học GTVT TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Khoa Điện - ĐTVT Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
Bộ môn Tự động hóa

TP Hồ Chí Minh, ngày …tháng …năm 2011
BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
1. NỘI DUNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP:
• Tìm hiểu đối tượng lò nhiệt và các phương pháp điều khiển lò nhiệt (một đối tượng thường gặp
trong công nghiệp có quán tính lớn và tầm hoạt động rộng).
• Thiết kế mạch điều khiển, mạch công suất để điều khiển công suất lò nhiệt (sử dụng phương
pháp điều áp xoay chiều dùng van bán dẫn thyristor hay còn gọi là phương pháp điều khiển pha).
• Ứng dụng các hàm thư viện đặc biệt, các module analog chuyên dụng của PLC S7-300 để điều
khiển và ổn định lò nhiệt.
• Thiết kế giao diện để giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu hoạt động của lò nhiệt thông qua
phần mềm WinCC.
2. NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN:

3. CÂU HỎI CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN:




4. ĐÁNH GIÁ ĐỒ ÁN THUỘC LOẠI : ĐIỂM :

Tp. Hồ Chí Minh, ngày
…
tháng

… năm 2011
GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
(Ký và ghi rõ họ tên)
ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT
iv
LỜI CẢM ƠN
  
Để đạt được thành quả này, chúng em xin chân thành cảm ơn toàn thể thầy cô
giáo khoa Điện – Điện Tử Viễn Thông, đặc biệt là các thầy cô giáo bộ môn Tự Động
Hóa của trường Đại học Giao Thông Vận Tải Thành Phố Hồ Chí Minh đã tận tình chỉ
dạy và trang bị cho chúng em những kiến thức cơ bản về chuyên ngành. Đó là nền
tảng để chúng em thực hiện đồ án này và là cũng là một nền tảng vững chắc phục vụ
cho công việc của chúng em sau khi ra trường.
Xin chân thành cảm ơn thầy Đặng Hữu Thọ là người hướng dẫn chính đã tận
tình giúp đỡ, định hướng, góp ý và cung cấp những ý tưởng quý báu cũng như cung
cấp tài liệu tham khảo cho chúng em trong suốt quá trình làm đồ án.
Xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Huy, cô Đoàn Diễm Vương, cùng

một số thầy cô khác đã hướng dẫn, góp ý và tạo điều kiện thuận lợi để chúng em hoàn
thành đồ án này.
Chúng em cũng xin cảm ơn bạn bè và người thân đã tạo cơ hội và giúp đỡ
chúng em hoàn thành tốt đồ án này.
Vì kinh nghiệm thực tế còn hạn chế nên trong quá trình thực hiện đồ án chúng
em không tránh khỏi những thiếu sót và sai lầm, chúng em mong được sự chỉ bảo, góp
ý tận tình từ phía các thầy cô để đồ án của chúng em được hoàn thiện hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT
v
TÓM TẮT
Trong quá trình hoàn thành đồ án tốt nghiệp, chúng em đã được củng cố các
kiến thức thực tiễn cũng như chuyên ngành. Đồng thời đã tìm hiểu, thực nghiệm, thiết
kế và điều khiển đối tượng lò nhiệt. Nhiệm vụ của đồ án là tìm hiểu, thực hiện các mục
tiêu sau:
 Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của lò nhiệt, một đối tượng thường gặp trong
công nghiệp với công suất lớn, độ quán tính nhiệt lớn và tầm hoạt động
rộng.
 Tìm hiểu các phương pháp điều khiển nhiệt độ cổ điển và thiết kế bộ điều
khiển PID theo phương pháp thực nghiệm của Ziegler – Nichols và phương
pháp đại số.
 Thiết kế mạch công suất điều khiển đối tượng lò nhiệt theo phương pháp
điều khiển pha (thay đổi góc mở van bán dẫn – trong đồ án chọn van bán
dẫn là hai thyristor đấu song song ngược trên một pha). Đồng thời thiết kế
mạch điều khiển van bán dẫn theo phương pháp điều khiển thẳng đứng
tuyến tính.
 Sử dụng các hàm thư viện chuẩn trong PLC S7-300 để thu thập và điều
khiển nhiệt độ như: hàm scale AI, hàm PID, hàm unscale AO,…. Và sử
dụng các module chuyên dụng để đọc tín hiệu nhiệt độ từ cảm biến RTD,….
 Giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu hoạt động của lò nhiệt sử dụng phần

mềm WinCC (Windows Control Center) của công ty Siemens.
ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT
vi
MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ii
BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iii
BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iv
LỜI CẢM ƠN v
TÓM TẮT vi
MỤC LỤC vii
DANH SÁCH HÌNH VẼ x
DANH SÁCH BẢNG BIỂU xiii
DANH SÁCH CÔNG THỨC xiv
CHƯƠNG 1 1
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1
1.1 Giới thiệu về đối tượng và phương pháp điều khiển 1
1.2 Nhiệm vụ đồ án: 2
CHƯƠNG 2 4
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT 4
2.1 Lò nhiệt ( lò điện trở) 4
2.1.1 Giới thiệu chung về lò nhiệt 4
2.1.1.1 Định nghĩa 4
2.1.1.2 Ưu điểm của lò điện 5
2.1.1.3 Nhược điểm của lò điện 5
2.1.2 Những yêu cầu cơ bản đối với cấu tạo của lò điện trở 5
2.1.3 Cấu tạo của lò điện trở 7
2.1.3.1 Vật nung, dây nung 7
2.1.3.2 Vỏ lò điện trở 9
2.1.3.3 Lớp lót 9
2.1.4 Đối tượng lò nhiệt được sử dụng trong luận văn 10

2.2 Cảm biến nhiệt độ 11
2.2.1Thermocoupble (cặp nhiệt điện) 11
2.2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý đo 11
2.2.1.2 Một số loại cặp nhiệt thông dụng 12
Bảng 2.1: Phân loại cặp nhiệt điện 12
2.2.1.3 Ưu và nhược điểm của Thermocouple 13
2.2.1.4 Bù nhiệt độ môi trường 14
2.2.2 RTD (Thermal Resistor) 14
2.2.3 Thermitor(thermally sensitive resistor) 17
2.2.4 IC cảm biến 18
2.3 Các phương pháp điều khiển nhiệt độ 19
2.3.1 Điều khiển ON-OFF 19
ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT
vii
2.3.2 Điều khiển bằng khâu tỉ lệ (P) 21
2.3.3 Điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ (PD) 22
2.3.4 Điều khiển bằng khâu tích phân tỉ lệ (PI) 23
2.3.5 Điều khiển bằng khâu vi tích phân tỉ lệ (PID) 24
Bảng 2.2: So sánh các phương pháp điều khiển 26
2.4 Thư viện hàm S7-300 sử dụng trong luận văn 27
2.4.1 Hàm chuyển đổi Sacle FC105 27
2.4.2 Module analog SM331 của S7-300 29
Bảng 2.4: Quan hệ giữa giá trị số PLC quy đổi và dãi nhiệt độ ngõ vào 30
2.4.3 Hàm chuyển đổi Unscale FC106 31
Bảng 2.5:Quan hệ giữa giá trị số PLC và dãi điện áp ngõ ra ±10V 33
2.4.4 Module mềm PID 34
Bảng 2.6: Khai báo tham số cho module PID 38
2.4.5 Hàm PID FB41 “CON_C” 39
Bảng 2.7: Mô tả các tín hiệu đầu vào khối PID 43
Bảng 2.8: Mô tả các tín hiệu đầu ra 49

CHƯƠNG 3 51
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THI CÔNG MẠCH ĐỘNG LỰC 51
3.1 Nguyên lý làm việc của lò điện trở 51
3.2 Yêu cầu của mạch động lực 51
3.3 Tính toán chọn van bán dẫn 53
3.4 Tính toán bảo vệ van bán dẫn 55
3.4.1 Bảo vệ quá dòng 56
3.4.2 Bảo vệ quá áp 57
3.5 Thi công thực tế 59
CHƯƠNG 4 61
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THI CÔNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN THYRISTOR 61
4.1 Nguyên tắc điều khiển thyristor 61
4.1.1 Nguyên tắc mở van thyristor 61
4.1.2 Cấu trúc mạch điều khiển thyristor 62
4.1.3 Nguyên tắc điều khiển thyristor 62
4.2 Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển 65
4.3 Vi mạch TCA 785 69
4.3.1 Giới thiệu TCA 785: 69
4.3.2 Chức năng và ký hiệu các chân của TCA 785 69
Bảng 4.1: Chức năng các chân của vi mạch TCA 785 70
4.4 Tính toán mạch điều khiển 76
4.5 Thi công thực tế 80
CHƯƠNG 5 84
ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT
viii
THIẾT KẾ KHÂU HIỆU CHỈNH PID 84
5.1 Khảo sát vòng hở lò nhiệt 84
5.2 Điều khiển vòng kín 87
5.3 Thiết kế bộ điều khiển PID bằng phương pháp Ziegler-Nichols 89
Bảng 5.1: Các thông số của bộ điều khiển PID được xác định theo cách 1 90

Bảng 5.2: Các thông số của bộ điều khiển PID được xác định theo cách 2 90
Bảng 5.3: Các thông số bộ điều khiển PID của lò nhiệt dùng trong luận văn 91
5.4 Thiết kế bộ điều khiển PID bằng phương pháp đại số 91
5.5 Đặc trưng của các bộ điều khiển P,I,D 97
Bảng 5.4: Đặc trưng của các thông số bộ điều khiển PID 97
CHƯƠNG 6 98
GIẢI THUẬT VÀ CHƯƠNG TRÌNH 98
6.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống 98
6.1.1 Giao tiếp giữa PC và PLC 98
6.1.2 Cảm biến và PLC 99
6.1.3 Lò nhiệt và PLC 99
6.3.1 Chế độ 1 103
6.3.2 Chế độ 2 105
6.4 Giải thích giao diện điều khiển 108
CHƯƠNG 7 113
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 113
7.1 Kết quả thực nghiệm 113
7.1.1 Kết quả thực nghiệm với phương pháp đại số 113
7.1.2 Kết quả thực nghiệm với phương pháp Ziegler – Nichol 115
Chế độ 2 116
7.1.3 Những khó khăn gặp phải 118
7.2 Hướng phát triển đề tài 118
PHỤ LỤC 121
ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT
ix
DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1: Dạng tổng quát của một hệ thống hồi tiếp 2
Hình 2.1: Cặp nhiệt điện thực tế 11
Hình 2.2: Cấu tạo của cặp nhiệt điện 12
Hình 2.3: Kết nối cặp nhiệt điện với dụng cụ đo 13

Hình 2.4: Cấu tạo RTD 15
Hình 2.5: Một số loại Thermitor 17
Hình 2.6: Cấu tạo cảm biến IC bán dẫn 18
Hình 2.7: Sơ đồ điều khiển lò nhiệt 20
Hình 2.8: Đặc tính điều khiển của điều khiển ON – OFF 20
Hình 2.9:Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu tỉ lệ (P) 21
Hình 2.10: Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ (PD) với P = 1 22
Hình 2.11 : Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ (PI) với P = 1 23
Hình 2.12: Sơ đồ điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID 25
Hình 2.13: So sánh đáp ứng của hệ thống so với các bộ điều khiển 27
Hình 2.14: Đồ thị mô tả hàm scale AI 28
Hình 2.15: Cú pháp hàm FC105 dạng LAD 28
Hình 2.16: Sơ đồ nối dây của module SM331 AI/AO 2x12 bit 29
Hình 2.17: Sơ đồ kết nối cảm biến RTD với module analog input 31
Hình 2.18: Cú pháp hàm FC106 dạng LAD 32
Hình 2.19: Sơ đồ kết nối ngõ ra analog output với tải 33
Hình 2.20: Sơ đồ điều khiển PID 34
Hình 2.21: Cửa sổ cài đặt các thông số cho bộ PID mềm 37
Hình 2.22: Sơ đồ cấu trúc module PID 39
Hình 2.23: Sử dụng module PID 43
Hình 3.1: Nguyên lý mạch động lực 52
Hình 3.2: Dạng điện áp ngõ ra khi qua thyristor 52
Hình 3.3: Nguyên lý mạch động lực có cuộn dây L bảo vệ 56
ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT
x
Hình 3.4: Đồ thị quá trình biến thiên điện áp và dòng điện 57
Hình 3.5: Nguyên lý mạch động lực có thêm R, C bảo vệ 58
Hình 3.6: Nguyên lý mạch động lực hoàn chỉnh 59
Hình 3.7: Mạch nguyên lý trên orcad của mạch động lực 59
Hình 4.4: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos” 64

Hình 4.5: Đồ thị các xung điều khiển thyristor 66
Hình 4.6: Đồ thị quá trình điều khiển thyristor 67
Hình 4.7: Nguyên lý mạch điều khiển thyristor 68
Hình 4.8: Hình dạng vi mạch TCA 785 69
Hình 4.9: Sơ đồ khối TCA 785 71
Hình 4.10: Đồ thị tạo xung ngõ ra TCA 785 72
Hình 4.11: Sơ đồ mạch điều khiển thyristor bằng TCA 785 (theo datasheet) 75
Hình 4.12: Khối khuếch đại xung và biến áp xung 77
Hình 4.13: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển trên orcad 82
Hình 4.14: Layout của mạch điều khiển và mạch động lực 83
Hình 5.1: Đáp ứng nấc của lò nhiệt 85
Hình 5.2: Đáp ứng nấc thực tế của lò nhiệt 86
Hình 5.3: Sơ đồ điều khiển vòng kín 87
Hình 5.4: Sơ đồ khối điều khiển vòng kín 87
Hình 5.5: Sơ đồ tóm tắt hệ thống 89
Hình 5.6: Sơ đồ điều khiển hệ thống dùng cho phương pháp đại số 92
Hình 6.1: Sơ đồ tổng quát hệ thống 98
Hình 6.2: Lưu đồ chương trình chính 100
Hình 6.3: Lưu đồ thuật toán chế độ 1 103
Hình 6.4: Lưu đồ thuật toán chế độ 2 105
Hình 6.5: Đặc tuyến nhiệt độ - thời gian 106
Hình 6.6: Giao diện điều khiển chính 108
Hình 6.7: Đồ thị thu thập nhiệt độ 111
Hình 6.8: Bảng thu thập thông số nhiệt độ 111
ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT
xi
Hình 6.9: Đồ thị công suất 112
Hình 7.1: Đáp ứng ngõ ra ở chế độ 1 với phương pháp đại số 114
Hình 7.2: Giá trị nhiệt độ được thu thập ở chế độ 1 phương pháp đại số 114
Hình 7.3: Đáp ứng ngõ ra ở chế độ 2 phương pháp đại số 115

Hình 7.4: Đáp ứng ra thực tế ở chế độ 1 phương pháp Ziegler – Nichol 116
Hình 7.5: Đáp ứng ra thực tế ở chế độ 2 phương pháp Ziegler – Nichol 117
Nhận xét: 117
Với các hệ số đã xác định bằng hai phương pháp đã trình bày cho ta đáp ứng thỏa mãn các yêu cầu 117
Đối với chế độ 1 thì các hệ số của phương pháp đại số cho ta đáp ứng tốt hơn so với phương pháp Ziegler
– Nichol: thời gian gia nhiệt nhanh hơn, độ vọt lố nhỏ hơn 117
Còn đối với chế độ 2 thì các hệ số của phương pháp Ziegler – Nichol cho đáp ứng tốt hơn phương pháp
đại số: độ vọt lố nhỏ, sai số xác lập nhỏ 118
ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT
xii
DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Phân loại cặp nhiệt điện 12
Bảng 2.2: So sánh các phương pháp điều khiển 26
Bảng 2.4: Quan hệ giữa giá trị số PLC quy đổi và dãi nhiệt độ ngõ vào 30
Bảng 2.5:Quan hệ giữa giá trị số PLC và dãi điện áp ngõ ra ±10V 33
Bảng 2.6: Khai báo tham số cho module PID 38
Bảng 2.7: Mô tả các tín hiệu đầu vào khối PID 43
Bảng 2.8: Mô tả các tín hiệu đầu ra 49
Bảng 4.1: Chức năng các chân của vi mạch TCA 785 70
Bảng 5.1: Các thông số của bộ điều khiển PID được xác định theo cách 1 90
Bảng 5.2: Các thông số của bộ điều khiển PID được xác định theo cách 2 90
Bảng 5.3: Các thông số bộ điều khiển PID của lò nhiệt dùng trong luận văn 91
Bảng 5.4: Đặc trưng của các thông số bộ điều khiển PID 97
ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT
xiii
DANH SÁCH CÔNG THỨC
2.1 Quan hệ giữa điện áp với độ biến thiên nhiệt độ trong cặp nhiệt điện 12
2.2 Quan hệ giữa điện áp với độ biến thiên nhiệt độ được tuyến tính hóa 12
2.3 Quan hệ giữa điện trở với nhiệt độ trong RTD 15
2.4 Quan hệ giữa điện trở với nhiệt độ với vật liệu làm bằng kim loại 15

2.5 Quan hệ giữa điện trở với nhiệt độ với vật liệu làm bằng oxit bán dẫn 15
2.6 Độ nhạy nhiệt với cảm biến RTD 16
2.7 Hàm truyền khâu điều khiển tỉ lệ 21
2.8 Hàm truyền khâu điều khiển vi phân tỉ lệ 22
2.9 Hàm truyền khâu điều khiển tích phân tỉ lệ 23
2.10 Hàm truyền trong bộ điều khiển PID 25
2.11 Mối quan hệ giữa tín hiệu ra u(t) với tín hiệu sai lệch e(t) trong bộ PID 25
2.12 Giá trị ngõ ra của hàm FC105 27
2.13 Giá trị ngõ ra của hàm FC106 31
2.14 Phương trình điều khiển của khối PID mềm 34
3.1 Định luất Jun-Len-xơ 51
3.2 Công suất tác dụng của lò nhiệt 51
3.3 Điện áp làm việc của Thyristor 54
3.4 Điện áp ngưỡng của Thyristor 54
3.5 Dòng điện trung bình qua Thyristor 55
3.6 Hệ số quá áp của mạch cầu Thyristor 59
3.7 Xác định giá trị tụ bảo vệ (C) 59
3.8 Xác định giá trị điện trở bảo vệ quá áp (R) 59
4.1 Tính góc kích của Thyristor 73
ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT
xiv
CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1.1 Giới thiệu về đối tượng và phương pháp điều khiển
Nhiệt độ là một đại lượng vật lý hiện diện khắp nơi và trong nhiều lĩnh vực,
trong công nghiệp cũng như trong sinh hoạt. Nhiệt độ trở nên là mối quan tâm hàng
đầu cho các nhà thiết kế máy và điều khiển nhiệt độ trở thành một trong những mục
tiêu của ngành Điều Khiển Tự Động.
Trong nhiều lĩnh vực của nền kinh tế, vấn đề đo và kiểm soát nhiệt độ là một
quá trình không thể thiếu được, nhất là trong công nghiệp. Đo nhiệt độ trong công

nghiệp luôn gắn liền với quy trình công nghệ của sản xuất, việc đo và kiểm soát nhiệt
độ tốt quyết định rất nhiều đến chất lượng của sản phẩm trong các ngành công nghiệp
thực phẩm, luyện kim, xi măng, gốm sứ, công nghiệp chế tạo động cơ đốt trong
Tùy theo tính chất, yêu cầu của quá trình mà nó đòi hỏi các phương pháp điều
khiển thích hợp. Tính ổn định và chính xác của nhiệt độ cũng đặt ra các vấn đề cần
phải giải quyết.
Một điều cần thiết là ta phải khảo sát kỹ đối tượng cung cấp nhiệt mà ta cần
phải điều khiển để dẫn đến mô hình toán học cụ thể. Từ đó chúng ta sẽ giải quyết bài
toán điều khiển trên cơ sở lý thuyết đã nghiên cứu.
Hệ thống điều khiển nhiệt độ có thể phân làm hai loại : hệ thống điều khiển hồi
tiếp (feedback control system) và hệ thống điều khiển tuần tự (sequence control
system).
 Điều khiển hồi tiếp thường được xác định và giám sát kết quả điều khiển, so
sánh nó với yêu cầu thực thi (ví dụ điểm đặt) và tự động điều chỉnh đúng.
 Điều khiển tuần tự thực hiện từng bước điều khiển tùy theo hoạt động điều
khiển trước khi xác định tuần tự.
Một hệ thống muốn chính xác cần phải thực hiện hồi tiếp tín hiệu về so sánh
với tín hiệu vào và đầu ra sẽ được gởi đến bộ điều khiển hiệu chỉnh đầu ra. Hệ thống
Chương 1: Giới Thiệu Tổng Quan Về Đề Tài
1
điều khiển hồi tiếp có nhiều ưu điểm nên thường được sử dụng trong các hệ thống tự
động.
Các phương pháp điều khiển khác nhau nhưng nguyên tắc điều khiển là giống
nhau. Một hệ thống điều khiển nhiệt độ dựa trên nguyên tắc hệ thống hồi tiếp có dạng
tổng quát như hình dưới đây:
Hình 1.1: Dạng tổng quát của một hệ thống hồi tiếp
Đây là một hệ thống hồi tiếp qua bộ cảm biến cho tín hiệu đo lường nhiệt độ về
so sánh với giá trị đặt, sai lệch giữa tín hiệu đặt và đo sẽ được đưa tới bộ điều khiển
tạo tín hiệu điều khiển công suất cấp cho bộ phận gia nhiệt. Như vậy các phương pháp
điều khiển khác nhau về bản chất là do các bộ điều khiển khác nhau tạo nên.

1.2 Nhiệm vụ đồ án:
• Nhiệm vụ của đồ án là tìm hiểu, thực hiện các mục tiêu sau:
o Sử dụng PLC SIEMENS S7-300 điều khiển lò nhiệt bằng phương pháp PID.
o Thiết kế, thi công mạch công suất điều khiển đóng mở Thyristor cấp điện
cho đối tượng lò nhiệt.
o Giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu hoạt động của lò nhiệt sử dụng phần
mềm WinCC (Windows Control Center).
• Phạm vi điều khiển:
Do trong khuôn khổ giới hạn của luận văn nên em chỉ giới hạn trong phạm vi
như sau :
Chương 1: Giới Thiệu Tổng Quan Về Đề Tài
2
 Đối tượng:
o PLC S7-300 (CPU 314C-2DP, tích hợp sẵn module AI chuyên dụng
có khả năng đọc trực tiếp tín hiệu từ cảm biến RTD: Pt100) và lò
nhiệt dân dụng.
o Điều khiển công suất lò nhiệt bằng phương pháp điều khiển pha, sử
dụng hai thyristor nối song song ngược trên một pha.
 Cảm biến:
o Sử dụng cảm biến Thermal Resistor (Pt 100).
 Phương tiện điều khiển : OP (Operation Panel), tuy nhiên được thay thế
bằng PC (Personal Computer) với hệ điều hành Windows XP
 Giao tiếp máy tính : thông qua phần mềm WinCC của SIEMENS.
 Bộ điều khiển PID : tích hợp trong PLC S7-300 của SIEMENS.
Chương 1: Giới Thiệu Tổng Quan Về Đề Tài
3
CHƯƠNG 2
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT
2.1 Lò nhiệt ( lò điện trở)
2.1.1 Giới thiệu chung về lò nhiệt

2.1.1.1 Định nghĩa
Lò điện là một thiết bị điện biến điện năng thành nhiệt năng dùng trong các quá
trình công nghệ khác nhau như nung hoặc nấu luyện các vật liệu, các kim loại và các
hợp kim khác nhau,
Lò điện được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật:
 Sản xuất thép chất lượng cao.
 Sản xuất các hợp kim phe-rô.
 Nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện.
 Nung các vật phẩm trước khi cán, rèn dập, kéo sợi.
 Sản xuất đúc và kim loại bột.
Trong các lĩnh vực công nghiệp khác:
 Trong công nghiệp nhẹ và thực phẩm, lò điện được dùng để phủ, mạ vật
phẩm và chuẩn bị thực phẩm.
 Trong các lĩnh vực khác, lò điện được dùng để sản xuất các vật phẩm thuỷ
tinh, gốm sứ, các loại vật liệu chịu lửa v.v
Lò điện không những có mặt trong các ngành công nghiệp mà ngày càng được
dùng phổ biến trong đời sống sinh hoạt hàng ngày của con người một cách phong phú
và đa dạng như: bếp điện, nồi nấu cơm điện, bình đun nước điện, thiết bị nung rắn, sấy
điện v.v
Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết
4
2.1.1.2 Ưu điểm của lò điện
Lò điện so với các lò sử dụng các nhiên liệu khác có những ưu điểm sau:
 Có khả năng tạo được nhiệt độ cao.
 Đảm bảo tốc độ nung lớn và năng suất cao.
 Đảm bảo nung đều và chính xác do nhiệt độ được điều khiển bằng điện.
 Đảm bảo độ kín cần thiết.
 Có khả năng cơ khí hóa và tự động hóa trong quá trình chất dỡ nguyên liệu và
vận chuyển vật phẩm.
 Đảm bảo điều kiện lao động hợp vệ sinh, vận hành thuận tiện, thiết bị gọn nhẹ.

2.1.1.3 Nhược điểm của lò điện
Mặc dù lò điện trở có nhiều ưu điểm so với các lò nhiệt khác nhưng cũng không
thể tránh được một số nhược điểm sau:
 Tiêu thụ nhiều điện năng.
 Nếu lò có công suất lớn thì phải có tính toán chọn các thiết bị bảo vệ, vận hành
dài hạn hợp lý.
 Yêu cầu người vận hành phải có chuyên môn.
2.1.2 Những yêu cầu cơ bản đối với cấu tạo của lò điện trở
 Hợp lý về công nghệ
Hợp lý về công nghệ có nghĩa là cấu tạo lò không những phù hợp với quá trình
công nghệ yêu cầu tại thời điểm chế tạo mà còn tính đến khả năng mở rộng về sau
này. Đây là một điều cần thiết đối với bất kì một hệ thống điện nào. Và đảm bảo là
không làm phức tạp quá trình gia công và làm tăng giá thành của sản phẩm.
 Hiệu quả về kỹ thuật
Hiệu quả về kỹ thuật là khả năng thực hiện hiệu suất cực đại của kết cấu khi các
thông số của nó là cố định ( kích thước, công suất, trọng lượng, giá thành, …).
Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết
5
Đối với một thiết bị hay một vật phẩm sản xuất ra, năng suất trên một đơn vị
công suất định mức, sức tiêu hao điện năng để nung,…là các chỉ tiêu cơ bản của
hiệu quả kỹ thuật. Còn đối với từng phần riêng biệt của kết cấu hoặc chi tiết, hiệu
quả kỹ thuật được đánh giá bằng công suất dẫn động, momen xoắn, lực,…ứng với
trọng lượng, kích thước hoặc giá thành kết cấu.
 Chắc chắn khi làm việc
Chắc chắn khi làm việc là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất của chất
lượng kết cấu các lò điện. Thường các lò điện trở là tải hoạt động dài hạn, làm việc
liên tục một ca, hai ca hoặc cũng có thể là liên tục ba ca trong một ngày. Nếu trong
lúc làm việc, một bộ phận nào đó không hoàn hảo sẽ gây ảnh hưởng đến quá trình
sản xuất chung. Điều này đặt biệt quan trọng đối với các lò điện làm việc liên tục
trong dây chuyền sản xuất tự động. Ngay cả khi các lò điện làm việc theo chu kỳ,

lò ngừng cũng làm thiệt hại rõ rệt cho nhà sản xuất vì khi bị sự cố lò dừng đột ngột
hoặc nhiệt độ tăng nhanh và cao quá mức quy định có thể dẫn đến làm hư hỏng sản
phẩm, lãng phí nguyên vật liệu, làm tăng giá thành sản phẩm, quán trình sản xuất
gián đoạn, phải tiến hành sửa chữa vừa mất thời gian vừa tốn kém.
Một chỉ tiêu phụ về sự chắc chắn khi làm việc của một bộ phận đó của lò điện
là khả năng thay thế nhanh hoặc khả năng dự trữ lớn khi lò làm việc bình thường.
Để đạt được điều này, trong các thiết bị cần chú ý đến các bộ phận quan trọng nhất
như: dây nung, băng tải,…quyết định đến sự làm việc liên tục của lò.
 Tiện lợi khi sử dụng
Phải hội tụ một số đặc điểm sau:
 Số nhân viên phục vụ tối thiểu.
 Không yêu cầu người vận hành có chuyên môn quá cao, có sức lực và sự
dẻo dai.
 Số lượng các thiết bị đắt tiền sử dụng nguyên liệu quý hiếm và bị hao
mòn nhanh cần phải hạn chế sử dụng đến mức thấp nhất.
Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết
6
 Bảo quản, bảo trì dễ dàng, thuận tiện trong việc kiểm tra và sửa chữa
thiết bị, hệ thống.
 Rẻ và đơn giản khi chế tạo
 Tiêu hao vật liệu ít nhất, đặc biệt là các vật liệu quý hiếm.
 Công nghệ sản xuất đơn giản, thời gian chế tạo nhanh nhưng vẫn đảm
bảo chất lượng.
 Sử dụng tối đa các kết cấu giống nhau và cùng loại để thuận tiện trong
việc trao đổi và lắp ráp.
 Hình dáng bề ngoài đẹp
Mỗi kết cấu của thiết bị, vật phẩm, các khâu và các chi tiết phải có hình dáng và
kích thước phù hợp dễ coi. Tuy vậy cũng cần chú ý rằng, độ bền của kết cấu khi
trọng lượng nhỏ và hình dáng bề ngoài đẹp có quan hệ khăng khít với nhau. Việc
gia công lần chót như sơn có vai trò đặc biệt quan trọng đối với hình dáng bề ngoài

của lò điện, song cũng cần tránh những trang trí không cần thiết.
2.1.3 Cấu tạo của lò điện trở
Thường thì cấu tạo gồm ba thành phần chính: vỏ lò, lớp lót và dây nung.
2.1.3.1 Vật nung, dây nung
Trong lò điện trở thành phần quan trọng nhất đó chính là điện trở, đặc trưng
cho thành phần điện trở này chính là dây nung (vật nung).
 Vật nung: Trường hợp này gọi là nung trực tiếp. Trường hợp này ít gặp vì
nó chỉ dùng để nung những vật có hình dạng đơn giản như: tiết diện chữ
nhật, vuông, tròn.
 Dây nung: Trường hợp này gọi là nung gián tiếp. Khi dây nung được nung
nóng nó sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt hoặc
phức hợp. Trường hợp này thì ta gặp nhiều trong thực tế. Và đề tài nhóm
đang làm cũng là loại lò điện trở này. Vì thế nhóm sẽ làm rõ thêm vấn đề dây
nung mà lò điện trở hay sử dụng.
Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết
7
 Yêu cầu của vật liệu dùng làm dây nung: dây nung là bộ phận phát nhiệt của
lò, làm việc trong điều kiện khắc nghiệt (nhiệt độ cao), do đó phải đảm bảo các
yêu cầu sau:
 Chịu nóng tốt, ít bị oxy hóa ở nhiệt độ cao.
 Phải có độ bền cơ học cao, không bị biến dạng ở nhiệt độ cao.
 Điện trở suất phải lớn.
 Hệ số nhiệt điện phải nhỏ.
 Các tính chất điện phải cố định hoặc ít thay đổi.
 Các kích thước phải không thay đổi khi sử dụng.
 Dễ gia công, dễ hàn hoặc dễ ép khuôn.
Tùy thuộc vào vật liệu làm dây nung mà ta phân biệt dây nung thành hai loại:
 Dây nung kim loại
Để đảm bảo yêu cầu của dây nung, trong hầu hết các lò điện trở công nghiệp,
dây nung kim loại thường được chế tạo bằng các hợp kim Crôm- Nhôm và Crôm-

Niken là các hợp kim có điện trở lớn. Còn các kim loại nguyên chất được dùng để
chế tạo dây nung rất hiếm vì các kim loại nguyên chất thường có những tính chất
không có lợi cho việc chế tạo dây nung như:
 Điện trở suất nhỏ.
 Hệ số nhiệt điện trở lớn.
 Bị oxy hóa mạch trong môi trường bình thường.
Dây nung kim loại thường được chế tạo ở dạng tròn và dạng băng.
 Dây nung phi kim: Dây nung phi kim loại được dùng phổ biến là SiC, Grafit,
Than,…
Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết
8
2.1.3.2 Vỏ lò điện trở
Vỏ lò điện trở là một khung cứng vững chắc, chủ yếu là để chịu tải trong quá
trình làm việc của lò. Mặc khác vỏ lò cũng dùng để giữ lớp cách nhiệt rời và đảm bảo
sự kín hoàn toàn hoặc tương đối của lò.
Đối với các lò làm việc với khí bảo vệ, vỏ lò cần phải hoàn toàn kín, còn đối
với các lò điện trở bình thường, sự kín của vỏ lò chỉ cần giảm tổn thất nhiệt và tránh sự
lùa không khí lạnh vào lò, đặc biệt theo chiều cao lò.
Trong những trường hợp riêng, lò điện trở có thể làm vỏ lò không bọc kín.
Khung vỏ lò cần cứng vững đủ để chịu được tải trọng của lớp lót, phụ tải lò (vật nung)
và các cơ cấu cơ khí gắn trên vỏ lò.
Vỏ lò chữ nhật thường dùng ở lò buồng, lò liên tục, lò đáy rung,
Vỏ lò tròn dùng ở các lò giếng và một vài lò chụp,
Vỏ lò tròn chịu lực tác dụng bên trong tốt hơn vỏ lò chữ nhật khi cùng một
lượng kim loại để chế tạo vỏ lò. Khi cần thiết tăng độ cứng vững cho vỏ lò tròn, người
ta dùng các vòng đệm tăng cường bằng các loại thép hình.
Vỏ lò chữ nhật được dựng lên nhờ các thép hình U, L và thép tấm cắt theo hình
dáng thích hợp. Vỏ lò có thể được bọc kín, có thể không tuỳ theo yêu cầu kín của lò.
Phương pháp gia công vỏ lò loại này chủ yếu là hàn và tán.
2.1.3.3 Lớp lót

Lớp lót lò điện trở thường gồm hai phần: phần vật liệu chịu lửa và phần cách
nhiệt.
 Phần vật liệu chịu lửa: có thể xây bằng gạch tiêu chuẩn, gạch hình hoặc gạch
hình đặc biệt tuỳ theo hình dáng và kích thước đã cho của buồng lò. Cũng có khi
người ta đầm bằng các loại bột chịu lửa và các chất kết dính gọi là các khối đầm.
Khối đầm có thể tiến hành ngay trong lò và cũng có thể tiến hành ở ngoài nhờ các
khuôn.
Phần vật liệu chịu lửa cần đảm bảo các yêu cầu sau :
Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết
9
 Chịu được nhiệt độ làm việc cực đại của lò.
 Có độ bền nhiệt đủ lớn khi làm việc.
 Có đủ độ bền cơ học khi xếp vật nung và đặt thiết bị vận chuyển trong điều
kiện làm việc.
 Đảm bảo khả năng gắn dây nung bền và chắc chắn.
 Có đủ độ bền hoá học khi làm việc, chịu được tác dụng của khí quyển lò và
ảnh hưởng của vật nung.
 Đảm bảo khả năng tích nhiệt cực tiểu. Điều này đặc biệt quan trọng đối với
lò làm việc theo chu kỳ.
 Phần cách nhiệt: thường nằm giữa vỏ lò và phần vật liệu chịu lửa. Mục đích
chủ yếu của phần này là để giảm tổn thất nhiệt đến mức thấp nhất. Riêng đối với
đáy, phần cách nhiệt đòi hỏi phải có độ bền cơ học nhất định còn các phần khác nói
chung không yêu cầu.
Yêu cầu cơ bản của phần cách nhiệt là:
 Hệ số dẫn nhiệt cực tiểu
 Khả năng tích nhiệt cực tiểu
 Ổn định về tính chất lý, nhiệt trong điều kiện làm việc xác định.
Phần cách nhiệt có thể xây bằng gạch cách nhiệt, có thể điền đầy bằng bột cách nhiệt.
2.1.4 Đối tượng lò nhiệt được sử dụng trong luận văn
Thực tế, trong công nghiệp các lò nhiệt thường có công suất rất lớn, quán tính

lớn, tầm nhiệt hoạt động rộng và có nhiều cách đốt nóng khác nhau như dùng lò xo,
khí đốt, sóng cao tần…Khi điều khiển nhiệt độ, đặc tính cần chú ý là độ quán tính,
năng suất toả nhiệt ra môi trường. Tính chất của lò nhiệt phụ thuộc vào nhiều yếu tố
như : thể tích, vật liệu cách nhiệt và nguồn nhiệt.
Vì yêu cầu của luận văn là tìm hiểu và bước đầu làm quen với đối tượng điều
khiển là nhiệt độ vì thế nhóm sẽ chỉ sử dụng một lò điện trở không đòi hỏi các tham số
cao quá như : công suất thấp, kích thước nhỏ gọn, sai số khi ổn định nhiệt độ là tương
đối lớn.Lò nhiệt được sử dụng trong luận văn là một loại lò nướng dân dụng, điện áp
xoay chiều, có độ quán tính tương đối lớn, có công suất tiêu thụ lớn nhất là 1000W.
Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết
10
2.2 Cảm biến nhiệt độ
Khi điều khiển nhiệt độ, việc cần làm đầu tiên là xác định được nhiệt độ chính
xác tại thời điểm đó của đối tượng điều khiển, vì thế chúng ta phải có thiết bị để đọc
nhiệt độ hiện tại của lò về, từ đó mới có thể điều khiển nhiệt độ một cách chính xác.
Thiết bị đó là cảm biến nhiệt độ.
Cảm biến nhiệt độ là dụng cụ chuyển đổi đại lượng nhiệt thành các đại lượng
vật lý khác chẳng hạn như: điện áp, dòng điện, áp suất, độ giãn nở dài, độ giãn nở
khối, điện trở, … Cảm biến nhiệt độ là phần tử không thể thiếu trong bất kỳ hệ thống
đo lường điều khiển nhiệt độ nào. Cảm biến nhiệt độ có khả năng nhận biết được tín
hiệu nhiệt độ một cách chính xác, trung thực và chuyển đổi thành tín hiệu có thể đo
lường được như điện áp, dòng điện, điện trở, thể tích áp suất…Có hai loại cảm biến
nhiệt đó là cảm biến nhiệt đo nhiệt tiếp xúc và cảm biến nhiệt đo nhiệt không tiếp xúc
(hỏa kế, đo bằng hồng ngoại,laze,…). Trong thực tế thì rất ít gặp cảm biến nhiệt độ đo
nhiệt không tiếp xúc nên nhóm sẽ đi sâu tìm hiểu cảm biến nhiệt độ đo tiếp xúc với
nhiệt là chủ yếu.
Trong thực tế người ta thường sử dụng những loại cảm biến nhiệt độ sau:
Thermocouple, RTD, Thermistor, và các IC bán dẫn.
2.2.1Thermocoupble (cặp nhiệt điện)
Hình 2.1: Cặp nhiệt điện thực tế

2.2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý đo
Gồm 2 dây kim loại khác nhau được hàn lại ở 1 đầu được gọi là đầu nối nóng,
hai đầu còn lại gọi là đầu nối lạnh (đầu nối chuẩn).
Chương 2: Giới Thiệu Tổng Quan Về Lý Thuyết
11