ứng dụng mạng plc trong điều khiển và giám sát lò nhiệt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ SÀI GÒN
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ỨNG DỤNG MẠNG PLC TRONG ĐIỀU
KHIỂN VÀ GIÁM SÁT LÒ NHIỆT

GVHD: THS.TRẦN VĂN LỢI
SVTH:

HỒ VĂN HẠNH
ĐÀO CÔNG DŨNG

TP.Hồ Chí Minh


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
NGÀNH ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ỨNG DỤNG MẠNG PLC TRONG ĐIỀU
KHIỂN VÀ GIÁM SÁT LÒ NHIỆT

GVHD: THS.TRẦN VĂN LỢI
SVTH:

HỒ VĂN HẠNH

1

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp gặp rất nhiều khó khăn, nhưng
được sự giúp đỡ chúng em đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp này.
Chúng em xin chân thành cám ơn sự giúp đỡ tận tình của Giáo Viên Hướng Dẫn.
Thầy Thạc Sĩ TRẦN VĂN LỢI đã hướng dẫn chúng em.
Chúng em xin chân thành cám ơn các Thầy Cô KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ và các
Thầy Phòng Thí Nghiệm điều khiển tự động đã hướng dẫn chúng em, tạo cơ sở vật
chất, điều kiện thuận lợi để chúng em làm tốt nhiệm vụ này.
Dù đã cố gắng thực hiện nhưng do kiến thức chuyên môn chưa vững chắc, việc
tìm hiểu chưa sâu nên chắc sẽ có nhiều thiếu sót và hạn chế. Chúng em mong nhận
được sự đánh giá, đóng góp ý kiến để chúng em có thể làm tốt hơn.
Cuối cùng một lần nữa chúng em xin gửi đến Thầy, THS.TRẦN VĂN LỢI lời
cám ơn sâu sắc, lời chúc sức khỏe, hạnh phúc trong cuộc sống.
Chúng em xin chân thành cám ơn !


2

TÓM TẮT ĐỀ TÀI
Như chúng ta biết, nhiệt độ là một trong những thành phần vật lý rất quan trọng. việc
thay đổi nhiệt độ của một vật chất ảnh hưởng rất nhiều đến cấu tạo, tính chất, và các đại lượng
vật lý khác của vật chất. ví dụ, sự thay đổi nhiệt độ của một chất khí sẽ làm thay đổi thể tích, áp
suất của chất khí trong bình. Vì vậy, trong nghiên cứu khoa học, trong công nghiệp và đời sống
sinh hoạt, thu thập các thông số và điều khiển nhiệt độ là điều rất cần thiết.
Trong lò nhiệt, máy điều hòa, máy lạnh hay ca trong lò viba, điều khiễn nhiệt độ là tính
chất quyết định cho sản phẩm ấy. trong ngành luyện kim, cần phai đạt đến một nhiệt độ nào đó
để kim loại nóng chảy, và cũng cần đạt một nhiệt độ nào đó dể cho kim loại nhằm đạt được tốt
các đặc tính cơ học như độ bền, độ dẻo, độ chống rỉ sét….

Trong ngành thực phẩm cần duy trì một nhiệt độ nào đó để nướng bánh, để nấu, để bảo
quản,… Việc thay đổi thất thường nhiệt độ không chỉ gây hư hại đến chính thiết bị đang hoạt
động, còn ảnh hưởng đến quá trình sản xuất, ngay cả trên chính sản phẩm đó.
Có nhiều phương pháp điều khiển nhiệt độ lò nhiệt. Mỗi phương pháp đều mang đến một kết
quả khác nhau thông qua những phương pháp điều khiển khác nhau như điều khiển ON- OFF
điều khiển bằng khâu tỉ lệ, điều khiển bằng khâu vi phân PD, điều khiển PID số.
Với đề tài:” ỨNG DỤNG MẠNG PLC TRONG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT LÒ
NHIỆT “ chúng em sử dụng phương pháp điều khiển ON- OFF để điều khiển lò nhiệt. Nhiệt độ
của lò được cảm biến PT100 nhận tín hiệu, sau đó được khuếch đại thông qua bộ khuếch đại
thành điện áp chuẩn từ 0 – 5v. Tín hiệu điện áp này được truyền đến ngõ vào analog của PLC 1
xử lí và tín hiệu ngõ ra của PLC 1 sẽ qua relay bán dẫn SSR để điều khiển đóng / ngắt dòng
điện cấp cho lò nhiệt tắt hoặc mở với mức nhiệt độ ta cài đặt.
Nếu khi lò nhiệt có nhiệt độ nhỏ hơn giá trị nhiệt độ đặt, bộ nhiệt độ sẽ bật lên với công
suất cực đại. Khi lò nhiệt có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ đặt, bộ nhiệt sẽ tắt lò.Song đó tín hiệu
nhiệt cũng được truyền đến PLC 2 qua bộ chuyển mạch với ngõ ra là sáng hoặc tắt đèn tùy theo
cài đặt. Chẳng hạn như nhiệt độ gửi về là 50°C thì đèn 1 sáng, gửi về 70°C thì đèn 2 sáng,
90°C thì đèn 3 sáng.
Luận văn tốt nghiệp gồm 5 chương:
Chương 1: Giới thiệu.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết.
Chương 3: Thiết kế và thi công.
Chương 4: Kết quả và biện luận.
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển.


3

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN.........................................................................................................................................i

TÓM TẮT ĐỀ TÀI................................................................................................................................ii
MỤC LỤC.............................................................................................................................................iii
CHƯƠNG 1:GIỚI THIỆU....................................................................................................................1
1.1.

ĐẶT VẤN ĐỀ:......................................................................................................................1

1.2.

MỤC TIÊU:...........................................................................................................................1

1.3.

PHẠM VI:..............................................................................................................................2

CHƯƠNG 2:CƠ SỞ LÝ THUYẾT.......................................................................................................3
2.1.GIỚI THIỆU VỀ PLC S7-1200 :................................................................................................3
2.1.1. Các module trong hệ PLC S7-1200 :..................................................................................4
2.1.2.Module xuất nhập tín hiệu tương tự:.................................................................................5
2.1.3.Module truyền thông...........................................................................................................5
2.2. PHẦN MỀM TIA PORTAL :.....................................................................................................5
2.2.1.Giao thức TCP / IP :............................................................................................................6
2.3.BỘ CHUYỂN MẠCH VÀ CÁP TRUYỀN THÔNG:...............................................................6
2.3.1.BỘ CHUYỂN MẠCH:........................................................................................................6
2.3.2.CÁP TRUYỀN THÔNG: ( RJ 45 )......................................................................................7
3. LÒ NHIỆT, CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ VÀ BỘ TRANDUCER:...................................................9
3.1.LÒ NHIỆT:............................................................................................................................9
3.2. CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ: ( RTD )..........................................................................................9
3.2.1.CẢM BIẾN PT100 :.........................................................................................................10
3.3.BỘ TRANSMITTER:...............................................................................................................12

3.3.1. IC XTR 105 VÀ RCV 420 :.............................................................................................12
4.CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ:..................................................................14
4.1.PHƯƠNG PHÁP ON- OFF:.................................................................................................14
4.2.PHƯƠNG PHÁP PID:.........................................................................................................14
5. Solid State Relay: (SSR )............................................................................................................15
CHƯƠNG 3:THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG...........................................................................................17
3.1.XÂY DỰNG MÔ HÌNH: (hình 12 ).........................................................................................17
3.2.TRANSMITTER:(BỘ CHUYỂN ĐỔI)...................................................................................18


4
3.3.SƠ ĐỒ KẾT NỐI:.....................................................................................................................20
3.3.1.SƠ ĐỒ KẾT NỐI PLC 1:.......................................................................................................20
3.3.2.SƠ ĐỒ KẾT NỐI PLC 2:.......................................................................................................20
3.4.CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VỚI TIA PORTAL V11:....................................................21
3.5..KHAI BÁO ĐỊA CHỈ IP , RESET ĐỊA CHỈ IP VÀ KẾT NỐI VỚI MÁY TÍNH:...............24
3.5.1.KHAI BÁO ĐỊA CHỈ IP :.................................................................................................24
3.5.2. RESET ĐỊA CHỈ IP :........................................................................................................28
3.6.TRUYỀN THÔNG GIỮA PLC VÀ PLC :...............................................................................29
3.7.CODE:........................................................................................................................................31
3.7.1.CHƯƠNG TRÌNH PLC 1:................................................................................................31
3.7.2.CHƯƠNG TRÌNH PLC 2:................................................................................................33
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN........................................................................................34
4.1.KẾT QUẢ:.................................................................................................................................34
4.2.BIỆN LUẬN:.............................................................................................................................36
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN................................................................37
5.1.KẾT LUẬN:..............................................................................................................................37
5.2.HƯỚNG PHÁT TRIỂN:...........................................................................................................37
PHỤ LỤC 1..........................................................................................................................................39
PHỤ LỤC 2..........................................................................................................................................44

TÀI LIỆU THAM KHẢO:..............................................................................................................44


5


1

CHƯƠNG 1:GIỚI THIỆU
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ:
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 nhà
thiết kế máy và điều khiển nhiệt độ trở thành một trong những mục tiêu của ngành diều
khiển tự động. trong nhiều lĩnh vực của 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, công nghiệp chế tạo động cơ đốt trong.
Xuất phát từ nhu cầu thực tế và để tìm hiểu, làm quen với PLC, nhóm chúng em
chọn đề tài:” ỨNG DỤNG MẠNG PLC TRONG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT LÒ
NHIỆT ”(dùng S7-1200 của Siemens sản xuất) để làm đồ án tốt nghiệp, để hiểu biết thêm về
PLC trong giám sát và điều khiển lò nhiệt.
Nhiệt độ được cập nhật bởi 1 thiết bị cảm biến nhiệt độ là PT100, sau đó qua bộ
chuyển đổi tín hiệu Transmitter với chuẩn điện áp từ 0 – 5v . Tín hiệu đó đưa đến PLC 1 xử
lí. Tín hiệu nhiệt độ mà PLC 1 nhận được thông qua bộ chuyển mạch sẽ được gửi đến PLC 2
để điều khiển lò nhiệt bằng cách đóng / ngắt dòng điện cung cấp cho lò nhiệt.

1.2. MỤC TIÊU:
Thiết kế và thi công mô hình lò nhiệt .
Tìm hiểu cảm biến nhiệt PT100, bộ TRANDUCER trong điều khiển đo nhiệt độ.

Kết nối truyền thông 2 PLC, từ đó điều khiển và giám sát lò nhiệt.
Viết chương trình điều khiển lò nhiệt
Điều khiển lò nhiệt theo phương pháp ON /OFF.


2

1.3. PHẠM VI:
Đối tượng nghiên cứu là hệ thống lò nhiệt, nguyên lý hoạt động, tính năng của PLC
S7-1200 do Siemens sản xuất, cảm biến nhiệt độ PT100, bộ Transmitter, tìm hiểu về phần
mềm TIA PORTAL V11, ngôn ngữ lập trình LAD , cách truyền và trao đổi dữ liệu giữa 2
PLC. Từ đó xây dựng mô hình thực tế điều khiển lò nhiệt thông qua PLC S7-1200 và giám
sát qua máy tính theo sơ đồ khối sau:(hình 1)

Hình 1.Sơ đồ khối


3

Hình 1.Sơ đồ khối

CHƯƠNG 2:CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1.GIỚI THIỆU VỀ PLC S7-1200 :
Năm 2009, Siemens ra dòng sản phẩm S7-1200 dùng để thay thế dần cho S7-200.
PLC S7-1200 bao gồm các họ CPU 1211C, 1212C, 1214C. Mỗi loại CPU của PLC S7-1200
có đặc điểm và tính năng khác nhau, thích hợp cho từng ứng dụng của khách hàng So với
S7-200 thì S7-1200 có những tính năng nổi trội (hình 2):

4

Hình 2

S7- 1200 là một dòng của bộ điều khiển logic lập trình (PLC) có thể kiểm soát nhiều
ứng dụng tự động hóa. Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, một tập lệnh mạnh làm cho chúng ta
có những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng với S7-1200.
S7- 1200 bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợp sẵn, các
đầu vào/ra (DI/DO).
Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU và chương trình
điều khiển:
Tất cả các CPU đều cung cấp bảo vệ bằng password chống truy cập vào PLC.
Tính năng “know-how protection” để bảo vệ các block đặc biệt của mình.
S7-1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP. Ngoài ra
bạn có thể dùng các module truyền thong mở rộng kết nối bằng RS485 hoặc S232.
Phần mềm dùng để lập trình cho S7-1200 là Step7 Basic. Step7 Basic hỗ trợ ba ngôn
ngữ lập trình là FBD, LAD và SCL. Phần mềm này được tích hợp trong TIA Portal 11 của
Siemens.
Vậy để làm một dự án với S7-1200 chỉ cần cài TIA Portal vì phần mềm này đã bao
gồm cả môi trường lập trình cho PLC và thiết kế giao diện HMI.
Cổng truyền thông Profinet (Ethernet) được tích hợp sẵn trên PLC S7-1200:
Dùng để kết nối máy tính, với màn hình HMI hay truyền thông PLC-PLC.
Dùng kết nối với các thiết bị khác có hỗ trợ chuẩn Ethernet mở.
Tốc độ truyền 10/100 Mbits/s
Hỗ trợ 16 kết nối ethernet
TCP/IP, ISO on TCP, và S7 protocol.
Các tính năng về đo lường, điều khiển vị trí, điều khiển quá trình của PLC S7-1200:


5

6 bộ đếm tốc độ cao (high speed counter) dùng cho các ứng dụng đếm và đo nhiệt độ
2 ngõ ra PTO 100kHz để điều khiển tốc độ và vị trí động cơ bước hay bộ lái servo.
Ngõ ra điều rộng xung PWM, điều khiển tốc độ động cơ, vị trí valve:
16 bộ điều khiển PID với tính năng tự động xác định thông số.
Mở rộng tín hiệu vào/ra bằng board tín hiệu mở rộng (signal board), gắn trực tiếp
phía trước CPU, giúp mở rộng tín hiệu vào/ra mà không thay đổi kích thước hệ điều khiển.
Mỗi CPU của PLC S7-1200 có thể kết nối 8 module mở rộng tín hiệu vào/ra
Ngõ vào analog 0-10V được tích hợp trên CPU.
Board tín hiệu của PLC S7-1200 : Gồm các board:
1 cổng tín hiệu ra analog 12 bit (+- 10VDC, 0-20mA).
2 cổng tín hiệu vào + 2 cổng tín hiệu ra số, 0.5A.
2.1.1. Các module trong hệ PLC S7-1200 :
Các module CPU khác nhau có hình dạng, chức năng, tốc độ xử lý lệnh, bộ nhớ
chương trình khác nhau.PLC S7-1200 có rất nhiều loại, ở đây ta chỉ tìm hiểu về module
1214C CPC DC/DC/DC :

2.1.2.Module xuất nhập tín hiệu tương tự:


6

2.1.3.Module truyền thông

2.2. PHẦN MỀM TIA PORTAL :
Để lập trình SIMATIC S7-1200 từ PC hay Laptop cần một kết nối TCP/IP
Để PC và SIMATIC S7-1200 có thể giao tiếp với nhau, điều quan trọng là các địa
chỉ IP của cả hai thiết bị phải phù hợp với nhau.

2.2.1.Giao thức TCP / IP :

Giao thức TCP/IP được phát triển từ mạng ARPANET và Internet và được dùng như
giao thức mạng và vận chuyển trên mạng Internet. TCP (Transmission Control Protocol) là
giao thức thuộc tầng vận chuyển và IP (Internet Protocol) là giao thức thuộc tầng mạng của
mô hình OSI. Họ giao thức TCP/IP hiện nay là giao thức được sử dụng rộng rãi nhất để liên
kết các máy tính và các mạng.
Hiện nay các máy tính của hầu hết các mạng có thể sử dụng giao thức TCP/IP để liên
kết với nhau thông qua nhiều hệ thống mạng với kỹ thuật khác nhau. Giao thức TCP/IP thực
chất là một họ giao thức cho phép các hệ thống mạng cùng làm việc với nhau thông qua việc
cung cấp phương tiện truyền thông liên mạng.
Nhiệm vụ chính của giao thức IP là cung cấp khả năng kết nối các mạng con thành
liên kết mạng để truyền dữ liệu, vai trò của IP là vai trò của giao thức tầng mạng trong mô
hình OSI. Giao thức IP là một giao thức kiểu không liên kết (connectionlees) có nghĩa là
không cần có giai đoạn thiết lập liên kết trước khi truyền dữ liệu.
TCP/IP là một hệ thống (hoặc bộ) giao thức, và một giao thức là một hệ thống các
quy định và thủ tục. Đại đa số phần cứng và phần mềm giúp máy tính tham gia quá trình


7

trao đổi thông tin đều thực hiện các quy chuẩn của TCP/IP - người sử dụng không cần phải
biết chi tiết các quy chuẩn này. Tuy nhiên, một nền tảng kiến thức về TCP/IP sẽ rất cần thiết
nếu bạn muốn thiết lập cấu hình cũng như giải quyết các sự cố khi làm việc với mạng
TCP/IP.
Trước khi xem xét các thành phần của TCP/IP, chúng ta nên bắt đầu bằng cách tìm
hiểu qua nhiệm vụ của một hệ thống giao thức. Một hệ thống giao thức như TCP/IP phải
đảm bảo khả năng thực hiện những công việc sau:
- Cắt thông tin thành những gói dữ liệu để có thể dễ dàng đi qua bộ phận truyền tải trung
gian.
- Tương tác với phần cứng của adapter mạng.
- Xác định địa chỉ nguồn và đích: Máy tính gửi thông tin đi phải có thể xác định được nơi

gửi đến. Máy tính đích phải nhận ra đâu là thông tin gửi cho mình.
- Định tuyến: Hệ thống phải có khả năng hướng dữ liệu tới các tiểu mạng, cho dù tiểu mạng
nguồn và đích khác nhau về mặt vật lý.
- Kiểm tra lỗi, kiểm soát giao thông và xác nhận: Đối với một phương tiện truyền thông tin
cậy, máy tính gửi và nhận phải xác định và có thể sửa chữa lỗi trong quá trình vận chuyển
dữ liệu.

2.3.BỘ CHUYỂN MẠCH VÀ CÁP TRUYỀN THÔNG:
2.3.1.BỘ CHUYỂN MẠCH:
Là một thiết bị Cơ khí hoặc điện tử được dùng để chuyển dòng các tín hiệu điện hoặc
tín hiệu quang từ một điểm này qua điểm kia.( hình 3)
LAN Switch :( Bộ chuyển mạch mạng cục bộ )
Là thiết bị mạng có nhiều cổng làm chức năng kết nối các trạm làm việc (workstation) trong
một mạng LAN lại với nhau theo cấu hình hình sao (Star configuration) bằng cách chuyển
mạch (Switching). LAN Switch còn được gọi là Switch Level 2 do LAN Switch nằm ở lớp
thứ 2 trong mô hình mạng OSI gồm 7 lớp.

Hình 3
LAN Switch có chức năng tương tự như LAN Hub nhưng có tốc độ truyền tổng thể cao
hơn nhiều bởi vì Switch là một thiết bị truyền dẫn tín hiệu mạng hữu hướng (connectionoriented network device), nó cho phép thiết lập các kênh truyền riêng giữa các cặp trạm làm
việc với nhau. Ví dụ: Switch 8-port (8-cổng) tốc độ 100Mbps cho phép tạo 4 đường truyền
độc lập, mỗi đường có tốc độ đầy đủ là 100 Mbps. Nghĩa là nếu 8 máy tính "bắt thành 4 cặp"


8

để truyền dữ liệu với nhau thì tốc độ đường truyền thực sự giữa mỗi cặp có thể đạt tới
100Mbps. Còn Hub là một thiết bị truyền dẫn tín hiệu mạng vô hướng (connectionless
network device), nó cho phép các trạm làm việc (với số lượng tối đa phụ thuộc vào số cổng)
"chia sẻ" chung một đường truyền dữ liệu.

Trong mỗi máy tính Workstation 1, Workstation 2 và File Server đều có một Card
mạng hỗ trợ cổng RJ-45. Thông thường trong các bảng báo giá ta thường thấy Card mạng
10/100 PCI/UTP nghĩa là card mạng hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu 10 hoặc 100 Mbps, chuẩn
khe cắm là PCI (gắn vào khe mở rộng PCI trên mainboard) và sử dụng cáp UTP (cáp xoắn
đôi), nghĩa là sử dụng đầu nối cáp RJ-45.
2.3.2.CÁP TRUYỀN THÔNG: ( RJ 45 )
Dây mạng CAT-5 (UTP) có 8 sợi được xoắn thành 4 cập: Trắng Cam - Cam, Trắng
Dương - Dương, Trắng Lá - Lá, Trắng Nâu - Nâu và việc bấm dây mạng được bấm theo 2
chuẩn A và B.

Chuẩn A:
Chân 1 - Trắng Lá
Chân 2 - Lá
Chân 3 - Trắng Cam
Chân 4 - Dương
Chân 5 - Trắng Dương
Chân 6 - Cam
Chân 7 - Trắng Nâu
Chân 8 - Nâu
Chuẩn B:
Chân 1 - Trắng Cam
Chân 2 - Cam
Chân 3 - Trắng Lá
Chân 4 - Dương
Chân 5 - Trắng Dương
Chân 6 - Lá


9

Chân 7 - Trắng Nâu
Chân 8 - Nâu
Nếu bạn bấm cả 2 đầu cùng 1 chuẩn (A - A hoặc B - B ) thì gọi là bấm thẳng, dùng để
nối từ máy đến Hub/Switch. Còn nếu bạn dùng 1 đầu chuẩn A và 1 đầu chuẩn B thì gọi là
bấm chéo, dùng để nối 2 máy tính lại với nhau mà không dùng Hub/Switch.(hình 4)

Hình 4

3. LÒ NHIỆT, CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ VÀ BỘ TRANDUCER:
3.1.LÒ NHIỆT:
Trong thực tế, trong công nghiệp các lò nhiệt thường có công suất rất 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 năng suất tỏa ra môi trường .
Tính chất của lò nhiệt phụ thuộc vào thể tích, vật liệu cách nhiệt và nguồn nhiệt.
Lò nhiệt được sử dụng trong luận văn là một loại lò nhiệt nướng dân dụng, điện áp xoay
chiều .(hình 5)


10

Thông số lò nhiệt SANAKY:
-Điện áp : 220vAC
-Nhiệt độ Max: 250°C
-Lò sử dụng 4 dây điện trở để đốt nóng.

Hình 5
3.2. CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ: ( RTD )
Nhiệt điện trở kim loại (RTD: Resistance-Temperature Detectors) là cảm biến dạng phát hiện
sự thay đổi nhiệt độ trung gian qua sự thay đổi điện trở của kim loại.

-Ưu điểm :
+ ổn định nhất
+ chính xác cao
+ độ tuyến tính cao
-Khuyết điểm :
+ giá thành cao
+ cần cung cấp nguồn dòng
Quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ có đặc tuyến gần như tuyến tính:
Rt = R0 (1 + at)
-3 0
Với α ≈ 4,3.10 1/ C
Các cấp sai số cho phép của RTD được trình bày trong bảng 1.1 sau đây:

CẤP SAI SỐ

BIỂU THỨC XÁC ĐỊNH SAI SỐ

A

± (0,15 + 0,002. t )

B

± (0,30 + 0,005. t )

C

± (0,40 + 0,009. t )

D

± (0,60 + 0,0018.t )

GHI CHÚ

 |t| là giá trị tuyệt đối của nhiệt
độ tại giá trị đo được.

BẢNG 1.1: SAI SỐ CHO PHÉP CỦA RTD PLATINUM THEO CÁC CẤP A, B, C, D:
Ngoại trừ các thông số vừa nêu trên, theo tiêu chuẩn IEC751 RTD còn có các đặc tính
khác như:


11

Điện trở cách điện, khả năng chịu đựng đối với môi trường, hiệu ứng nhiệt điện,một
vài đặc tính được trình bày như sau:
Hiệu ứng nhiệt điện: RTD thường được tạo thành từ hai kim loại: phần tử cảm biến làm bằng
Platinum và các đầu ra làm bằng đồng ( cấu tạo này có tác dụng tương tự như
Thermocouple).Với độ chênh lệch nhiệt độ đặt trên phần tử, điện áp sinh ra do hiệu ứng nhiệt
có giá trị bằng 7mV/ °C.Hiệu ứng này thực sự chỉ cần đến với các phép đo lường chính xác
cao tại các dòng kích thích có giá trị thấp.
Dòng điện đo lường: Giá trị dòng điện đo lường trong phạm vi từ: 1, 2 và 5mA. Tuy nhiên
giá trị 5mA không cho phép xãy ra trên RTD cấp A
Các đầu dây ra trên RTD: có thể thuộc 1 trong 3 dạng sau: 2, 3 hay 4 đầu dây.
Theo tiêu chuẩn IEC751 tại mỗi đầu của RTD cho phép ra 2 đây, các dây này phải có code
màu giống nhau.Code màu thường dùng cho các đầu ra RTD là : đỏ và vàng.
Ký hiệu ghi trên cảm biến: theo tiêu chuẩn IEC751 trên RTD cho phép ghi : giá trị định mức
R0, cấp sai số, cấu hình của các đầu dây ra, dãy nhiệt độ làm việc cho phép.
Ví dụ trên cảm biến ghi: Pt 100 /A / 3 / -100 / +200. Ý nghĩa của các ký hiệu được hiển như

sau:
Pt : RTD là loại Platinum
o

100: Điện trở định mức của RTD ở 0 C là Ro = 100 .
A: Cấp sai số là cấp A.
3: RTD có 3 đầu ra dây.
o
O
-100/+200: Dãy nhiệt độ làm việc: từ -100 C đến 200 c.
3.2.1.CẢM BIẾN PT100 :
Cảm biến nhiệt độ PT100 hay còn gọi là nhiệt điện trở kim loại ( RTD) PT100 được
cấu tạo từ kim loại Platinum được quấn tùy theo hình dáng của đầu dò nhiệt có giá trị điện
trở khi ở 0oC là 100 Ohm. Đây là loại cảm biến thụ động nên khi sử dụng cần phải cấp một
nguồn ngoài ổn định. Giá trị điện trở thay đổi tỉ lệ thuận với sự thay đổi nhiệt độ được tính
theo công thức dưới đây.
Công thức điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ của PT100:
Rt = R0 ( 1+ AT+BT2+C(T-100)T3)
Trong đó:
A=3.9083 x 10 - 3
B=5.775 x 10 - 7
C=-4.183 x 10- 12 ( t < 0oC) , C=0 ( t > 0oC).
Bảng thông số điện trở của PT100 ứng với nhiệt độ đo:(bảng 1.2)


12


13

Bảng 1.2
Trong luận văn này chúng em dùng cảm biến nhiệt độ PT100 loại 3 dây ( như hình 6)

Hình 6

3.3.BỘ TRANSMITTER:
Ta dùng 2 IC chuyên dụng để tạo bộ Transmitter với ngõ ra điện áp chuẩn 0 – 5V.
Tín hiệu được nhận từ cảm biến PT100 sau đó đưa đến ngõ vào của bộ khuếch đại.
3.3.1. IC XTR 105 VÀ RCV 420 :
IC XTR 105:(hình 7)

Hình 7a

hình 7b

IC XTR 105 là loại IC chuyên dùng xử lí tín hiệu, giống như Opamp khuếch đại tín
hiệu bằng cách so sánh 2 mức điện áp ngõ vào chân số 2 (Vin-) và chân số 13 (Vin +).
Chân số 10 là chân cấp nguồn, ngõ ra chân số 7 là 4mA – 20mA. Muốn ra điện áp từ
0v – 5v thì phải qua IC RCV 420.
Thang nhiệt độ của IC XTR 105 từ -200°C - 800°C, ngõ ra thang nhiệt độ phụ thuộc
vào giá trị của Rz, RG và Rlin 1.(xem bảng 1.3)
bảng 1.3


14

Ví dụ: Thang nhiệt độ ta muốn đo từ 0°C - 100°C thì giá trị các điện trở sẽ chọn như
sau:
RZ = 100Ω
RG = 78,7Ω

RLIN 1 = 33,2Ω

IC RCV 420 :(hình 8)

Hình 8a

hình 8b


15

IC RCV420 là một IC chuyên dùng cho thiết kế chuyển đổi tín hiệu 4-20mA đầu vào
thành điện áp từ 0-5V tín hiệu đầu ra, nó cung cấp cao độ tin cậy với chi phí thấp.
Nguồn được cấp vào chân số 16 là nguồn dương (+12v) và vào chân số 4 là nguồn
âm (-12v). Chân số 3 là ngõ vào của tín hiệu, chân 14 là chân ngõ ra 0-5v.

4.CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ:
4.1.PHƯƠNG PHÁP ON- OFF:
Đây là loại điều khiển tương đối đơn giản nhất, được dùng trong các loại sản phẩm
phục vụ cho gia đình như máy điều hòa nhiệt độ, lò nhiệt,…Khi lò nhiệt có nhiệt độ nhỏ hơn
giá trị nhiệt độ đặt,bộ nhiệt độ sẽ bật lên với công suất cực đại. Khi lò nhiệt có nhiệt độ lớn
hơn nhiệt độ đặt, bộ nhiệt sẽ tắt lò. Quá trình ON – OFF của lò nhiệt diễn ra với giá trị sai số
cho phép nhằm ngăn ngừa nhiễu trong quá trình bật tắt lò nhiệt quá nhanh khi nhiệt độ lò
gần với nhiệt độ đặt. Dao động nhiệt được biểu diễn trong biểu đồ sau:(hình 9)

Hình 9
Trong đó đường màu đỏ thể hiện nhiệt độ đặt, đường màu xanh thể hiện đặc tính
nhiệt độ hiện tại mà lò nhiệt đạt được, còn đường màu tím biểu thị việc ON – OFF của bộ
nhiệt.
4.2.PHƯƠNG PHÁP PID:

Là hệ thống điều khiển vòng kín hệ thống sẽ xác định sai khác giữa trạng thái mong
muốn và trạng thái thực (sai số) và tạo ra lệnh điều khiển để loại bỏ sai số. Điều khiển PID
thực hiện bằng ba cách phát hiện và hiệu chỉnh sai số P, I, D.
Điều chỉnh tỷ lệ ( p): là phương pháp điều chỉnh tích phân tạo ra tín hiệu chỉnh tỉ lệ
với sai lệch đầu vào.
Điều chỉnh tích phân ( I ): là phương pháp điều chỉnh tỷ lệ để lại một độ lệch (offset )
sau điều chỉnh rất lớn, lúc đó ta kết hợp với điều chỉnh tích phân


16

Điều chỉnh vi phân (D): khi hằng số thời gian của hệ thống rất lớn điều chỉnh theo P
hoặc PI có đáp ứng quá chậm thì ta sử dụng kết với điều chỉnh vi phân.Điều chỉnh vi phân
tạo ra tín hiệu điều chỉnh sao cho tỷ lệ với tốc độ thay đổi sai lệch đầu vào.(hình 10)

Hình 10
5. Solid State Relay: (SSR )
SSR là relay bán dẫn được ứng dụng để thay thế các relay trung gian hay các
contactor đóng cắt tần số cao, khi tần số đóng ngắt các tiếp điểm cơ khí quá cao thì người ta
chuyển sang dùng các SSR. SSR có đáp ứng tần số đóng ngắt là 1000 lần / 1 phút.
Về chức năng SSR cũng tương tự như rơ le cơ khí thông thường : cho phép dòng
điện nhỏ có thể điều khiển một tải tiêu thụ dòng lớn hơn.
Điểm khác biệt rõ nét nhất của SSR so với rơ le thông thường là nó không có "bộ
phận chuyển động" (moving part). Rơ le cơ khi hoạt động sẽ nghe tiếng "tạch" do tiếp điểm
cơ khí đóng mở dưới tác động lực từ trường.
Về cấu tạo, SSR gồm 1 coupling và một hoặc nhiều MOSFET: ( như hình 11 )


17

Hình
11a
11b

hình

Coupling có vai trò cách ly dòng điện điều khiển nhỏ với dòng điện tải lớn. Lý tưởng
nhất là sử dụng coupling quang (optic). Khi có dòng điện nhỏ, một đèn LED sẽ phát quang,
và đối diện nó là một diode thu quang. Diode nhận ánh sáng và kích hoạt dòng qua các
MOSFET giáp lưng với nó, cho phép dòng tải chạy qua mạch.
Ưu điểm của SSR :


Đóng ngắt nhanh hơn.



Dòng và áp điều khiển cần nhỏ hơn.



Tuổi thọ dài hơn (vì không có phần cơ khí chuyển động để mà bị hao mòn).



Không xẹt tia lửa điện.



Đóng ngắt êm ái, hầu như không có tiếng động.



Kích thước thường là nhỏ hơn.

Nhược điểm của SSR:


Đặc tính Volt/Amp của bán dẫn: khi đóng mạch sinh nhiều nhiệt và nhiễu điện, dòng
rò khi không hoạt động, đường đặc tính V/A không tuyến tính.



Có khả năng đóng mạch giả do sự chuyển điện áp nhất thời.



Có thiên hướng "ngắn mạch" khi hư hỏng, trong khi với relay điện từ khi hư thường
sẽ hở mạch ra.


18

CHƯƠNG 3:THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG
3.1.XÂY DỰNG MÔ HÌNH: (hình 12 )

Hình 12.Sơ đồ khối
Ở đây ta sử dụng bộ Switch để tạo sự liên kết giữa các thiết bị, lò nhiệt được điều
khiển bởi PLC 2. Tín hiệu được cảm biến PT100 nhận, vì ngõ ra của PT100 rất nhỏ, PLC
không xử lí được. Vì vậy ta dùng bộ chuyển đổi tín hiệu ( Transmitter ) để chuyển đổi tín

hiệu thành mức điện áp chuẩn 0 – 5v và đưa vào ngõ vào analog của PLC 1 với đia chỉ là
IW64 để xử lí, ngõ ra PLC 1 với ngõ ra sáng hoặc tắt đèn tùy theo ta cài đặt, ví dụ như trên
50°C đèn xanh sáng và trên 70°C đèn đỏ sang .
Trong khi đó tín hiệu điều khiển lò nhiệt cũng được truyền đến PLC 2 với ngõ ra