nghiên cứu và ứng dụng màn hình panelview600 compactlogix trong điều khiển lò nhiệt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG MÀN HÌNH
PANELVIEW600 & COMPACTLOGIX
TRONG ĐIỀU KHIỂN LÒ NHIỆT
S

K

C

0

0

3

9

5

9

MÃ SỐ: SV2010 - 94

S KC 0 0 2 8 2 5

Tp. Hồ Chí Minh, 2010


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH

Đề tài:
NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG
MÀN HÌNH PANELVIEW 600 & COMPACTLOGIX
TRONG ĐIỀU KHIỂN LÒ NHIỆT
Mã số:

SV2010-94

Thuộc nhóm ngành : Khoa học kỹ thuật
Người chủ trì

: Phạm Quốc Đạt

Người tham gia

: Phú Anh Quốc

Đơn vị

: Khoa Điện – Điện tử

Tp Hồ Chí Minh, 02/2011

i

Tóm tắt đề tài
Trong công nghiệp, cùng với các thiết bị điều khiển của Siemens, Panasonic, Omron,
Mitsubishi, các thiết bị của Allen-Bradley cũng được sử dụng rộng rãi trong các dây
chuyền sản xuất. Đề tài sử dụng PLC CompactLogix L32E và màn hình PanelView 600
liên kết với nhau trên mạng Ethernet/IP để thực hiện điều khiển và giám sát nhiệt độ của lò
nhiệt.
PLC CompactLogix 1769-L32E của Allen-Bradley làm thiết bị điều khiển trong hệ thống.
PLC này nhận tín hiệu nhiệt độ của lò nhiệt bằng module analog 1769-IF4 và tín hiệu điều
khiển từ màn hình PanelView 600. PLC thực hiện thuật toán PID để điều khiển nhiệt độ lò
nhiệt, bằng phương pháp PWM thông qua module 1769-OB32 và mạch kích công suất.
Các thông số Kp, Ki, Kd trong thuật toán PID được lựa chọn theo ngõ ra tối ưu.
Đối tượng điều khiển của hệ thống là mô hình lò nhiệt. Mô hình lò nhiệt sử dụng điện trở
nhiệt khô 220V/1000W để gia nhiệt, truyền nhiệt trong môi trường không khí. Ngoài ra, lò
nhiệt còn có quạt làm mát. Nhiệt độ lò được đo bởi cảm biến nhiệt độ LM35, tín hiệu này
được khuếch đại và đưa vào module analog.
Màn hình PanelView 600 đóng vai trò là màn hình HMI trong hệ thống. Thông qua màn
hình này, người vận hành có thể giám sát trạng thái lò nhiệt và điều khiển lò nhiệt theo hai
chế độ: manual và automatic. Chế độ manual cho phép người vận hành nhập một giá trị bất
kỳ (từ 25OC đến 150OC). Chế độ automatic cho phép người vận hành chọn lựa một quy
trình đã định sẵn và CompactLogix sẽ thực hiện điều khiển nhiệt độ lò theo một quy trình
nhiệt độ và thời gian đã định trước.


ii

Mục lục
Tóm tắt đề tài ..................................................................................................................... i
Mục lục ............................................................................................................................. ii

Danh mục hình vẽ ............................................................................................................ iii
Danh mục các từ viết tắt ................................................................................................... iv
Chương 1: ĐẶT VẤN ĐỀ ..................................................................................................1
1.1

Đối tượng và khách thể nghiên cứu ..................................................................1

1.2

Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước .......................................................1

1.3

Những vấn đề còn tồn tại .................................................................................2

Chương 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ ...................................................................................3
2.1

Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................3

2.2

Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................3

2.3

Nội dung ..........................................................................................................4

2.3.1. Sơ đồ khối hệ thống .........................................................................................4
2.3.2. Tổng quan về mạng Ethernet/IP .......................................................................5

2.3.3. Thiết kế mô hình lò nhiệt .................................................................................7
2.3.4. Giao diện HMI ............................................................................................... 10
2.3.5. Thuật toán điều khiển lò nhiệt ........................................................................ 14
2.3.6. Sơ đồ kết nối hệ thống thực tế ........................................................................ 15
2.3.7. Phân tích đáp ứng của lò nhiệt ....................................................................... 15
2.3.8. Hoạt động của hệ thống ................................................................................. 17
2.4

Kết quả đạt được ............................................................................................ 22

2.4.1. Tính khoa học ................................................................................................ 22
2.4.2. Khả năng triển khai ứng dụng vào thực tế ...................................................... 22
2.4.3. Hiệu quả kinh tế - xã hội ................................................................................ 22
Chương 3: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 23
3.1.

Kết luận ......................................................................................................... 23

3.2.

Kiến nghị ....................................................................................................... 24

Tài liệu tham khảo ........................................................................................................... 25


iii

Danh mục hình vẽ
Hình 2.1.

Sơ đồ khối hệ thống

Hình 2.2.

Mô hình mạng ba lớp của hãng Rockwel Automation

Hình 2.3.

Liên kết thiết bị trên mạng Ethernet/IP

Hình 2.4.

Thanh phát nhiệt

Hình 2.5.

Mạch nguyên lý khối điều khiển công suất

Hình 2.6.

Đồ thị kích dẫn triac

Hình 2.7.

Cảm biến nhiệt độ LM35

Hình 2.8.

Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý tín hiệu

Hình 2.9.

Mô hình lò nhiệt

Hình 2.10. Màn hình chính của PanelView
Hình 2.11. Màn hình điều khiển trên PanelView
Hình 2.12. Màn hình điều khiển chế độ Manual trên PanelView
Hình 2.13. Màn điều khiển chế độ Automatic trên PanelView
Hình 2.14. Màn hình trạng thái trên PanelView
Hình 2.15. Màn hình cảnh báo trên PanelView
Hình 2.16. Thuật toán điều khiển lò nhiệt
Hình 2.17. Sơ đồ kết nối hệ thống thực tế
Hình 2.18. Đáp ứng nhiệt tại SP=80OC
Hình 2.19. Đáp ứng ngõ ra tại 80OC khi có giá trị bias
Hình 2.20. Đáp ứng với các giá trị setpoint thay đổi
Hình 2.21. Thiết lập chế độ manual trên PanelView
Hình 2.22. Trạng thái lò nhiệt ở chế độ manual trên màn hình PanelView
Hình 2.23. Trạng thái lò nhiệt ở chế độ manual trên SCADA
Hình 2.24. Đáp ứng ngõ ra của lò nhiệt ở chế độ manual trên SCADA
Hình 2.25. Thiết lập chế độ automatic trên PanelView
Hình 2.26. Thiết lập cho RECIPE 2 trên SCADA
Hình 2.27. Đáp ứng của lò nhiệt ở chế độ automatic
Hình 2.28. Cảnh báo trên màn hình PanelView


iv

Danh mục các từ viết tắt

1.

HMI

Human Machine Interface

2.

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers

3.

IP

Industrical Protocol

4.

ODVA

Open DeviceNet Vendors Asociation

5.

PID

Proportional Integral Derivative

6.

PLC

Programmable Logic Controller

7.

PWM

Pulse Width Modulation

8.

SCADA

Supervisory Control And Data Acquisition

9.

Tp.HCM

Thành phố Hồ Chí Minh


Chương 1: Đặt vấn đề

1

Chương 1:

ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1

Đối tượng và khách thể nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là ứng dụng màn hình PanelView và CompactLogix
trong điều khiển và giám sát nhiệt độ lò nhiệt.
Để thiết lập được ứng dụng trên màn hình PanelView và CompactLogix, đề tài cần
nghiên cứu các khách thể sau:
 Màn hình PanelView, PLC CompactLogix, mạng EtherNet/IP,
 Các phần mềm thiết lập chương trình cho PLC và màn hình như RSLink,
RSLogix5000, PanelBuilder32,
 Các linh kiện điện tử dùng để thiết lập mô hình lò nhiệt như Triac, thanh điện trở
phát nhiệt, LM35, Opamp…

1.2

Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Trong công nghiệp, cùng với các thiết bị điều khiển của Siemens, Panasonic,
Omron, Mitsubishi, các thiết bị của Allen-Bradley cũng được sử dụng rộng rãi trong
các dây chuyền sản xuất. Các thiết bị của hãng này, đặc biệt là màn hình HMI và
thiết bị điều khiển, được sử dụng trong việc thiết kế các hệ thống tự động trong
công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, cung cấp và xử lý nước, tiết kiệm năng
lượng…. Ở Việt Nam, các công ty, xí nghiệp lớn như P&G, MyLan Group, nhà máy
xi măng Hà Tiên, nhà máy nhiệt điện Bà Rịa… trang bị các dòng sản phẩm của
Allen-Bradley

(ControlLogix,

FlexLogix,

CompactLogix,

PLC5,

SLC500,

Micrologix và Panelview…) vào các dây chuyền sản xuất, tủ điều khiển một cách
phổ biến. Vì vậy, việc nghiên cứu các thiết bị điều khiển của Allen-Bradley có ý
nghĩa thực tiễn trong trong công nghiệp.
Ở các trường đại học kỹ thuật ở Việt Nam, các thiết bị điều khiển của Allen-Bradley
chưa được phổ biến trong đào tạo. Trong khuôn khổ chương trình hợp tác với các


Chương 1: Đặt vấn đề

2

trường đai học Việt Nam (UPP) của Rockwell Automation, tập đoàn này đã tài trợ
các thiết bị điều khiển, module I/O, màn PanelView, biến tần… cho phòng thí
nghiệm tự động hóa của trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM và trường Đại
học Bách Khoa Hà Nội. Vì vậy, việc nghiên cứu và ứng dụng các thiết bị này trong
điều khiển còn có ý nghĩa trong đào tạo, giúp cho sinh viên tiếp cận được với những
công nghệ mới nhất trong lĩnh vực tự động hóa.
Nhiệt độ là đại lượng quen thuộc trong sinh hoạt và công nghiệp, các giá trị nhiệt độ khác
nhau gây ra các quá trình và hiện tượng sinh, lý, hóa đặc trưng. Trong công nghệ sấy (sấy
gỗ, nông sản, hải sản, làm khô bề mặt ….) đòi hỏi nhiệt độ phải ổn định tại một điểm xác
định. Mỗi giai đoạn sấy, cần có nhiệt độ khác nhau dựa vào quá trình biến đổi sinh, lý, hóa
của nguyên liệu. Không chỉ trong công nghệ sấy, mà một số công nghệ khác cũng đòi hỏi

sự ổn định nhiệt độ khi gia nhiệt. Quá trình tự điều chỉnh của các thiết bị gia nhiệt dưới sự
chi phối của người vận hành sẽ đáp ứng yêu cầu trên trong công nghiệp. 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 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, nhiều phương pháp điều
khiển ổn định ra đời dựa trên những giải thuật khác nhau từ đơn giản đến hiện đại và cả
thông minh, tất cả đều phục vụ cho việc ổn định hệ thống và xa hơn nữa là cải thiện chất
lượng đáp ứng; ngoài ra, còn có thêm các thiết bị công nghiệp hỗ trợ cho quá trình điều
khiển và giám sát hệ thống như PLC, cảm biến, màn hình HMI, hệ thống SCADA.

1.3

Những vấn đề còn tồn tại

Tự động hóa có những bước tiến mới trong công nghệ, cụ thể là các thiết bị điều khiển của
Allen-Bradley được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, đặc biệt là các tập đoàn sản xuất
lớn. Tuy nhiên, việc trang bị các thiết bị này trong đào tạo vẫn chưa được phổ biến như
Siemens. Sinh viên vẫn chưa được tiếp xúc nhiều với những công nghệ mới này, trong đó
có màn hình PanelView.
Nhiệt độ là đối tượng điều khiển điển hình trong lý thuyết điều khiển, và là đối tượng phổ
biến trong các ngành công nghiệp. Việc xây dựng mô hình lò nhiệt phục vụ cho thí nghiệm
vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu về độ bền cơ học, thẩm mỹ, an toàn. Các chương trình
điều khiển và giám sát nhiệt độ vẫn chưa hiệu quả, khó áp dụng vào thực tiễn.


Chương 2: Giải quyết vấn đề

3

Chương 2:

GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ
Chương này sẽ trình bày mục tiêu nghiên cứu đề tài, cùng các phương pháp nghiên
cứu để đạt được mục tiêu đề ra. Sau đó, chương 2 này sẽ trình bày nội dung nghiên
cứu và kết quả đạt được của đề tài. Nội dung nghiên cứu bao gồm sơ đồ khối của hệ
thống, điều khiển hệ thống, lựa chọn linh kiện và xây dựng mô hình lò nhiệt, kết
quả thực nghiệm và hoạt động thực tế của hệ thống.

2.1

Mục tiêu nghiên cứu

Đề tài “Nghiên cứu và ứng dụng màn hình PanelView và CompactLogix trong điều khiển
và giám sát lò nhiệt” đề ra các mục tiêu nghiên cứu cần đạt được như sau:
 Điều khiển và giám sát lò nhiệt bằng bộ CompactLogix L32E và màn hình PanelView
thông qua việc xây dựng chương trình cho PLC CompactLogix và thiết lập giao diện
giữa người và máy trên màn hình PanelView.
 Nâng cao chất lượng điều khiển và giám sát nhiệt độ bằng phương pháp điều khiển PID
quen thuộc và giám sát trên màn hình HMI và SCADA,
 Giúp tiết kiệm nhân lực và tính tiện dụng bằng các chế độ vận hành.

2.2

Phương pháp nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu nghiên cứu trên, đề tài thực hiện nghiên cứu dựa vào hai phương
pháp chính, đó là:
 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết.
 Phương pháp thực nghiệm.

Hai phương pháp này được thực hiện song hành. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết làm cơ
sở cho thực nghiệm, và phương pháp thực nghiệm dùng để kiểm định lý thuyết và chọn ra
hướng giải quyết tối ưu cho hệ thống.


Chương 2: Giải quyết vấn đề

2.3

Nội dung

2.3.1.

Sơ đồ khối hệ thống

4

Hình 2.1 là sơ đồ khối của hệ thống

Hình 2.1. Sơ đồ khối hệ thống
Màn hình PanelView, PLC CompactLogix L32E và máy tính được kết nối với nhau trên
mạng EtherNet/IP qua địa chỉ IP. Màn hình PanelView thực hiện điều khiển và giám sát ở
cấp độ vận hành; còn hệ thống SCADA thiết lập trên máy tính có nhiệm vụ thu thập dữ
liệu, điều khiển và giám sát ở cấp độ quản lý công nghệ.
CompactLogix L32E kết nối với modul analog 1769-IF4 và modul digital 1769-OB32 để
điều khiển nhiệt độ lò nhiệt. Màn hình PanelView và PLC CompactLogix được liên kết và
trao đổi dữ liệu với nhau; nhờ vậy, các thông số quá trình của lò nhiệt được xử lý, lưu trữ
bởi CompactLogix và được trao đổi với màn hình PanelView để hiển thị và tác động ngõ
vào trong khi vận hành.
Ngoài ra, hệ thống SCADA được thiết lập nhờ vào phần mềm Wonderware Intouch,

Kepware và OPCLink.


Chương 2: Giải quyết vấn đề

2.3.2.

5

Tổng quan về mạng Ethernet/IP

2.3.2.1. Giới thiệu chung về mạng Ethernet
Ethernet là một chuẩn liên kết mạng máy tính, có thể áp dụng cho mạng công nghiệp, có
chuẩn quốc tế IEEE 802.3. Thông qua mạng Ethernet, người sử dụng có thể giám sát và
điều khiển từ xa, với tốc độ nhanh, ổn định, giá thành thấp.
Ngày nay, Ethernet đã trở thành công nghệ mạng cục bộ được sử dụng rộng rãi. Sau hơn
30 năm ra đời, công nghệ Ethernet vẫn đang được tiếp tục phát triển bởi những khả năng
mới, đáp ứng những nhu cầu mới và trở thành công nghệ mạng phổ biến và tiện dụng.
IEE đã phát triển chuẩn Ethernet trên nhiều công nghệ truyền dẫn khác nhau, vì thế
Ethernet được chia làm nhiều loại khác nhau. Sự phân loại này dựa trên ba yếu tố: tốc độ,
phương thức tín hiệu sử dụng và đặc tính đường truyền vật lý. Bao gồm:
 Các hệ thống Ethernet 10Mb/s: gồm các tiêu chuẩn 10Base5, 10Base2 (Thin Ethernet),
10BaseT, 10BaseF.
 Các hệ thống Ethernet 100Mb/s (Fast Ethernet): gồm các chuẩn 100BaseT, 100BaseX,
100BaseT2, 100BaseT4.
 Các hệ thống Giga Ethernet: gồm 1000BaseX (1000Base-SX, 1000Base-LX,
1000Base-CX) 1000BaseT.

2.3.2.2. Mạng Ethernet/IP
Ethernet/IP (Industrial Protocol) là một giao thức truyền thông được phát triển bởi hãng

Rockwell Automation, được thiết kế để sử dụng trong quá trình kiểm soát và các ứng dụng
tự động hóa công nghiệp được quản lý bởi ODVA (Open DeviceNet Vendors Asociation).
Công nghệ mạng này là một giao thức lớp ứng dụng và nó xem xét tất cả các thiết bị trên
mạng như là một loạt các "đối tượng".
EtherNet/IP sử dụng các cơ sở hạ tầng mạng hiện có (Ethernet) và được xây dựng trên
chuẩn TCP/IP, sử dụng tất cả 7 lớp của mô hình tham chiếu OSI.
Trong mô hình mạng ba cấp của Rockwell Automation ở hình 2.2, mạng EtherNet/IP là
lớp mạng ở cấp điều khiển và giám sát. Nó có thể liên kết các lớp mạng cấp điều khiển
(ControlNet), cấp thiết bị (DeviceNet).


Chương 2: Giải quyết vấn đề

6

Hình 2.2. Mô hình mạng ba lớp của hãng Rockwel Automation
Các thiết bị trên mạng Ethernet/IP được kết nối qua bộ Hub/Swich, và mỗi thiết bị có một
địa chỉ IP nhất định (hình 2.3).

Hình 2.3. Liên kết thiết bị trên mạng Ethernet/IP


Chương 2: Giải quyết vấn đề

2.3.3.

7

Thiết kế mô hình lò nhiệt

Lò nhiệt là đối tượng điều khiển của hệ thống, được thiết kế với công suất nhỏ. Lò nhiệt
gồm vỏ lò, thiết bị phát nhiệt, mạch công suất, cảm biến nhiệt độ, mạch đo nhiệt độ, quạt,
khối nguồn.

2.3.3.1. Thiết bị phát nhiệt
Lò nhiệt dùng thanh điện trở nhiệt khô 220VAC/ 1000W (hình 2.4) làm thiết bị phát nhiệt
trong môi trường không khí. Thanh có hình chữ U, dài 250mm, có các cánh tản nhiệt xung
quanh giúp cho quá trình tỏa nhiệt nhanh và hiệu quả hơn.

Hình 2.4. Thanh phát nhiệt

2.3.3.2. Khối điều khiển công suất
Tín hiệu điều khiển (PWM) từ khối điều khiển PLC được tính toán bởi thuật toán PID có
công suất nhỏ và không tương thích với điện áp dùng cho thanh phát nhiệt. Vì thế, khối
điều khiển công suất có nhiệm vụ dùng tín hiệu này để điều khiển và khống chế tín hiệu
khác có công suất cao hơn, tương thích thanh phát nhiệt, và cách ly giữa khối điều khiển và
khối công suất. Hai linh kiện điện tử chính dùng để thực hiện hai nhiệm vụ trên là triac
BTA12 và opto-diac MOC3020.

J1

1
2

M OC3020

1

6

R1 360

R2 470
1
2
C1
503

R3
39

2
Q1

AC220

Q2
4

CONTROL

BTA12

C2
103

J3

J2
1

2

LOAD

Hình 2.5. Mạch nguyên lý khối điều khiển công suất


Chương 2: Giải quyết vấn đề

8

Hình 2.5 là sơ đồ mạch điều khiển triac BTA12 được kích dẫn trực tiếp từ opto-diac
MOC3020 cho phép dẫn cả hai bán kỳ. J1 là tín hiệu lấy trực tiếp từ ngõ ra của PLC, J2 là
ngõ ra của tải được nối tiếp với BTA12 được cung cấp bởi nguồn điện xoay chiều từ J3.
Với điện áp xoay chiều 220V/ 50Hz, cứ 1s sẽ có 50 chu kỳ điện áp dẫn qua triac. Kích dẫn
triac bằng xung PWM là điều khiển số chu kỳ điện áp qua triac (hình 2.6), nhờ đó mà khối
PLC điều khiển được công suất nhiệt. Công thức tính công suất nhiệt ứng với chu kỳ xung
PWM là 1s theo công thức (2.1).

% Pnhiet  duty 

TON
T
n
 100  ON  100   100
TON  TOFF
T
50

(2.1)

Trong đó n là số chu kỳ được dẫn qua BTA12

Hình 2.6. Đồ thị kích dẫn triac

2.3.3.3. Mạch đo nhiệt độ
Mạch đo nhiệt độ có chức năng biến đổi tín hiệu nhiệt độ thành tín hiệu điện áp phù hợp
với ngõ vào của module analog. Mạch này gồm 2 phần: cảm biến nhiệt độ và mạch xử lý
tín hiệu.
Sau khi xem xét các đặc điểm kỹ thuật của hệ thống, đề tài chọn LM35 (hình 2.7) làm cảm
biến nhiệt độ của hệ thống. LM35 là biến biến nhiệt phổ biến trên thị trường với nhiều ưu
thế như: giá thành thấp, được sử dụng rộng rãi nên dễ dàng thay thế, kích thước nhỏ gọn
nên dễ dàng đo được nhiệt độ ở những nơi nhỏ hẹp, dải đo phù hợp với các ứng dụng nhỏ
(-55OC÷150OC), dễ dàng xử lý tín hiệu điện áp ngõ ra (độ nhạy tuyến tính là 10mV/OC).


Chương 2: Giải quyết vấn đề

9

Hình 2.7. Cảm biến nhiệt độ LM35
Mạch xử lý tín hiệu gồm mức khâu điều chỉnh điện áp offset, khâu dịch và khâu khuếch
đại tín hiệu. Sơ đồ mạch như hình 2.8 cảm biến LM35 được gắn ở ngõ vào J1 và ngõ ra J2
được kết nối với module analog.

Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý tín hiệu
Nhiệt độ lò cần đo từ 0OC÷150OC, tương ứng với ngõ ra LM35 từ 0V÷1.5V. Mức điện áp
này chưa phù hợp thang điện áp ngõ vào của module analog EM231 (được chọn là
0÷10V), vì vậy tín hiệu cần được khuếch đại với hệ số khuếch đại được tính như công thức
3.6.

=

×

=

×

/

≅ 6.67 lần

(2.2)


Chương 2: Giải quyết vấn đề

10

2.3.3.4. Mô hình lò nhiệt
Lò nhiệt được làm từ nhựa tổng hợp, bên trong có lớp thiếc cách nhiệt, vì vậy lò có khả
năng cách điện và cách nhiệt tốt. Lò có kích thước 320×250×180 (mm), được chia làm 2
phần bằng nhựa tổng hợp: một phần chứa các mạch nguồn, mạch khuếch đại, rơle, một
phần chứa thanh phát nhiệt, quạt và cảm biến. Phần chứa mạch điện (220×220×150 (mm))
có quạt hoạt động liên tục trong khi mở lò để giảm nhiễu nhiệt. Phần chứa thanh phát nhiệt
(60×220×150 (mm)) được gắn thêm 2 quạt để giúp quá trình hạ nhiệt nhanh hơn, hai quạt
này sẽ hoạt động khi nhiệt độ lò lớn hơn nhiệt độ đặt.
Hình 2.9 là hình chụp vỏ ngoài của lò nhiệt mặt trước và mặt sau.

Hình 2.9. Mô hình lò nhiệt

2.3.4.

Giao diện HMI

Màn hình PanelView được thiết kế bằng phần mềm Panel Builder, và dùng cho cấp vận
hành. Thông qua màn hình này, người vận hành có thể điều khiển nhiệt độ lò nhiệt theo hai
chế độ manual và automatic. Ngoài ra, qua màn hình trạng thái, người vận hành cũng có
thể giám sát trạng thái của lò nhiệt. Đồng thời, các sự cố và cảnh báo trạng thái của lò nhiệt
cũng được thể hiện qua chức năng alarm của màn hình PanelView. Các màn hình được
thiết kế phù hợp và thuận lợi cho người vận hành.
Màn hình chính (hình 2.10) hiển thị tên của hệ thống, có các nút chuyển màn hình đến màn
hình điều khiển và màn hình trạng thái.


Chương 2: Giải quyết vấn đề

11

Hình 2.10. Màn hình chính của PanelView
Màn hình điều khiển (hình 2.11) cho người vận hành chọn chế độ vận hành “Manual” hoặc
“Automatic”. Nút “STOP” cho phép lò nhiệt ngừng hoạt động, quạt sẽ ngừng hoạt động
khi nhấn nút này (ngay cả khi nhiệt độ lò lớn hơn nhiệt độ đặt).

Hình 2.11. Màn hình điều khiển trên PanelView
Màn hình điều khiển chế độ “Manual” (hình 2.12) cho phép người vận hành nhập giá trị
nhiệt độ mong muốn. Chế độ này bắt đầu hoạt động khi nhấn nút “START”

Chương 2: Giải quyết vấn đề

12

Hình 2.12. Màn hình điều khiển chế độ Manual trên PanelView
Màn hình điều khiển chế độ Automatic (hình 2.13) cho phép người vận hành chọn lựa
các quy trình đã định sẵn. Chế độ này bắt đầu hoạt động khi nhấn “START”. Các nút
“STOP” ở hai chế độ này dùng để dừng hoạt động của lò nhiệt. Tuy nhiên, quạt vẫn
hoạt động khi nhiệt độ lò lớn hơn nhiệt độ đặt.

Hình 2.13. Màn điều khiển chế độ Automatic trên PanelView
Màn hình trạng thái (hình 2.14) cho phép người vận hành giám sát trạng thái lò nhiệt
(nhiệt độ đặt, nhiệt độ lò, trạng thái quạt, thanh phát nhiệt, chế độ hoạt động).


Chương 2: Giải quyết vấn đề

13

Hình 2.14. Màn hình trạng thái trên PanelView
Màn hình cảnh báo (hình 2.15) hiển thị các cảnh báo như: nhiệt độ lò quá cao, giá trị nhiệt
độ đặt không phù hợp, hoàn tất quy trình ở chế độ tự động ….

Hình 2.15. Màn hình cảnh báo trên PanelView


Chương 2: Giải quyết vấn đề

2.3.5.

14

Thuật toán điều khiển lò nhiệt

Bộ điều khiển CompactLogix làm hai nhiệm vụ chính: điều khiển nhiệt độ lò nhiệt và giao
tiếp với máy tính, màn hình PanelView để giao tiếp với người dùng. Bộ điều khiển nhận
tín hiệu ngõ vào từ máy tính (các thông số chế độ automatic), màn hình PanelView (các
nút nhấn điều khiển, chọn chế độ…), module analog 1769-IF4 và xuất tín hiệu điều khiển
cho khối điều khiển công suất thông qua module 1769-OB32.
Hình 2.16 là lưu đồ thuật toán điều khiển cho PLC 1769-L32E. Thuật toán này được thể
hiện bằng ngôn ngữ ladder trong chương trình chính (main program). Ngoài ra, chương
trình điều khiển còn có các chương trình con: Manual mode, Alarm, Auto mode, PID
process & PWM.

Hình 2.16. Thuật toán điều khiển lò nhiệt


Chương 2: Giải quyết vấn đề

2.3.6.

15

Sơ đồ kết nối hệ thống thực tế

Các thành phần của hệ thống mạng được kết nối thực tế như hình 2.17. Vị trí và tên gọi của
từng khối chức năng được thể hiện rõ trong hình.

Hình 2.17. Sơ đồ kết nối hệ thống thực tế

2.3.7.

Phân tích đáp ứng của lò nhiệt

Một trong những bước quan trọng trong việc thiết kế hệ thống là phân tích đáp ứng. Thông
thường có hai cách chính để đánh giá đồ thị là so sánh những lần thí nghiệm kế tiếp nhau
trên cùng một hệ thống hoặc đối chiếu giữa kết quả thực tiễn với lý thuyết. Thông qua việc
phân tích đáp ứng, ta có thể chọn ra được bộ tham số PID theo đáp ứng ngõ ra tối ưu. Đề
tài chọn bộ ba tham số PID như sau: Kp=75, Ki=0.00008, Kd=50. Bộ ba tham số này ảnh
hưởng đến đáp ứng nhiệt ngõ ra thông qua việc tác động đến duty cycle của PWM.
Tại nhiệt độ đặt 80OC, đáp ứng ngõ ra như hình 2.18. Thời gian tăng trưởng là 100s, vọt lố
3OC, không có sai số xác lập.


Chương 2: Giải quyết vấn đề

16

Hình 2.18. Đáp ứng nhiệt tại SP=80OC
Đáp ứng nhiệt ngõ ra sẽ được cải thiện vọt lố khi đặt nhiệt độ ban đầu SP’ lân cận giá trị
SP (SP’Hình 2.19 là đáp ứng nhiệt tại 80OC khi giá trị đặt ban đầu là 70OC. Độ vọt lố được cải
thiện đáng kể. Tuy nhiên, thời gian tăng trưởng tăng lên 240s, làm cho thời gian xác lập
tăng lên.

Hình 2.19. Đáp ứng ngõ ra tại 80OC khi có giá trị bias


Chương 2: Giải quyết vấn đề

17

Do cấu trúc của lò nhiệt, đáp ứng nhiệt khi giảm nhiệt độ sẽ chậm hơn so với khi tăng nhiệt
độ. Đồ thị hình 2.20 cho thấy nhiệt độ giảm từ 100OC xuống 50OC cần đến 150s.

Hình 2.20. Đáp ứng với các giá trị setpoint thay đổi
Qua quá trình thực nghiệm, dựa trên đáp ứng ngõ ra tối ưu đối với lò nhiệt, bộ ba tham số
PID được chọn là: Kp=75, Ki=0.00008, Kd=50. So với các bộ tham số đã thiết lập trong quá
trình thực nghiệm, bộ tham số này điều khiển ngõ ra tối ưu nhất trong khoảng nhiệt độ đo
của lò là 0OC đến 1500C, cải thiện hơn về độ vọt lố, thời gian tăng trưởng, khắc phục sai số
xác lập. Tuy nhiên, do bộ ba tham số này vẫn làm cho đáp ứng có vọt lố, đáp ứng chậm với
quá trình giảm nhiệt.

2.3.8.

Hoạt động của hệ thống

Sau khi xây dựng hệ thống, hệ thống hoạt động ổn định và tiện lợi. Hệ thống được thiết kế
hoạt động theo hai chế độ manual và automatic. Cả hai chế độ này đều được người vận
hành thực hiện điều khiển và giám sát trên màn hình PanelView. Khi muốn hoạt động một
chế độ nào đó, người vận hành cần dừng chế độ còn lại trước bằng các nút “STOP” ở màn
hình Manual Mode, Automatic Mode và Control Screen.
Hình 2.21 là màn hình PanelView khi thiết lập chế độ manual tại SP=80OC


Chương 2: Giải quyết vấn đề

18

Hình 2.21. Thiết lập chế độ manual trên PanelView

Sau khi đặt nhiệt độ mong muốn, nhấn nút “START” để hệ thống hoạt động. Màn hình
PanelView khi giá trị đạt đến xác lập như hình 2.22.

Hình 2.22. Trạng thái lò nhiệt ở chế độ manual trên màn hình PanelView


Chương 2: Giải quyết vấn đề

19

Trên màn hình SCADA có thể quan sát trạng thái của lò nhiệt và thông số điều khiển PID
như hình 2.23.

Hình 2.23. Trạng thái lò nhiệt ở chế độ manual trên SCADA
Tại chức năng “TREND”, người giám sát có thể quan sát đáp ứng ngõ ra như hình 2.24.

Hình 2.24. Đáp ứng ngõ ra của lò nhiệt ở chế độ manual trên SCADA