ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN






ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT
NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT












Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2010
i

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN


Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2010
Giáo viên hướng dẫn

TS. Ngô Văn Thuyên

ii

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN


Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2010
Giáo viên phản biện

iii


Lời nói đầu
Cơ thể con người là một thể thống nhất gồm nhiều cơ quan và bộ phận phối hợp nhịp nhàng
với nhau để thực hiện những quá trình sinh lý hoá cần thiết cho sự sống. Điều hiển nhiên rằng
tại mọi thời điểm, cơ thể người luôn luôn điều chỉnh và cân bằng mọi thứ nhằm thích nghi với
môi trường và đảm bảo duy trì sự sống được liên tục. Thân nhiệt một người bình thường luôn
ổn định tại 37
o
C là minh chứng cụ thể cho khả năng tự điều chỉnh tuyệt vời của con người.
Tương tự như cơ thể người , trong sản xuất công nghiệp luôn luôn đòi hỏi nhiều quá trình tự
điều chỉnh và cân bằng thông số của hệ thống, trong đó có quá trình gia nhiệt cho sản phẩm.
Tuy nhiên đây không phải là quá trình tự nhiên xảy ra ngoài ý muốn chủ quan của con người
mà chịu sự chi phối trực tiếp hoặc gián tiếp từ phía người vận hành điều khiển. Trải qua gần
400 năm kể từ khi Cornelis Drebbel (người Hà Lan) phát triển hệ thống điều khiển nhiệt độ tự
động đầu tiên dùng cho lò sưởi
[3]
thì lịch sử loài người đã có dịp chứng kiến và hưởng thụ
nhiều công nghệ hiện đại được áp dụng vào mục đích kiểm soát nhiệt độ. Đi đầu về công nghệ
này vẫn thuộc về lĩnh vực điều khiển tự động. Ngày nay, loài người đã biết rất nhiều phương
pháp trên nền những giải thuật khác nhau từ đơn giản đến hiện đại và cả thông minh để kiểm
soát nhiệt độ nhưng đều phục vụ cho việc ổn định hệ thống và xa hơn nữa là cải thiện chất

lượng đáp ứng.
Việc áp dụng một phương pháp cụ thể vào môi trường công nghiệp không đơn giản như lúc
chúng ta tưởng tượng về kết quả cuối cùng. Bất kỳ một phương án nào được chọn lựa cũng
phải được xem xét dưới nhiều khía cạnh khác nhau về đặc điểm kỹ thuật, mặt tích cực và hạn
chế khi làm việc, tính khả thi khi hoạt động và cả lợi ích kinh tế lúc đưa vào vận hành… Tất
cả những vấn đề trên cần được đánh giá khách quan dựa trên cơ sở khoa học rõ ràng, đúng
đắn được thể hiện qua những phương trình toán học, biểu đồ thống kê, bảng so sánh đánh giá
và cả những thực nghiệm kiểm chứng. Một đề tài đồ án tốt nghiệp ngoài việc thực hiện những
công việc trên đây thì còn có ý nghĩa sâu sắc đối với mỗi sinh viên thực hiện. Một lần nữa
iv
sinh viên được trải nghiệm thực tế, những kiến thức học được từ ghế nhà trường sẽ giúp hình
thành những sản phẩm công nghiệp. Trong quá trình tiến hành không thể không gặp những
khó khăn vấp phải, do đó kích thích sinh viên tư duy để tìm ra phương án tối ưu và trao đổi
thảo luận lẫn nhau nhằm mục đích hình thành thói quen hợp tác làm việc nhóm và phương
pháp làm việc hiệu quả.
Sau một học kỳ tìm hiểu, nghiên cứu và thực hiện, đề tài “Xây dựng hệ thống điều khiển và
giám sát nhiệt độ lò nhiệt” đã đạt được những mục đích đề ra. Với kết quả mỹ mãn này, tôi
xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với TS. Ngô Văn Thuyên đã tận tình hướng dẫn tôi
trong suốt thời gian thực hiện đề tài.
Ngoài ra để có thiết bị và tài liệu phục vụ cho mục đích nghiên cứu một cách nhanh chóng,
quý thầy cô quản lý phòng D205 đã tạo điều kiện thuận lợi trong khoảng thời gian dài cho tôi
tiến hành nhiều thử nghiệm thực tế đạt kết quả tốt. Tôi xin chân thành cảm ơn!
Tôi cũng xin thể hiện lòng biết ơn đến các bạn sinh viên lớp 05118, khoa Điện - Điện tử
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh đã đóng góp nhiều ý kiến để tôi hoàn
thành đề tài tốt nhất có thể.
Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô cùng các bạn!

Trần Ngọc Quang Triều
v

Tóm tắt đề tài
Về phương diện vật lý, nhiệt độ là năng lượng trung bình của tất cả các phần tử tự do trong hệ
nhiệt động, đồng thời nhiệt độ cũng là đối tượng điều khiển của ngành tự động hoá. Từ nhu
cầu thực tiễn trong sản xuất công nghiệp cần một hệ thống gia nhiệt đảm bảo tính chính xác,
đáp ứng nhanh với yêu cầu và ổn định với những nhiễu động môi trường, đề tài “Xây dựng hệ
thống điều khiển và giám sát nhiệt độ lò nhiệt” đã được chọn để đáp ứng với nhu cầu đặt ra.
Dựa trên những phân tích tối ưu về đặc điểm kỹ thuật, công nghệ chế tạo, khả năng ứng dụng,
mức độ khả thi và xem xét đến kinh tế. Đề tài này đã hoàn thành với nội dung như sau: Hệ
thống thực hiện chức năng điều khiển nhiệt độ của lò nhiệt truyền nhiệt trong môi trường
không khí. Thiết bị gia nhiệt là thanh điện trở nhiệt dùng điện áp xoay chiều 220V, công suất
1000W. Cảm biến là cặp nhiệt ngẫu loại K thích hợp với môi trường công nghiệp được đọc về
bằng module chuyên dụng TC2 của hãng Panasonic. Công suất nhiệt được điều khiển tuyến
tính bởi phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) bằng PLC của hãng Panasonic. PLC
thực hiện luật điều khiển PID trong đó các thông số
DIP
TTK ,,
của thuật toán được tính tự
động nhờ vào phương pháp tự điều chỉnh (Auto-Tuning). Quá trình cài đặt nhiệt độ, giám sát
nhiệt độ được thực hiện từ máy tính thông qua các hộp thoại giao diện. Ngoài ra hoạt động
của hệ thống cũng được theo dõi qua màn hình công nghiệp HMI (Panasonic). Trong suốt thời
gian vận hành dữ liệu nhiệt độ cùng với thời gian thực luôn được cập nhật và lưu lại trên ổ
đĩa. Hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển giám sát nhiệt độ phối hợp mọi hoạt động một
cách nhịp nhàng trên cơ sở đảm bảo chức năng cơ bản của một hệ thống SCADA.



vi

Mục lục
Trang
Nhận xét của giáo viên hướng dẫn i
Nhận xét của giáo viên phản biện ii
Lời nói đầu iii
Tóm tắt đề tài v
Mục lục vi
Danh sách hình vẽ viii
Danh mục bảng biểu ix
Danh mục các từ viết tắt x

Chương 1: Mở đầu 1
1.1 Tổng quan 1
1.2 Mục tiêu, nhiệm vụ của đề tài 2
1.3 Giới hạn đề tài nghiên cứu 3
1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3
1.5 Nội dung đề tài 3

Chương 2: Tổng quan họ PLC, HMI, PCWay 5
2.1 PLC Panasonic 5
2.1.1 Giới thiệu tổng quát 5
2.1.2 Nguồn cung cấp 7
2.1.3 Vùng nhớ 8
2.1.4 Các ngõ vào, ra tín hiệu (I/O) 9
2.1.5 Module mở rộng 14
2.1.6 Các chức năng đặc biệt 15
2.1.7 Truyền thông 17
2.2 Giao diện GT32 19
2.2.1 HMI Panasonic 19
2.2.2 Chức năng của GT32 19

2.2.3 Truyền thông với GT32 19
2.2.4 Phần mềm thiết kế giao diện GTWIN 20
2.3 PCWay Error! Bookmark not defined.
2.3.1 Giới thiệu tổng quát 20
2.3.2 Chức năng điều khiển, kiểm soát PLC 20
2.3.3 Chức năng thu thập, quản lý dữ liệu 20
2.3.4 Giao diện SCADA 21


vii
Chương 3: Hệ thống điều khiển nhiệt độ 22
3.1 Sơ đồ khối của hệ thống 22
3.2 Các loại cảm biến đo nhiệt độ 23
3.2.1 Nhiệt điện trở bán dẫn 23
3.2.2 Nhiệt điện trở kim loại 24
3.2.3 Cặp nhiệt ngẫu 24
3.2.4 Vi mạch cảm biến nhiệt 25
3.2.5 Hoả kế 25
3.3 Các phương pháp điều khiển nhiệt độ 27
3.3.1 Phương pháp điều khiển ON-OFF 27
3.3.2 Phương pháp điều khiển liên tục (PWM) 28
3.4 Thuật toán điều khiển PID 29
3.4.1 Giới thiệu 29
3.4.2 Đặc trưng của các bộ điều khiển P,I,D 30
3.4.3 Điều khiển PID tương tự 34
3.4.4 Điều khiển PID số 35
3.5 Thiết kế lò nhiệt 35
3.5.1 Chọn thiết bị gia nhiệt 35
3.5.2 Chọn cảm biến 36
3.5.3 Khối điều khiển công suất 36

3.5.4 Mô hình lò nhiệt 38
3.6 Tính toán các thông số cho bộ điều khiển PID 38
3.6.1 Mô hình toán học 39
3.6.2 Tính toán chọn
DIP
KKK ,,
bằng các phương pháp Auto-Tuning 39
3.7 Hệ thống SCADA 43
3.7.1 Tổng quan hệ thống SCADA 43
3.7.2 Quy trình điều khiển nhiệt 44

Chương 4: Kết quả thực nghiệm 46
4.1 Mô hình kết nối hệ thống thực tế 46
4.2 Thông số chương trình 47
4.3 Phân tích đồ thị 48
4.4 Lưu trữ dữ liệu 52

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển đề tài 54
5.1 Kết luận 54
5.2 54

Tài liệu tham khảo 56

Phụ lục A: Chương trình PLC 57
Phụ lục B: Chương trình VBA 58

viii

Danh sách hình vẽ
Hình 2.1 PLC của hãng Panasonic 6

Hình 2.2 Cách nối nguồn cung cấp cho PLC và module mở rộng 8
Hình 2.3 Sơ đồ mạch điện ngõ vào (PLC có ngõ ra relay) 10
Hình 2.4 Sơ đồ mạch điện ngõ vào X0 ÷ X3 (PLC có ngõ ra transistor) 11
Hình 2.5 Sơ đồ mạch điện ngõ vào từ X4 (PLC có ngõ ra transistor) 11
Hình 2.6 Ngõ ra PLC kiểu relay 12
Hình 2.7 Sơ đồ mạch điện ngõ ra (Y0 ÷ Y3) kiểu transistor 13
Hình 2.8 Sơ đồ mạch điện ngõ ra (từ Y4) kiểu transistor 13
Hình 2.9 Module mở rộng (COM5) của Panasonic 15
Hình 2.10 Ứng dụng điều khiển vị trí của PLC hãng Panasonic 15
Hình 2.11 Các chế độ điều khỉên PID của PLC hãng Panasonic 16
Hình 2.12 Truyền thông Ethernet trong PLC hãng Panasonic 17
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt 23
Hình 3.2 So sánh đặc tuyến của thermistor và RTD 24
Hình 3.3 Sơ đồ khối điều khiển on-off lò nhiệt 27
Hình 3.4 Sơ đồ khối bộ hiệu chỉnh PID 29
Hình 3.5 Ảnh hưởng của khâu P đến đáp ứng ngõ ra 31
Hình 3.6 Ảnh hưởng của khâu I đến đáp ứng ngõ ra 32
Hình 3.7 Ảnh hưởng của khâu D đến đáp ứng ngõ ra 33
Hình 3.8 Sơ đồ một mạch PID tương tự điển hình dùng OpAmp 34
Hình 3.9 Rời rạc hoá tín hiệu liên tục trong điều khiển số 35
Hình 3.10 Cảm biến nhiệt (thermo-couple - cặp nhiệt ngẫu loại K ) 36
Hình 3.11 Sơ đồ mạch kích dẫn triac 37
Hình 3.12 Đồ thị kích dẫn triac 37
Hình 3.13 Mô hình lò nhiệt 38
Hình 3.14 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt 39
Hình 3.15 Mô hình hoá hệ thống lò nhiệt 39
Hình 3.16 Đáp ứng nấc của hệ vòng hở có dạng chữ S 40
Hình 3.17 Đáp ứng nấc của hệ kín khi K=K
gh
41

Hình 3.18 Hệ thống tuyến tính điều khiển bằng relay 42
Hình 3.19 Đáp ứng của hệ thống tuyến tính điều khiển bằng relay 42
Hình 3.20 Quy trình điều khiển lò nhiệt 44
Hình 3.21 Hộp thoại cài đặt quá trình nhiệt độ 45
Hình 3.22 Giao diện chính điều khiển hệ thống 45
Hình 4.1 Mô hình hệ thống điều khiển và giám sát nhiệt độ 47
Hình 4.2 Thông số
DIP
TTK ,,
sau quá trình Auto-Tuning 47
Hình 4.3 Quá trình Auto-Tuning và điều khiển PID 49
Hình 4.4 Đáp ứng tại 60
o
C, bias value bằng 0
o
C 49
Hình 4.5 Đáp ứng tại 60
o
C, bias value bằng 5
o
C 50
Hình 4.6 Đáp ứng tại 65
o
C, bias value bằng 7
o
C 51
Hình 4.7 Đáp ứng với 3 quá trình nhiệt độ khác nhau: 60
o
C, 70
o

C và 65
o
C 51
Hình 4.8 Đáp ứng với 2 quá trình nhiệt độ khác nhau: 65
o
C và 60
o
C 52

ix


Danh mục bảng biểu
Bảng 2.1 Đặc tính nguồn cung cấp cho PLC 7
Bảng 2.2 Cấu trúc vùng nhớ PLC họ C30/C60 9
Bảng 2.3 Cấu trúc vùng nhớ cho cassettes và module mở rộng 9
Bảng 2.4 Cấu trúc vùng nhớ cho module mở rộng FP0 10
Bảng 2.5 Đặc tính ngõ vào (PLC có ngõ ra relay) 11
Bảng 2.6 Sơ đồ mạch điện ngõ vào (PLC có ngõ ra transistor) 12
Bảng 2.7 Đặc tính ngõ ra PLC kiểu relay 13
Bảng 2.8 Đặc tính ngõ ra kiểu transistor (NPN) 14
Bảng 3.1 Đặc điểm kỹ thuật của các loại cặp nhiệt ngẫu 25
Bảng 3.2 So sánh đặc điểm của ba loại cảm biến nhiệt: cặp nhiệt ngẫu, nhiệt điện trở kim loại
và nhiệt điện trở bán dẫn 26
Bảng 3.3 Sự thay đổi đáp ứng ngõ ra khi tăng các hệ số
DIP
KKK ,,
33
Bảng 3.4 Thông số điều chỉnh PID dựa vào đáp ứng nấc hệ hở 41
Bảng 3.5 Thông số điều chỉnh PID dựa vào đáp ứng nấc hệ kín 41

Bảng 3.6 Bộ thông số điều chỉnh PID dựa vào phương pháp relay-feedback 43
Bảng 4.1 Dữ liệu thu thập về Excel thông qua PCWay 48
Bảng 4.2 Thông số ứng với quá trình đáp ứng quá độ của hệ thống nhiệt 50

x


Danh mục các từ viết tắt
1. HMI Human Machine Interface
2. PID Proportional Integral Derivative
3. PLC Programmable Logic Controller
4. PV Present Value
5. PWM Pulse Width Modulation
6. SCADA Supervisory Control And Data Acquisition
7. SP Setpoint
8. TC Thermo-Couple
9. VBA Visual Basic Application


1. Mở đầu 1



Chương 1
Mở đầu
Chương này trình bày vắn tắt quá trình hình thành một đề tài cũng như toàn bộ nội dung của
đề tài. Nội dung gồm các phần chính như sau: tính cấp thiết và lý do chọn đề tài; mục tiêu và
nhiệm vụ nghiên cứu; phạm vi và giới hạn nghiên cứu; ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề
tài.
1.1 Tổng quan

Việc lựa chọn một đề tài để đi vào tìm hiểu nghiên cứu không phải dựa trên cảm quan của
người thực hiện mà phải xuất phát từ nhu cầu thực tế mang tính cấp thiết, và đòi hỏi phải hiện
thực hóa bằng những sản phẩm ứng dụng cụ thể. Hơn nữa, một đề tài khả thi sẽ mang lại cảm
hứng nghiên cứu sáng tạo cho con người.
Ngày nay, các thiết bị điều khiển tự động đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong công
nghiệp. PLC thay thế các kỹ thuật điều khiển lạc hậu và phát huy hiệu quả hoạt động tối ưu
trong nhiều dây chuyền sản xuất tự động hoá. Màn hình giao diện công nghiệp (Human
Machine Interface - HMI) giúp kiểm soát hoạt động của hệ thống từ nhiều nơi khác nhau và
thân thiện với người vận hành. Theo nhu cầu thực tế, các thiết bị điều khiển phải được kết nối
với nhau thành một mạng thống nhất để chia sẻ thông tin và dữ liệu của hệ thống, đồng thời
thực hiện kiểm soát từ xa. Từ đó mạng SCADA trở thành sự lựa chọn tất yếu trong điều khiển
hiện đại.
Việc ứng dụng các thiết bị tự động nói trên vào việc điều khiển nhiệt độ đã và đang phổ biến
rộng rãi với nhiều mục đích và quy mô khác nhau. Hầu hết các ứng dụng này đều nhằm giải
1. Mở đầu 2

bài toán ổn định hệ thống với chất lượng tốt nhất bằng thuật toán PID. Tuy nhiên mức độ của
sự ổn định đến đâu, và khả năng vận dụng linh hoạt những đặc tính nổi trội của thiết bị tự
động như thế nào thì cần phải được nghiên cứu cụ thể, nghiêm túc.
Xuất phát từ nhu cầu thực tế nêu trên, tôi quyết định chọn đề tài “Xây dựng hệ thống điều
khiển và giám sát nhiệt độ lò nhiệt” để thực hiện đồ án tốt nghiệp. Đây là đề tài mang tính
công nghệ vì nghiên cứu hướng vào ứng dụng cụ thể.
1.2 Mục tiêu, nhiệm vụ của đề tài
Sau khi xác định được đối tượng và chủ thể nghiên cứu, việc xác định mục tiêu sẽ là bước
quan trọng kế tiếp nhằm định hướng đúng đắn cho quy trình thực hiện đồ án. Tiếp theo, từng
nhiệm vụ cụ thể sẽ được đề ra và thực hiện nhằm đạt được những mục tiêu đã nêu. Mục tiêu
và nhiệm vụ cụ thể được thể hiện như sau:
Mục tiêu:
Điều khiển tối ưu nhiệt độ bằng phương pháp PID sử dụng các sản phẩm tự động của
hãng Panasonic

Xây dựng hệ thống kiểm soát và thu thập dữ liệu nhiệt độ bằng việc liên kết máy tính
với PLC thông qua phần mềm PCWay
Xây dựng hệ thống có khả năng mở rộng ứng dụng, phù hợp với nhu cầu thực tế
Nhiệm vụ:
Chọn lựa cảm biến và thiết bị gia nhiệt hợp lý
Xây dựng mô hình điều khiển nhiệt
Phân tích lựa chọn giải thuật điều khiển tối ưu
Xây dựng giao diện điều khiển
Viết chương trình và thử nghiệm kiểm chứng

1. Mở đầu 3

1.3 Giới hạn đề tài nghiên cứu
Trong phạm vi đề tài này sẽ thực hiện điều khiển nhiệt độ sử dụng điện năng. Việc thu thập
dữ liệu và điều khiển giám sát bao gồm một máy tính đọc dữ liệu về thông qua một PLC và có
tương tác với một màn hình công nghiệp HMI. Hệ thống chỉ điều khiển một lò nhiệt, chưa
liên kết mạng giữa các PLC và máy tính với nhau nên quy mô còn nhỏ. Phương pháp điều
khiển chỉ dựa trên thuật toán PID, chưa sử dụng các thuật toán hiện đại như fuzzy logic và
mạng neuron. Tuy nhiên, hệ thống được xây dựng có tính mở để có thể mở rộng ứng dụng
một cách dễ dàng.
1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Việc nghiên cứu thành công đề tài mang lại nhiều ý nghĩa sâu sắc. Bất kỳ một ứng dụng hay
thử nghiệm cụ thể nào cũng dựa trên những cơ sơ lý thuyết khoa học có sẵn hay giả định khoa
học. Kết quả của đề tài này một lần nữa đã kiểm chứng được lý thuyết, chứng minh tính đúng
đắn và tính ưu việt của luật điều khiển PID, tính mở và hiện đại của hệ thống SCADA. Về
thực tiễn, sau khi nghiên cứu thành công đề tài, sinh viên là người trực tiếp thụ hưởng được
nhiều thành quả nhất. Quá trình thực hiện đề tài là một lần trải nghiệm thực tế vô cùng bổ ích.
Lý thuyết điều khiển tự động đã được củng cố thêm, bên cạnh đó môi trường công nghiệp
cũng gần gũi hơn thể hiện qua tiêu chí lựa chọn từng phương pháp và thiết bị cụ thể. Một
minh chứng rõ ràng rằng khâu tích phân (I) làm giảm thời gian tăng trưởng (nghĩa là tiết kiệm

một khoảng thời gian nhỏ bé) nhưng với hàng nghìn hàng triệu sản phẩm mỗi ngày thì bằng
phép nhân chúng ta sẽ tiết kiệm một lượng thời gian đáng kể.
1.5 Nội dung đề tài
Phần còn lại của đề tài có nội dung như sau:
Chương 2: Tổng quan họ PLC, HMI, PCWay
Giới thiệu tổng quát nhất đặc điểm kỹ thuật cũng như khả năng ứng dụng của các sản phẩm
của hãng Panasonic vào hệ thống điều khiển nhiệt.

1. Mở đầu 4

Chương 3: Hệ thống điều khiển nhiệt độ
Đây là chương trọng điểm của đồ án. Trước tiên người thực hiện phải giới thiệu về các loại
cảm biến nhiệt đang được dùng phổ biến; các phương pháp điều khiển nhiệt từ cổ điển đến
hiện đại; thuật toán điều khiển PID với đặc điểm của từng khâu riêng biệt cũng như tính ưu
việt của phương pháp này. Tiếp theo, đồ án trình bày các bước tiến hành từ thiết kế lò nhiệt
đến tính toán chọn thông số
P
K
,
I
T
,
D
T
dựa trên phương pháp Zeigler-Nichols và relay-
feedback. Phần cuối của đồ án giới thiệu về hệ thống SCADA cùng giải thuật điều khiển
chương trình trên cơ sở điều khiển thông qua mạng SCADA.
Chương 4: Kết quả thực nghiệm
Trong chương này, mọi kết quả có được từ mô hình lò nhiệt thực tế được trình bày rõ ràng
mạch lạc, theo thứ tự để đối chiếu với lý thuyết điều khiển, đồng thời đưa ra những phân tích

bình luận về kết quả đạt được.
Chương 5: Kết luận
Nêu kết luận chung về ưu điểm và hạn chế của đề tài, khẳng định những kết quả đóng góp đạt
được, đề xuất ý kiến để cải thiện khuyết điểm và hướng phát triển đề tài.
2. Tổng quan họ PLC, HMI, PCWay 5



Chương 2
Tổng quan họ PLC, HMI, PCWay
Chương này mô tả khái quát các sản phẩm của hãng Panasonic. Họ PLC FPX không những
thể hiện đầy đủ tính năng của một PLC mà còn có những đặc điểm kỹ thuật nổi trội về vùng
nhớ dữ liệu, khả năng mở rộng thêm module, chức năng truyền thông… Bên cạnh PLC, GT32
là một sản phẩm mới kiểu giao diện người máy (Human Machine Interface - HMI), đây là
màn hình công nghiệp đa màu đa chức năng được lập trình từ máy tính bằng phần mềm
chuyên dụng GTWIN tương thích với nhiều loại màn hình của các hãng khác nhau. Chương
này cũng trình bày những đặc điểm của phần mềm giám sát và thu thập dữ liệu PCWay của
Panasonic. Phần mềm này là chương trình nhúng chạy trên nền của Microsoft Excel thể hiện
đầy đủ tính năng của một phần mềm SCADA. Chương 2 được trình bày như sau: mục 2.1 giới
thiệu tổng quan về các đặc điểm của họ PLC Panasonic; màn hình giám sát công nghiệp GT32
được đề cập trong mục 2.2 và mục 2.3 trình bày tính năng của phần mềm PCWay.
2.1 PLC Panasonic
Là thiết bị logic khả trình, họ PLC FPxx của hãng Panasonic không chỉ thể hiện đầy đủ tính
năng của một PLC thương mại mà còn có những ưu điểm nổi bật cho nhiều ứng dụng trong
công nghiệp.
2.1.1 Giới thiệu tổng quát
PLC (Programmable Logic Controller hay Programmable Controller) thực chất là một máy
tính điện tử được sử dụng trong các quá trình tự động hóa trong công nghiệp; là thiết bị điều
2. Tổng quan họ PLC, HMI, PCWay 6

khiển có thể "lập trình mềm", làm việc theo chương trình lưu trong bộ nhớ (như một máy tính
điều khiển chuyên dụng). PLC thích hợp nhất cho điều khiển logic (thay thế các rơle), song
cũng có chức năng điều chỉnh (như PID, mờ, ) và các chức năng tính toán khác. Lúc đầu,
PLC chủ yếu được ứng dụng trong các ngành công nghiệp chế tạo, điều khiển các quá trình
rời rạc. Trong các hệ SCADA, PLC phát huy được nhiều ưu điểm và thế mạnh. Lịch sử phát
triển của PLC như sau:
1968: Richard Morley sáng tạo ý tưởng PLC cho General Motors
1969: PLC đầu tiên (Allen Bradley và Bedford) được GM sử dụng trong công nghiệp
ô-tô (128 DI/DO, 1kByte bộ nhớ)
1971: Ứng dụng PLC đầu tiên ngoài CN ô-tô
1976: Lần đầu tiên sử dụng trong hệ thống phân cấp điều khiển dây chuyền sản xuất
1980: Các module vào/ra thông minh
1981: PLC nối mạng, 16-bit PLC, các màn hình CRT màu
1982: PLC với 8192 I/O (lớn nhất)
1996: Slot-PLC, Soft-PLC,
Nhờ họat động theo chương trình nên PLC có thể được ứng dụng để điều khiển nhiều thiết bị
máy móc khác nhau. Chỉ cần thay đổi chương trình điều khiển và cách kết nối thì chính PLC
đó để điều khiển thiết bị, hay máy móc khác. Cũng như vậy, nếu muốn thay đổi quy luật hoạt
động của máy móc, thiết bị hay hệ thống sản xuất tự động, rất đơn giản, chỉ cần thay đổi
chương trình điều khiển. Các đối tượng mà PLC có thể điều khiển được rất đa dạng, từ máy
bơm, máy cắt, máy khoan, lò nhiệt… đến các hệ thống phức tạp như: băng tải, hệ thống
chuyển mạch tự động (ATS), thang máy, dây chuyền sản xuất v.v…

Hình 2.1 PLC của hãng Panasonic

( )
2. Tổng quan họ PLC, HMI, PCWay 7

PLC có những ưu điểm mà các bộ điều khiển cổ điển dùng dây nối và Relay không thể nào
sánh được: - Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học. - Gọn nhẹ nên thuận lợi khi di

chuyển, lắp đặt. - Dễ bảo quản, sửa chữa. - Bộ nhớ có dung lượng lớn , nạp xóa dễ dàng, chứa
được những chương trình phức tạp. - Độ chính xác cao. - khả năng xử lý nhanh. - Hoạt động
tốt trong môi trường công nghiệp. - Giao tiếp được với nhiều thiết bị, máy tính, mạng và các
thiết bị điều khiển khác.
Cùng với các hãng tự động nổi tiếng trên thế giới như: Siemens, Mitsubishi, Allen Bradley,
Omron… tập đoàn điện tử Panasonic cũng cho ra đời thế hệ PLC đầu tiên với tên CES vào
năm 2004. Với mục đích cạnh tranh trên thị trường, thế hệ PLC mới của Panasonic đã mang
đầy đủ các tính năng mà các hãng PLC khác hiện có, ngoài ra còn tích hợp một số chức năng
đặc biệt nhằm thuận lợi hơn cho các ứng dụng trong công nghiệp. Các loại PLC hiện có của
Panasonic gồm: FP0, FP1, FP2, FP3, FP10SH, FP2SH, FP-E, FP-X, FP-M, FP-Sigma. Ở
phạm vi đồ án này, người thực hiện chỉ nghiên cứu FP-X với các tính năng và ứng dụng của
FP-X.
2.1.2 Nguồn cung cấp
Giống như các loại PLC khác, FP-X cũng sử dụng bộ nguồn xung cho phép mở rộng dải điện
áp ngõ vào mà vẫn ổn định điện áp cung cấp cho PLC giúp PLC hoạt động bình thường. Các
đặc trưng của bộ nguồn FP-X cho bởi bảng 2.1.
Thông số
Chi tiết
C14
C30/C60
Dải điện áp
100 ÷ 240 VAC
Dòng tiêu thụ
≤ 0.3 A (100 VAC)
≤ 0.7 A (100 VAC)
Thời gian mất nguồn cho phép
10 ms (100 VAC)
Tần số
50/60 Hz (47 ÷ 63 Hz)
Dòng điện rò

≤ 0.75mA giữa ngõ vào và điểm nối đất
Thời gian hoạt động của pin dự trữ
20.000 giờ (tại 55
O
C)
Cầu chì bảo vệ
Gắn ở bên trong, không thể thay thế
Cách điện
Sử dụng biến áp cách ly

Bảng 2.1 Đặc tính nguồn cung cấp cho PLC
Nguồn cung cấp cho PLC được kết nối theo một số quy định của nhà sản xuất để đảm bảo sự
hoạt động ổn định của PLC:
2. Tổng quan họ PLC, HMI, PCWay 8

PLC cần dùng biến áp cách ly để tách biệt giữa phần điều khiển và các ngõ vào ra.
Ngoài ra dây nối phải là dây cáp xoắn có thiết diện nhỏ nhất là 2mm
2
(Hình 2.2). Đảm
bảo được các điều kiện này sẽ làm giảm đáng kể nhiễu cho PLC.
Cả PLC và các module mở rộng phải được cấp cùng một nguồn điện áp để khi tắt và
mở được đồng thời.

Hình 2.2 Cách nối nguồn cung cấp cho PLC và module mở rộng
Điểm nối đất của các thiết bị khác nhau phải khác nhau, nếu nối chung một điểm sẽ
dẫn tới hiệu ứng ngược, thiết diện dây nối đất nhỏ nhất là 2mm
2
và đảm bảo điện trở
đất không vượt quá 100 Ohm.
2.1.3 Vùng nhớ

Đặc điểm vùng nhớ của PLC hãng Panasonic về cơ bản giống như các loại PLC khác nhưng
có thêm các thanh ghi có chức năng đặc biệt làm đặc trưng riêng cho sản phẩm. Chi tiết được
giới thiệu cụ thể trong bảng 2.2.
Tên
Vùng nhớ (C30/C60)
Chức năng
Relay
Ngõ vào tín hiệu (X)
1760 (X0 ÷ X10F)
On/off phụ thuộc bên
ngoài
Ngõ ra điều khiển (Y)
1760 (Y0 ÷ Y10F)
Điều khiển thiết bị ngoài
Relay nội (R)
4096 (R0 ÷ R255F)
On/off từ chương trình
Relay liên kết (L)
2048 (L0 ÷ L127F)
Được sử dụng với PC link
Timer (T)
1024
T0 ÷ T1007
C1008 ÷ C1023
On khi timer đếm tràn
Counter (C)

Relay nội đặc biệt (R)
192 (R9000 ÷ R911F)
On/off với điều kiên đặc

biệt và có cờ báo hiệu
2. Tổng quan họ PLC, HMI, PCWay 9

Thanh
ghi
Ngõ vào (WX)
110 (WX0 ÷ WX109)
Dữ liệu 16 bit ngõ vào
Ngõ ra (WY)
110 (WY0 ÷ WY109)
Dữ liệu 16 bit ngõ ra
Relay nội (WR)
256 (WR0 ÷ WR255)
Dùng như tiếp điểm nội
Link relay (WL)
128 (WR0 ÷ WR127)
Dùng trong chế độ PLC
link
Thanh ghi dữ liệu
32765 word (DT0 ÷
DT32764)
Lưu dữ liệu của chương
trình
Thanh ghi dữ liệu liên
kết (LD)
256 word (LD0 ÷ LD255)
Dùng trong chế độ PLC
link
Vùng nhớ lưu giá trị
timer/counter (SV)

1024 word (SV0÷
SV1023)
Lưu giá trị cài đặt cho
timer/counter
Vùng nhớ lưu giá trị
timer/counter (EV)
1024 word (EV0÷
EV1023)
Lưu giá trị hiện tại của
timer/counter
Vùng nhớ đặc biệt
(DT)
374 word
(DT90000÷DT90373)
Lưu giá trị đặc biệt
Thanh ghi chỉ số
14 word (I0÷I13)
Được sử dụng như địa chỉ
của vùng nhớ
Bảng 2.2 Cấu trúc vùng nhớ PLC họ C30/C60
2.1.4 Các ngõ vào, ra tín hiệu (I/O)
PLC FP-X loại C30T có 16 ngõ vào (X0-XF) và 14 ngõ ra (Y0-YD). PLC FP-X cũng hỗ trợ
hai khe cắm cho hai cassettes (gồm nhiều mục đích khác nhau, được chia làm sáu loại từ
COM1 ÷ COM6 dùng cho truyền thông Modbus, RS232, RS485, các kênh analog,…). Ngoài
ra PLC còn cho phép mở rộng thêm tối đa 8 module I/O. Địa chỉ các ngõ vào ra của cassettes
và module mở rộng được cho ở bảng 2.3.

Input
Output
PLC

X0÷X9F (WX0 ÷WX9)
Y0÷Y9F (WY0 ÷WY9)
Cassette 1
X100÷X19F (WX10 ÷WX19)
Y100÷Y19F (WY10 ÷WY19)
Cassette 2
X200÷X29F (WX20 ÷WX29)
Y200÷Y29F (WY20 ÷WY29)
Module 1
X300÷X39F (WX30 ÷WX39)
Y300÷Y39F (WY30 ÷WY39)
Module 2
X400÷X49F (WX40 ÷WX49)
Y400÷Y49F (WY40 ÷WY49)
Module 3
X500÷X59F (WX50 ÷WX59)
Y500÷Y59F (WY50 ÷WY59)
Module 4
X600÷X69F (WX60 ÷WX69)
Y600÷Y69F (WY60 ÷WY69)
Module 5
X700÷X79F (WX70 ÷WX79)
Y700÷Y79F (WY70 ÷WY79)
Module 6
X800÷X89F (WX80 ÷WX89)
Y800÷Y89F (WY80 ÷WY89)
Module 7
X900÷X99F (WX90 ÷WX99)
Y900÷Y99F (WY90 ÷WY99)
Module 8

X1000÷X109F (WX100 ÷WX109)
Y1000÷Y109F (WY100 ÷WY109)
Bảng 2.3 Cấu trúc vùng nhớ cho cassettes và module mở rộng
Ở vị trí cuối cùng của đường bus mở rộng các module (tức là phần bên phải của thanh rail)
cho phép kết nối duy nhất một module mở rộng FP0, mỗi module FP0 chỉ cho phép mở rộng
2. Tổng quan họ PLC, HMI, PCWay 10

tối đa 3 module I/O. Kết quả là tuỳ vào vị trí của FP0 mà 3 module I/O sẽ có địa chỉ khác
nhau. Bảng 2.4 trình bày chi tiết về địa chỉ của 3 module này.
Vị trí khối mở rộng
Module thứ 1
Module thứ 2
Module thứ 3
1
X300 ÷ X31F
X320 ÷ X33F
X340 ÷ X35F
Y300 ÷ Y31F
Y320 ÷ Y33F
Y340 ÷ Y35F
2
X400 ÷ X41F
X420 ÷ X43F
X440 ÷ X45F
Y400 ÷ Y41F
Y420 ÷ Y43F
Y440 ÷ Y45F
3
X500 ÷ X51F
X520 ÷ X53F

X540 ÷ X55F
Y500 ÷ Y51F
Y520 ÷ Y53F
Y540 ÷ Y55F
4
X600 ÷ X61F
X620 ÷ X63F
X640 ÷ X65F
Y600 ÷ Y61F
Y620 ÷ Y63F
Y640 ÷ Y65F
5
X700 ÷ X71F
X720 ÷ X73F
X740 ÷ X75F
Y700 ÷ Y71F
Y720 ÷ Y73F
Y740 ÷ Y75F
6
X800 ÷ X81F
X820 ÷ X83F
X840 ÷ X85F
Y800 ÷ Y81F
Y820 ÷ Y83F
Y840 ÷ Y85F
7
X900 ÷ X91F
X920 ÷ X93F
X940 ÷ X95F
Y900 ÷ Y91F

Y920 ÷ Y93F
Y940 ÷ Y95F
8
X1000 ÷ X101F
X1020 ÷ X103F
X1040 ÷ X105F
Y1000 ÷ Y101F
Y1020 ÷ Y103F
Y1040 ÷ Y105F
Bảng 2.4 Cấu trúc vùng nhớ cho module mở rộng FP0
2.1.4.1 Ngõ vào tín hiệu
Ngõ vào được thiết kế với mạch ghép quang photodiode cho phép cách ly an toàn giữa tín
hiệu vào và mạch điện PLC. Hai diode quang ghép ngược nhau giúp PLC nhận được cả tín
hiệu một chiều lẫn xoay chiều.
Ngõ vào (PLC kiểu relay):
Sơ đồ mạch điện ngõ vào của PLC kiểu relay được trình bày như hình 2.3.

Hình 2.3 Sơ đồ mạch điện ngõ vào (PLC có ngõ ra relay)
2. Tổng quan họ PLC, HMI, PCWay 11

Đặc tính ngõ vào ở điện áp 24V và điều kiện nhiệt độ 25
o
C được mô tả trong bảng 2.5.
Thông số
Chi tiết
Cách ly
Bộ ghép quang
Điện áp định mức
24 VDC
Dải điện áp cho phép

21.6 ÷ 25.4 VDC
Dòng định mức
4.7mA (X0 ÷ X7)
4.3 mA (X8)
Tổng trở ngõ vào
5.1 kOhm (X0 ÷ X7)
5.6 kOhm (X8)
Thời gian đáp ứng
Off → On
≤ 0.6mS (ngõ vào mặc định)
≤ 50uS (HSC, ngắt…)
≤ 0.6mS (X8)
On → Off
≤ 0.6mS (ngõ vào mặc định)
≤ 50uS (HSC, ngắt…)
≤ 0.6mS (X8)
Bảng 2.5 Đặc tính ngõ vào (PLC có ngõ ra relay)
Ngõ vào (PLC có ngõ ra kiểu transistor):
Với PLC có ngõ ra kiểu transistor thì ngõ vào có sơ đồ kết nối khác với các loại khác ở một
vài điểm được thể hiện trong hai hình 2.4 và 2.5.

Hình 2.4 Sơ đồ mạch điện ngõ vào X0 ÷ X3 (PLC có ngõ ra transistor)

Hình 2.5 Sơ đồ mạch điện ngõ vào từ X4 (PLC có ngõ ra transistor)
2. Tổng quan họ PLC, HMI, PCWay 12

Đặc tính ngõ vào ở điện áp 24V và điều kiện nhiệt độ 25
o
C được mô tả trong bảng tóm tắt
(Bảng 2.6).

Thông số
Chi tiết
Cách ly
Bộ ghép quang
Điện áp định mức
24 VDC
Dòng điện định mức
8 mA (X0 ÷ X3)
4.7 mA (X4 ÷ X7)
4.3 mA (từ X8)
Tổng trở ngõ vào
4 kOhm (X0 ÷ X3)
5.1 kOhm (X4 ÷ X7)
5.6 kOhm (từ X8)
Đáp ứng thời gian


Off → On
X0 ÷ X3
≤ 5uS (HSC, ngắt, đếm xung)
≤ 135uS (ngõ vào mặc định)
X4 ÷ X7
≤ 135uS (ngõ vào mặc định)
≤ 50uS (HSC, ngắt, đếm xung)
Từ X8
≤ 0.6 mS
Bảng 2.6 Sơ đồ mạch điện ngõ vào (PLC có ngõ ra transistor)
2.1.4.2 Ngõ ra điều khiển
Cấu tạo ngõ ra là một trong những tiêu chí để phân loại PLC. Họ FP-X có hai dạng ngõ ra là
relay và transistor, cả hai dạng này đều có cấu tạo đảm bảo cách ly về điện giữa ngõ ra và

thiết bị bên trong. Đặc biệt với ngõ ra dạng cực thu để hở cho phép người sử dụng linh hoạt
lựa chọn điện áp cung cấp cho tải và cho phép đáp ứng với tần số cao. Bên cạnh đó, ngõ ra
dạng relay hoạt động tốt với điện áp xoay chiều, công suất lớn nhưng hạn chế về tần số đáp
ứng.
Ngõ ra dạng relay
Sơ đồ mạch điện của ngõ ra dạng relay được thể hiện như hình 2.5.

Hình 2.6 Ngõ ra PLC kiểu relay
2. Tổng quan họ PLC, HMI, PCWay 13

Đặc tính ngõ ra của PLC có ngõ ra kiểu relay được thể hiện trong bảng 2.7.
Thông số
Chi tiết
C14
C30/C60
Cách ly
Relay
Kiểu ngõ ra
Relay (không thay thế)
Dòng định mức
2 A 250 VAC, 2A 30VDC
≤ 6A
≤ 8A
Đáp ứng thời gian
Off → On
10 mS
On → Off
8 mS
Độ bền
Cơ

≥ 20 triệu lần (180 lần/phút)
Điện
100 nghìn lần (20 lần/phút)
Bảng 2.7 Đặc tính ngõ ra PLC kiểu relay
Ngõ ra kiểu transistor (NPN)
Hình 2.7 và 2.8 trình bày chi tiết sơ đồ mạch điện ngõ ra của PLC có dạng transistor. Qua đó
cho thấy được ưu điểm của ngõ ra transistor dạng cực thu để hở là có thể thay đổi điện áp
cung cấp cho tải.

Hình 2.7 Sơ đồ mạch điện ngõ ra (Y0 ÷ Y3) kiểu transistor

Hình 2.8 Sơ đồ mạch điện ngõ ra (từ Y4) kiểu transistor
2. Tổng quan họ PLC, HMI, PCWay 14

Đặc tính ngõ ra kiểu transistor (NPN) được cho bởi bảng 2.8.
Thông số
Chi tiết
Cách ly
Bộ ghép quang
Điện áp định mức
5 ÷ 24 VDC
Dải điện áp
4.75 ÷ 26.4 VDC
Dòng điện max
0.5 A
Xung dòng điện max
1.5 A
Dòng rò
≤ 1uS
Điện áp rơi khi dẫn

0.3 VDC
Đáp
ứng
thời
gian
OFF → ON
≤ 2uS (Y0 ÷ Y3) (I_tải ≥ 15mA)
≤ 20uS (C14: Y4 ÷ Y5, C30/C60: Y4 ÷ Y7) (I_tải ≥ 15 mA)
≤ 1mS (C30/C60: từ Y8)
ON → OFF
≤ 8uS (Y0 ÷ Y3) (I_tải ≥ 15mA)
≤ 30uS (C14: Y4 ÷ Y5, C30/C60: Y4 ÷ Y7) (I_tải ≥ 15 mA)
≤ 1mS (C30/C60: từ Y8)
Nguồn ngoài
Diện áp
21.6 ÷ 26.4 VDC
Dòng
điện

Y0÷Y5(Y7)
Y8 ÷ YD
Y10 ÷ Y17
Y18÷Y1D
C30
≤ 60mA
≤ 35mA


Bảng 2.8 Đặc tính ngõ ra kiểu transistor (NPN)
2.1.5 Module mở rộng

Module mở rộng là một yêu cầu cần thiết của người sử dụng để tăng số lượng ngõ vào ra tín
hiệu điều khiển, thực hiện một số chức năng chuyên biệt như: chuyển đổi số sang tương tự và
ngược lại, thu thập dữ liệu từ các loại cảm biến, trợ giúp truyền thông, phát xung PWM, bộ
đếm tốc độ cao,…
Có hai phương pháp để mở rộng module cho FP-X:
Gắn trực tiếp các module mở rộng số ngõ vào ra của PLC hay sử dụng bộ tương thích
FP0 thông qua cáp để kết nối các module analog và module đọc nhiệt độ từ TC. FP-X
cho phép mở rộng tối đa 8 module vào ra và 7 module chuyên dụng nếu dùng FP0.
Các module mở rộng phải được đặt trên cùng một thanh rail để các kết nối nguồn và
truyền thông được đảm bảo liên tục.
Sử dụng các cassettes gắn trực tiếp vào PLC. FP-X được thiết kế sẵn hai slot 1 và 2 để
cho phép tối đa 2 cassettes được gắn vào. Trước khi tháo lắp cassettes phải đảm bảo
rằng PLC đã được tắt nguồn.