Luận văn thạc sĩ thiết kế chế tạo bộ điều khiển số quá trình trên nền vi điều khiển AVR
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.81 MB, 108 trang )
...
BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
---------
---------
NGUYỄN ðỨC PHÚ
THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ðIỀU KHIỂN SỐ
QUÁ TRÌNH TRÊN NỀN VI ðIỀU KHIỂN AVR
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chun ngành: ðiện khí hóa SXNN và nơng thôn
Mã số
: 60.52.54
Người hướng dẫn khoa học: TS. LƯU HỒNG VIỆT
HÀ NỘI - 2011
LỜI CAM ðOAN
Tơi xin cam đoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là
trung thực và chưa hề ñược sử dụng ñể bảo vệ một học vị nào.
Tơi cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này ñã ñược
cảm ơn và các thơng tin trích dẫn trong luận văn đều ñã ñược chỉ rõ nguồn gốc.
Hà Nội, ngày 01 tháng 11 năm 2011
Người cam đoan
Nguyễn ðức Phú
Trường ðại học Nơng Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………..
i
LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian học tập và thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp, đến nay tơi
đã hồn thành luận văn thạc sĩ chun ngành ðiện khí hóa SXNN và nơng thơn với
đề tài: “Thiết kế chế tạo bộ điều khiển số q trình trên nền vi ñiều khiển AVR”
Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn Viện đào tạo Sau ðại học, Khoa Cơ
ðiện, Bộ mơn ðiện kỹ thuật, Trường đại học Nơng Nghiệp Hà Nội đã tận tình giúp
đỡ tơi trong suốt q trình học tập và thực hiện đề tài nghiên cứu khoa học.
Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Lưu Hồng Việt – người ñã ñịnh
hướng, chỉ bảo và hết lịng tận tụy, dìu dắt tơi trong suốt q trình học tập và nghiên
cứu đề tài.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đến những người thân trong gia đình, bạn bè và
đồng nghiệp đã động viên, cổ vũ tơi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu khoa
học. Nếu khơng có những sự giúp đỡ này thì chỉ với sự cố gắng của bản thân tôi sẽ
không thể thu được những kết quả như mong đợi.
Tơi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 01 tháng 11 năm 2011
Người cảm ơn
Nguyễn ðức Phú
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………..
ii
MỤC LỤC
LỜI CAM ðOAN ........................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
MỤC LỤC................................................................................................................. iii
DANH MỤC HÌNH VÀ BẢNG ................................................................................vi
DANH MỤC HÌNH ...................................................................................................vi
DANH MỤC BẢNG..................................................................................................ix
MỞ ðẦU.....................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài ..........................................................................................1
2. Phạm vi đề tài..........................................................................................................2
3. Mục đích nghiên cứu...............................................................................................2
4. Phương pháp nghiên cứu.........................................................................................2
5. Nơi dung của đề tài .................................................................................................2
CHƯƠNG I .................................................................................................................4
TỔNG QUAN VỀ BỘ ðIỀU KHIỂN SỐ QUÁ TRÌNH ...........................................4
1.1. Sự phát triển của kỹ thuật điều khiển q trình ...................................................4
1.2. Tính cấp thiết của điều khiển q trình................................................................4
1.3. Giới thiệu chung về điều khiển q trình.............................................................5
1.3.1. Khái qt chung ................................................................................................5
1.3.2. Phân loại quá trình ............................................................................................8
1.3.3. Các thành phần cơ bản của hệ thống.................................................................9
1.3.4. Thời gian chết của q trình............................................................................10
1.4. Vai trị của bộ ñiều khiển số trong hệ thống .....................................................12
1.4.1. Vị trí trong hệ thống điều khiển .....................................................................12
1.4.2. Các ứng dụng chính của bộ điều khiển số q trình ......................................13
1.4.3. Ưu nhược điểm của bộ điều khiển số q trình .............................................13
1.5. Giới thiệu một số bộ điều khiển số cơng nghiệp...............................................14
1.5.1. ðặc điểm ........................................................................................................15
1.5.2. Các thơng số khác ...........................................................................................17
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………..
iii
CHƯƠNG II..............................................................................................................18
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BỘ VI ðIỀU KHIỂN....................................................18
2.1. Giới thiệu chung.................................................................................................18
2.2. Giới thiệu tổng quan về vi ñiều khiển ATMEGA 16.........................................18
2.2.1. ðặc tính của ATmega16..................................................................................18
2.2.2. Cấu trúc bên trong ATmega16........................................................................20
2.2.3. Các cổng vào/ra (các PORT xuất nhập ña dụng) ............................................21
2.2.4. Bộ biến ñổi ADC.............................................................................................23
2.2.5. Bộ truyền nhận dữ liệu USART......................................................................27
2.2.6. Bộ định thời Timer/Counter............................................................................31
CHƯƠNG III ............................................................................................................37
MẠNG TRUYỀN THƠNG CƠNG NGHIỆP ..........................................................37
3.1. Cơ sở mạng truyền thông công nghiệp ..............................................................37
3.1.1. Kiểu truyền......................................................................................................37
3.1.2. Lập chương trình cho mạng truyền .................................................................39
3.2. Giới thiệu một số chuẩn truyền thông................................................................44
3.2.1. Chuẩn truyền thông RS-232............................................................................44
3.2.2. Chuẩn truyền thông RS-485...........................................................................47
CHƯƠNG IV ............................................................................................................55
THIẾT KẾ BỘ ðIỀU KHIỂN SỐ ............................................................................55
4.1. Thuật tốn điều khiển.........................................................................................55
4.1.1. ðiều khiển ON/OFF........................................................................................55
4.1.2. Bộ ñiều khiển PID...........................................................................................55
4.2. Thiết kế phần cứng.............................................................................................62
4.2.1. Khối xử lý trung tâm .......................................................................................62
4.2.2. Bàn phím ........................................................................................................63
4.2.3. Khối vào .........................................................................................................64
4.2.4. Khối ra.............................................................................................................68
4.2.5. Khối hiển thị...................................................................................................75
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………..
iv
4.2.6. Khối truyền thông ..........................................................................................77
4.2.7. Khối nguồn.....................................................................................................78
4.3. Thiết kế phần mềm điều khiển ...........................................................................81
4.3.1. Chương trình phần mềm .................................................................................81
4.3.2. Xây dựng lưu đồ thuật tốn điều khiển ...........................................................82
4.4. Kết nối chạy thí nghiệm .....................................................................................88
4.4.1. Kết quả thực hiện ............................................................................................88
4.4.2. Chạy thí nghiệm ..............................................................................................91
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................94
Tài liệu tham khảo:....................................................................................................96
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………..
v
DANH MỤC HÌNH VÀ BẢNG
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Q trình và phân loại biến q trình..........................................................6
Hình 1.2: Sơ đồ cơng nghệ và sơ đồ khối của q trình điều khiển mực nước ..........8
Hình 1.3: Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển q trình ..................9
Hình 1.4: Bộ ñiều khiển trong hệ thống lớn.............................................................12
Hình 2.1: Sơ ñồ cấu trúc bên trong Atnega16..........................................................21
Hình 2.2: Sơ đồ chân của ATmega16 .......................................................................21
Hình 2.3: Sơ đồ bộ biến đổi ADC............................................................................24
Hình 2.4: Thanh ghi ADMUX ..................................................................................25
Hình 2.5: Thanh ghi điều khiển và trạng thái ADC ..................................................26
Hình 2.6: Thanh ghi dữ liệu ADC.............................................................................26
Hình 2.7: Sơ đồ khối bộ USART ..............................................................................28
Hình 3.8: ðơn vị tạo xung clock ...............................................................................29
Hình 2.9: ðịnh dạng khung truyền............................................................................29
Hình 2.10: Sơ ñồ khối của Timer/Counter0..............................................................32
Hình 2.11: Giản ñồ thời gian của chế độ PWM ........................................................33
Hình 2.12: Sơ đồ khối của timer/counter1 ................................................................34
Hình 2.13: Sơ đồ khối của timer/counter2 ...............................................................35
Hình 2.14: Giản ñồ thời gian của chế ñộ CTC.........................................................36
Hình 3.1: ðồng bộ khung trong truyền tập tin ASCII ..............................................38
Hình 3.2: ðồng bộ khung trong truyền tập tin nhị phân ...........................................38
Hình 3.3: Truyền ñồng bộ hướng ký tự ..................................................................38
Hình 3.4: Truyền ñồng bộ hướng bit ......................................................................39
Hình 3.5: Hoạt động của giao thức Master/Slave .....................................................40
Hình 3.6: Hoạt động của mạng Token ring...............................................................41
Hình 3.7: Hoạt động của giao thức Data Collision ...................................................42
Hình 3.8: Mơ tả cổng nối tiếp RS-232 ......................................................................45
Hình 3.9: Kiểu truyền cân bằng 2 dây. .....................................................................49
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………..
vi
Hình 3.10: Cặp dây xoắn trong RS485. ....................................................................49
Hình 3.11: Cách xác định áp kiểu chung. .................................................................50
Hình 3.12: Truyền RS485 khi tham chiếu với đất. ...................................................51
Hình 3.13 : Cách đặt điện trở đầu cuối RT trong RS485...........................................51
Hình 3.14: Tín hiệu RS485 thu ñược tương ứng với 2 giá trị ñiện trở RT. ..............52
Hình 3.15: Phân cực cho đường truyền RS485.........................................................52
Hình 3.16: Sơ đồ một phát, một nhận trong RS485..................................................52
Hình 3.17: Sơ ñồ một phát, một nhận trong RS485..................................................53
Hình 3.18 : Sơ ñồ một phát, nhiều nhận trong RS485. .............................................53
Hình 3.19: Sơ ñồ sử dụng 2 bộ truyền nhận trong RS485. .......................................53
Hình 3.20: Sơ ñồ sử dụng nhiều bộ truyền nhận trong RS485. ................................53
Hình 3.21: ðoạn dây rẽ nhánh trong RS485. ............................................................54
Hình 3.22: Một dạng kết nối đường truyền RS485 hợp lí. .......................................54
Hình 4.1: ðáp ứng q trình điều khiển ON/OFF nhiệt độ lị nhiệt .........................55
Hình 4.2: Mơ hình bộ điều khiển PID số ..................................................................58
Hình 4.3: Chống bão hào tích phân...........................................................................59
Hình 4.4: Sơ đồ khối của một hệ hở .........................................................................60
Hình 4.5: ðáp ứng của hệ hở ....................................................................................60
Hình 4.6: Sơ đồ khối của một hệ kín có bộ PID .......................................................60
Hình 4.7: Sơ đồ khối của hệ kín có bộ tỉ lệ P............................................................61
Hình 4.8: ðáp ứng của hệ kín ..................................................................................61
Hình 4.9: Sơ đồ khối bộ điều khiển .........................................................................62
Hình 4.10: Sơ đồ ngun lý mạch ñiều khiển trung tâm ..........................................63
Hình 4.11: Sơ ñồ nguyên lý mạch nút bấm...............................................................64
Hình 4.12: Hình ảnh và sơ đồ chức năng của cảm biến SHT71 ...............................65
Hình 4.13: ðồ thị sai số của cảm biến SHT71..........................................................65
Hình 4.14: Sơ đồ ngun lý mạch kết nối giữa vi ñiều khiển với cảm biến SHT71 66
Hình 4.15: Optical encoder quang tương đối............................................................66
Hình 4.16: Sơ ñồ dạng xung ngõ ra A và B ..............................................................67
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………..
vii
Hình 4.17: Sơ đồ ngun lý mạch logic....................................................................68
Hình 4.18: Sơ đồ ngun lý mạch cầu H cơng suất ..................................................69
Hình 4.19: Sơ đồ chân và mạch kết nối của IC IR2184............................................69
Hình 4.20: Giản đồ thời gian của IC IR2184 ............................................................71
Hình 4.21: Ký hiệu và sơ đồ chân của MOSFET IRF3205N/TO.............................71
Hình 4.22: Dạng sóng VDS và VGS khi FET chuyển mạch. ......................................72
Hình 4.23: Hình ảnh sản phẩm module cầu H. .........................................................73
Hình 4.24: Sơ đồ ngun lý mạch điều khiển ON/OFF............................................74
Hình 4.25: Sơ ñồ nguyên lý mạch cách ly sử dụng opto PC817 ..............................74
Hình 4.26: Sơ đồ chân và giản đồ thời gian đóng cắt của opto PC817 ....................75
Hình 4.27: Hình ảnh thực tế của màn hình LCD TC1602A ....................................75
Hình 4.28: Sơ đồ nguyên lý mạch kết nối LCD với vi ñiều khiển ...........................77
Hình 4.29: Sơ đồ chân và cấu tạo trong của IC MAX485 ........................................77
Hình 4.30: Mạch nguyên lý khối RS485..................................................................78
Hình 4.31: Sơ đồ ngun lý mạch nguồn cấp ...........................................................79
Hình 4.32: Sơ ñồ nguyên lý tổng thể ........................................................................80
Hình 4.33: Sơ ñồ khối chương trình..........................................................................81
Hình 4.34:Lưu đồ thuật tốn truyền thơng trên Slave...............................................82
Hình 4.35:Lưu đồ thuật tốn truyền thơng trên Master ............................................83
Hình 4.36:Lưu đồ thuật tốnPID...............................................................................84
Hình 4.37:Lưu đồ thuật tốn ON/OFF 1...................................................................85
Hình 4.38:Lưu đồ thuật tốn ON/OFF 2...................................................................86
Hình 4.39:Lưu đồ thuật tốn điều khiển phím bấm ..................................................87
Hình 4.40: Sơ đồ bố trí linh kiện của board mạch điều khiển ..................................88
Hình 4.41: Sơ đồ mạch in của board mạch điều khiển .............................................89
Hình 4.42: Sơ ñồ mạch in hai lớp thực tế của board mạch ñiều khiển .....................89
Hình 4.43: Hình ảnh board mạch ñiều khiển ñã chế tạo ...........................................90
Hình 4.44: Hình ảnh các mạch ñiều khiển đã chế tạo...............................................90
Hình 4.45: Sơ đồ kết nốihệ thống chạy thí nghiệm...................................................92
Trường ðại học Nơng Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………..
viii
Hình 4.46: Hình ảnh động cơ DC sử dụng chạy thí nghiệm.....................................92
Hình 4.47: Giao diện điều khiển trên máy tính khi khởi tạo chương trình...............92
Hình 4.48: Giao diện cài đặt tham số q trình và tham số cho bộ điều khiển ........93
Hình 4.49: Giao diện định địa chỉ cho bộ ñiều khiển ...............................................93
Hình 4.50: Giao diện ñiều khiển trên máy tính khi đang chạy chương trình............93
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Thơng số của bộ ñiều khiển số E5AR ......................................................17
Bảng 2.1: Tổ hợp logic chọn kênh ñầu vào ..............................................................25
Bảng 2.2: Chọn chọn giá tri ñiện cho ADC của các bit REFS1 và REFS0 ..............25
Bảng 3.1: Bảng sắp xếp chân của cổng nối tiếp ở máy tính .....................................45
Bảng 3.2: Bảng tóm tắt thơng số của RS-485. .........................................................48
Bảng 4.1: Bảng tính các thơng số PID theo Zieger-Nichols thứ nhất.......................60
Bảng 4.2: Bảng tính các thơng số PID theo Zieger-Nichols thứ hai.........................61
Bảng 4.3: Bảng hoạt ñộng của mạch logic...............................................................68
Bảng 4.4: Bảng hoạt chức năng chân của IC IR2184 ..............................................70
Bảng 4.5: Bảng một số đặc tính cơ bản của IRF3205N/TO ....................................72
Bảng 4.6: Bảng chức năng chân của LCD TC1602A ...............................................76
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………..
ix
MỞ ðẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Như chúng ta ñã biết trong ñiều kiện khoa học kỹ thuật và kinh tế phát triển
như hiện nay thì qui trình tự động hóa trong cơng nghiệp và sản xuất hầu như khơng
thể thiếu được. Nó đóng một vai trị hết sức quan trọng trong việc giúp tăng năng
suất, tăng độ chính xác và do đó làm tăng hiệu quả sản xuất. Trong đó, một nhân tố
rất quan trọng, một mắt xích chính trong các dây truyền sản suất chính là các bộ
điều khiển số q trình.
Các bộ điều khiển số ra ñời cho thấy những ưu việt hơn so với bộ ñiều khiển
tương tự truyền thống như:
- Mềm dẻo trong việc thay ñổi cấu trúc và tham số của hệ thống tự động.
- ðộ chính xác cao.
- Có khả năng chống nhiễu tốt.
- Phạm vi áp dụng rộng rãi.
ða dạng về chủng loại, linh hoạt về chức năng, dễ dàng thay ñổi các tham số
bằng chương trình phần mềm, các hệ thống ñiều khiển ñược thiết kế và chế tạo trên
nền vi ñiều khiển sẽ tạo ra những bộ ñiều khiển linh hoạt, tin cậy, phù hợp với từng
ñặc ñiểm của hệ ñiều khiển tự ñộng.
Mặt khác, hầu hết các bộ ñiều khiển số hiện nay ñều là do nước ngoài sản
xuất, các sản phẩm của Việt Nam hầu như không có mặt trên thị trường. Chính vì
thế việc nghiên cứu nguyên lý cấu trúc của bộ ñiều khiển số phổ biến hiện nay là rất
cần thiết để có thể chế tạo ra những bộ điều khiển số với tính năng gần như tương
tự. Bởi vậy, chúng tơi đã chọn đề tài “Thiết kế chế tạo bộ ñiều khiển số quá trình
trên nền vi điều khiển AVR” với mong muốn đạt được phần nào điều đó.
Trường ðại học Nơng Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………..
1
2. Phạm vi ñề tài.
Thiết kế chế tạo bộ ñiều khiển số q trình có nhiệm vụ thực hiện điều khiển:
Nhiệt ñộ-ñộ ẩm, ổn ñịnh tốc ñộ ñộng cơ một chiều cơng suất vừa và nhỏ. Thiết kế
giao diện điều khiển trên máy tính
3. Mục đích nghiên cứu.
Thiết kế chế tạo bộ điều khiển số q trình với nhiều tính năng, khả năng tích
hợp cao, thực hiện điều khiển đồng thời nhiều thơng số của một q trình từ một bộ
điều khiển vì vậy chúng rất thích hợp cho các ứng dụng hiện nay. Tác giả ñã thiết
kế chế tạo bộ điều khiển số q trình có các chức năng:
Chức năng ñiều khiển: ðiều khiển ổn ñịnh nhiệt ñộ - ñộ ẩm theo luật
ON/OFF, ñiều khiển ổn ñịnh tốc ñộ ñộng cơ một chiều theo luật PID.
Chức năng truyền thông: Sử dụng chuẩn chuyền thơng RS232 và RS485 để
truyền - nhận các tham số cài ñặt cho bộ ñiều khiển và các tham số q trình từ bộ
điều khiển về trung tâm ñiều khiển và ngược lại.
4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết về: ðiều khiển q trình, điều khiển số, họ vi điều
khiển AVR, các chuẩn truyền thơng cơng nghiệp và các thuật tốn điều khiển, trình
biên dịch CodevisionAVR, ngơn ngữ lập trình C.
Sử dụng kết quả nghiên cứu, thiết kế chế tạo bộ ñiều khiển số quá trình và áp
dụng trong điều khiển ổn định tốc độ ñộng cơ một chiều và ñiều khiển nhiệt ñộ-ñộ
ẩm. Giao diện điều khiển trên máy tính
5. Nơi dung của đề tài
Chương I: Tổng quan về bộ ñiều khiển số quá trình.
Chương II: Giới thiệu chung về bộ vi điều khiển.
Chương III: Mạng truyền thông công nghiệp.
Chương IV: Thiết kế bộ ñiều khiển số.
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………..
2
Trong luận văn này ñề cập ñến vấn ñề mang tính thực tiễn, các thiết kế dựa
trên cơ sở phân tích và tính tốn từ các sản phẩm hiện có trên thị trường. Các giải
pháp ñề ra dựa trên cơ sở lý thuyết và thực tiễn, phù hợp với ñiều kiện hiện nay.
Thiết bị kỹ thuật, linh kiện ñiện tử sử dụng trong ñề tài này là những thiết bị có sẵn
trên thị trường thiết bị điện Việt Nam.
ðể luận văn được hồn thành là nhờ sự hướng dẫn, giúp đỡ chỉ bảo tận tình
của các Thầy, các Cơ trong bộ môn ðiện kỹ thuật Trường ðại học Nông Nghiệp Hà
Nội, đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình và chu đáo của thầy TS. Lưu Hồng Việt thuộc
Bộ mơn ðiều khiển tự ñộng Trường ðại học Bách Khoa Hà Nội.
Mặc dù ñã rất cố gắng, xong do hạn chế về trình độ, kiến thức, thời gian thực
hiện nên luận văn này khơng tránh khỏi những thiếu sót, khiếm khuyết, rất mong
nhận ñược sự chỉ bảo, bổ xung của các Thầy, Cô.
Em xin chân thành cảm ơn !
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………..
3
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ BỘ ðIỀU KHIỂN SỐ QUÁ TRÌNH
1.1. Sự phát triển của kỹ thuật điều khiển q trình
Cơng nghệ thiết bị đo q trình tiếp tục được phát triển trong cả hai lĩnh vực
ứng dụng và nghiên cứu. Vào năm 1774 Jame Watt ñã lần ñầu tiên sử dụng hệ
thống điều khiển có phản hồi áp dụng vào trong quả văng ñể ñiều chỉnh tốc ñộ ñộng
cơ hơi nước. 10 năm sau Oliver Evans ñã vận dụng kĩ thuật điều khiển để tự động
hố nhà máy xay bột Philadelphia.
Ban đầu, những thiết bị đo q trình phát triển rất chậm, bởi vì có rất ít q
trình cơng nghệ ñể ứng dụng. Vì vậy vào cuối thế kỉ 20 khi cơng nghiệp bắt đầu
phát triển thì thiết bị đo q trình phát triển theo. Tuy nhiên, chỉ có thiết bị đo q
trình trực tiếp là có thể thực hiện ñược cho ñến cuối những năm 30. Vào những năm
40, hệ thống truyền động bằng khí nén đã làm cho các hệ thống phức tạp và các
phịng điều khiển trung tâm có thể thực hiện được. Thiết bị đo điện tử ñã trở lên phổ
biến vào những năm 50 và tính phổ biến của nó đã làm cho cơng nghệ thiết bị đo
q trình phát triển nhanh chóng từ đó. Và chủ yếu trong vịng 10 năm đó, sự xuất
hiện cơng nghệ máy tính số đã giải quyết những vướng mắc của những quá trình
phức tạp hơn. Tuy nhiên, yêu cầu đặt ra lúc này là thiết bị q trình tương lai sẽ
phải kết hợp ñược hệ thống số và hệ thống tương tự.
1.2. Tính cấp thiết của điều khiển q trình
Ngày nay tất cả các nhà máy và xí nghiệp cơng nghiệp đều được trang bị các
hệ thống tự ñộng hoá ở mức cao. Các hệ thống này nhằm mục đích nâng cao chất
lượng sản phẩm, nâng cao năng xuất lao động, giảm chi phí sản xuất, giải phóng
người lao động khỏi những vị trí làm việc độc hại .vv…
Các hệ thống tự động hố giúp chúng ta theo dõi, giám sát các quy trình cơng
nghệ thơng qua các chỉ số của hệ thống ño lường kiểm tra. Các hệ thống tự động hố
thực hiện chức năng điều chỉnh các thơng số cơng nghệ nói riêng và điều khiển tồn
bộ q trình cơng nghệ hoặc tồn bộ xí nghiệp nói chung. Hệ thống tự động hố đảm
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………..
4
bảo cho q trình cơng nghệ xảy ra trong điều kiện cần thiết và bảo ñảm nhịp ñộ sản
xuất mong muốn của từng cơng đoạn trong q trình cơng nghệ. Chất lượng của sản
phẩm và năng suất lao ñộng của các phân xưởng, của từng nhà máy, xí nghiệp phụ
thuộc rất lớn vào chất lượng làm việc của các hệ thống tự động hố này.
ðể phát triển sản xuất, ngồi việc nghiên cứu hồn thiện các q trình cơng
nghệ hoặc ứng dụng cơng nghệ mới thì một hướng nghiên cứu khơng kém phần
quan trọng là nâng cao mức độ tự động hố các q trình cơng nghệ. Do sự phát
triển mạnh mẽ của cơng nghệ vi điện tử và cơng nghệ chế tạo cơ khí chính xác, các
thiết bị đo lường và điều khiển các q trình cơng nghệ càng ñược chế tạo tinh vi,
làm việc tin cậy và chính xác.
1.3. Giới thiệu chung về điều khiển q trình
1.3.1. Khái qt chung
Khái niệm điều khiển q trình được hiểu là ứng dụng các kỹ thuật ñiều khiển
tự ñộng trong ñiều khiển, vận hành và giám sát các q trình cơng nghệ, nhằm ñảm
bảo chất lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an tồn cho người, máy móc.
Q trình là một trình tự các diễn biến vật lý, hố học hoặc chuyển đổi sinh
học, trong đó vật chất, năng lượng hoặc thơng tin được biến đổi, vận chuyển hoặc
lưu trữ.
Q trình cơng nghệ là những q trình liên quan tới biến ñổi vận chuyển hoặc
lưu trữ vật chất, năng lượng trong một dây chuyền công nghệ nhà máy sản xuất.
Quá trình kỹ thuật là một q trình với các đại lượng đo được hoặc/can thiệp
được. Khi nói tới một q trình kỹ thuật ta hiểu là q trình cơng nghệ cùng với các
phương tiện kỹ thuật và các phương tiện kỹ thuật như thiết bị ño, thiết bị chấp hành.
Một cách tổng quát nhiệm vụ của hệ thống ñiều khiển q trình là can thiệp
vào các biến điều khiển một cách hợp lý để các biến ra của nó thoả mãn chỉ tiêu cho
trước ñồng thời giảm thiểu ảnh hưởng xấu của q trình đến mơi trường và con
người xung quanh. Mơ hình tổng qt của một q trình như hình 1.1.
Trường ðại học Nơng Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………..
5
Trạng thái hoạt ñộng và diễn biến của một quá trình được thể hiện qua các
biến q trình. Các biến quá trình bao gồm biến vào và biến ra. Biến vào là một ñại
lượng hoặc một ñiều kiện phản ánh tác động từ bên ngồi vào q trình, ví dụ như
dịng ngun liệu, nhiệt độ hơi nước cấp nhiệt, trạng thái đóng/mở của rơle sợi
đốt… Biến ra là một đại lượng hoặc một ñiều kiện thể hiện tác ñộng của q trình ra
bên ngồi, ví dụ nồng độ sản phẩm hoặc lưu lượng sản phẩm ra, nồng độ khí thải…
Biến trạng thái là các biến mang thông tin về trạng thái bên trong q trình,
ví dụ nhiệt độ lị, áp suất hơi, mức chất lỏng … trong nhiều trường hợp biến q
trình có thể coi là biến ra.
Biến cần điều khiển (controlled variable) là một biến ra hoặc một biến trạng
thái của một q trình điều khiển, điều chỉnh ổn ñịnh ở giá trị ñặt hoặc bám theo tín
hiệu chủ ñạo (tín hiệu mẫu).
Biến vào
Biến ñiều khiển
Nhiễu
Vật chất
Năng lượng
Vật chất
Năng lượng
Q trình
Thơng tin
Thơng tin
Biến trạng thái
Biến ra
Biến khơng cần
Biến cần điều
Biến khơng cần điều
điều khiển
khiển
khiển
Hình 1.1: Q trình và phân loại biến q trình
Biến điều khiển (manipulated variable) là một biến có thể can thiệp trực tiếp
từ bên ngồi, qua ñó tác ñộng tới biến ra theo ý muốn.
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………..
6
Những biến cịn lại khơng can thiệp một cách trực tiếp hoặc gián tiếp trong
phạm vi quá trình quan tâm thì được coi là nhiễu.
Các q trình được điều khiển bằng các bộ điều khiển q trình. Bộ điều
khiển chính xác phải giữ cân bằng yếu tố năng lượng hoặc nguyên liệu chống lại
những sai lệch xuất hiện trong quá trình. Hầu hết những bộ điều khiển q trình
trong thực tế là bộ ñiều khiển phản hồi. Bộ ñiều khiển dựa vào giá trị ño ñược của
biến cần biến ñiều khiển, so sánh với giá trị ñịnh mức (giá trị ñặt) và sử dụng sai
lệch ñể có tác ñộng hiệu chỉnh theo mong muốn. Nhiều hệ thống phức tạp hơn ño
giá trị năng lượng hoặc nguyên liệu ñầu vào hoặc cả hai yếu tố năng lượng và
nguyên liệu cấp cho q trình để điều khiển đầu ra. ðể làm rõ hơn vấn đề này ta
xem xét ví dụ về điều khiển mực nước trong bình chất lỏng
Fi
F0
a. Sơ đồ cơng nghệ
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………..
7
Biến vào
Biến điều khiển
Fi
Nhiễu F0
Biến ra
Bình chứa
Biến cần
điều khiển h
b. Sơ đồ khối
Hình 1.2: Sơ đồ cơng nghệ và sơ ñồ khối của quá trình ñiều khiển mực nước
ðáp ứng của một q trình theo thời gian xác định đặc tính động lực học của
q trình. ðáp ứng khơng chịu ảnh hưởng của thời gian sẽ xác định đặc tính tĩnh
của q trình. Cả đặc tính tĩnh (trạng thái ổn ñịnh) và ñặc tính ñộng lực học (thay
ñổi theo thời gian) đều phải được tính tốn cụ thể trong q trình hoạt động của hệ
thống và tìm hiểu rõ trước khi tiến hành thiết kế bộ điều khiển q trình. ðiều này
giữ vai trò rất quan trọng bởi lẽ nếu ta khơng tìm hiểu rõ và xác định cụ thể đặc tính
của hệ thống thì khi bắt tay vào thiết kế bộ điều khiển sẽ gặp rất nhiều khó khăn. ðó
là dạng đặc tính đáp ứng của bộ điều khiển khơng bám đúng dạng đặc tính của hệ
thống hoặc là bộ điều khiển khơng tối ưu được các u cầu ñề ra của hệ thống gây
lãng phí nguyên nhiên liêu đầu vào...
1.3.2. Phân loại q trình
Các q trình cơng nghệ ñược phân loại theo nhiều cách khác nhau.
- Theo số biến vào ra thì q trình được chia thành:
+ Q trình đơn biến: Q trình chỉ có một biến vào và một biến ra, single input single – output (SISO).
+ Q trình đa biến: Q trình có nhiều biến vào và nhiều biến ra, Multiinput Multi-ouutput (MIMO).
- Theo đặc tính của các đại lượng đặc trưng
+ Q trình liên tục: Là q trình mà năng lượng hoặc ngun liệu đầu vào
được biến đổi một cách liên tục.
Trường ðại học Nơng Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………..
8
+ Quá trình rời rạc.
+ Quá trình mẻ (hệ lai) (hybrid system).
1.3.3. Các thành phần cơ bản của hệ thống
Các q trình trong cơng nghiệp từ đơn giản đến phức tạp ñều bao gồm 3
thành phần cơ bản là thiết bị ño, thiết bị ñiều khiển và thiết bị chấp hành có cấu trúc
cơ bản như vẽ:
Giá trị
đặt
(SP)
Bộ điều
khiển
Tín hiệu điều
Thiết bị
khiển
chấp
hành
(CO)
Tín hiệu đo
(PM)
Thiết bị
đo
Biến điều
khiển
(MV)
Biến cần
Q trình điều khiển
cơng nghệ
(CV)
ðại lượng đo
(PV)
Hình 1.3: Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển q trình
Giá trị đặt
Set Point (SP), Set Value (SV)
Tín hiệu điều khiển
Control Signal, Controller Output (CO)
Biến ñiều khiển
Control Variable, Manipulate Variable (MV)
Biến ñược ñiều khiển
Controlled Variable (CV)
ðại lượng đo
Measured Variable, Process Value (PV)
Tín hiệu đo
Measured Signal, Process Measurement (PM)
• Thiết bị đo
Thiết bị đo là cơ sở cho ñiều khiển phản hồi, chức năng của một thiết bị đo là
cung cấp một tín hiệu ra tỉ lệ theo một nghĩa nào đó với đại lượng ño. Một thiết bị
ño gồm hai thành phần cơ bản là cảm biến (sensor) và chuyển ñổi ño (transducer).
Cảm biến thực hiện chức năng cảm nhận ñại lượng quan tâm của q trình kỹ thuật
và biến đổi thành một tín hiệu. ðể thuận tiện trong ñiều khiển cũng như truyền ñi xa
và thuận tiện trong việc sử dụng các thiết bị điều khiển, chỉ báo, tín hiệu từ cảm
biến được biến đổi thành dạng tín hiệu điện, tín hiệu khí nén…, các tín hiệu chuẩn
Trường ðại học Nơng Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………..
9
thường là: 1-10V, 0-20mA, 4-20mA. Các tham số ở ñây có thể là các biến như:
Nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, lưu lượng, mức, … và một số ñại lượng khác.
• Thiết bị điều khiển
Thiết bị điều khiển hay bộ ñiều khiển là phần cốt lõi của một hệ thống điều
khiển q trình trong cơng nghiệp. Một bộ điều khiển có thể là một thiết bị điều
khiển đơn lẻ, một khối phần mềm cài ñặt trong thiết bị ñiều khiển chia sẻ (ví dụ bộ
PID trong một trạm PLC/DCS) hoặc cả một thiết bị chia sẻ (cả một trạm
PLC/DCS).
Tuỳ theo dạng tín hiệu vào/ra và phương pháp thể hiện luật ñiều khiển, một
thiết bị ñiều khiển có thể ñược phân thành thiết bị tương tự, thiết bị ñiều khiển
logic, thiết bị ñiều khiển số. Một thiết bị ñiều khiển số được xây dựng trên cơ sở
máy tính số có khả năng thay thế cả thiết bị ñiều khiển tương tự và điều khiển logic.
Một thiết bị điều khiển số khơng những cho chất lượng điều khiển cao, tin cậy mà
cịn cho phép thực hiện nhiều chức năng cùng một lúc. Có thể nói rằng tất cả các
giải pháp hiện đại (PLC, DCS) đều là một hệ thống điều khiển số.
• Thiết bị chấp hành
Một hệ thống/thiết bị chấp hành có chức năng nhận tín hiệu từ bộ điều khiển
và thực hiện tác ñộng can thiệp tới biến cần ñiều khiển. Các thiết bị chấp hành tiêu
biểu là ñộng cơ, van, bơm, quạt gió. Thơng qua thiết bị chấp hành mà hệ thống điều
khiển có thể can thiệp vào diễn biến của q trình cơng nghệ.
1.3.4. Thời gian chết của q trình
Thời gian chết sinh ra là do đặc điểm của q trình thực, nó làm cho tác động
điều khiển của bộ điều khiển đến q trình bị chậm lại. Nó tính từ khi có tác động
của bộ điều khiển và trong suốt khoảng thời gian chết này khơng có đáp ứng nào
của hệ thống xảy ra ñối với tác ñộng điều khiển đó. Các q trình như trên thường
gặp trong ñiều khiển nhiệt ñộ, lưu lượng, áp suất , phản ứng hố học…. Nó được
Trường ðại học Nơng Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………..
10
ñặc trưng bởi hàm truyền có dạng bậc một hay bậc cao hơn với thời gian chết như
−θ s
K .e p
hàm Fp =
Tp s + 1
(FOPDT - First order plus dead time - khâu qn tính bậc một có thêm thời gian
chết), trong đó TP hằng số thời gian của quá trình, θp thời gian chết của quá trình.
Một trong những ví dụ dễ thấy trong thực tế của thời gian chết là băng tải.
Thời gian chết là thời gian mà vật liệu được vận chuyển trên băng tải, nó phụ thuộc
vào chiều dài và tốc ñộ của băng. Thời gian chết gây ra nhiều khó khăn trong việc
điều khiển q trình, nó làm mất tính ổn định của hệ thống, suy giảm đặc tính, gây
khó khăn trong việc tính tốn và lựa chọn phương pháp điều khiển cũng như các bộ
ñiều khiển. Trong thực tế, các hệ thống ñều có thời gian chết, do đó các bộ điều
khiển tốt phải có khả năng giải quyết thời gian chết của q trình mà nó điều khiển.
Bộ điều khiển phản hồi kín được sử dụng trong những trường hợp này, dùng
tín hiệu ñầu ra phản hồi lại ñể hiệu chỉnh lại tác ñộng ñầu vào và làm giảm ảnh
hưởng của thời gian chết lên q trình. Một q trình có thời gian chết làm cho ta
khơng quan sát ngay được tác động của tín hiệu điều khiển, do đó tác động của bộ
điều khiển q trình bị trễ là điều khơng thể tránh khỏi. Thời gian chết làm bất kỳ
tín hiệu nào cũng bị trễ lại trong khoảng thời gian đó. Cần chú ý là đối với các tín
hiệu hình sin, thời gian chết làm thay đổi góc pha giữa tín hiệu đầu vào và tín hiệu
đầu ra. Vì thế thời gian chết ñược coi là một trong các yếu tố khó khăn nhất của
điều khiển q trình.
Trường ðại học Nơng Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………..
11
1.4. Vai trị của bộ điều khiển số trong hệ thống
1.4.1. Vị trí trong hệ thống điều khiển
Hình 1.4: Bộ ñiều khiển trong hệ thống lớn
Trong hệ thống lớn, các bộ điều khiển q trình có thể tham gia là một thành
phần của hệ ñiều khiển lớn như DCS. Vị trí của nó trong hệ thống gần với cấp
trường có nhiệm vụ thu thập các dữ liệu từ quá trình như nhiệt độ, áp xuất,
mức…rồi thơng qua mạng truyền thơng nó sẽ truyền dữ liệu này lên cấp cao hơn rồi
nhận những chỉ thị từ trên xuống. Không những thế, với xu hướng tích hợp cao như
hiện nay, các bộ điều khiển q trình được tích hợp sẵn các thuật tốn điều khiển
như PID, mờ… vì thế nó có khả năng xử lý tính tốn dữ liệu và đưa ra lệnh ñiều
khiển cho các thiết bị chấp hành
Với những ứng dụng riêng lẻ, các bộ điều khiển số q trình có khả năng
điều khiển linh hoạt, dễ dàng được sử dụng ngay cả với người ít kinh nghiệm do
giao diện linh hoạt thân thiện. Có màn hình hiển thị trực quan báo ñộng cảnh báo
ñáp ứng ñược tốc ñộ cao đảm bảo tính năng thời gian thực.
Trường ðại học Nơng Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………..
12
1.4.2. Các ứng dụng chính của bộ điều khiển số q trình
ðiều khiển giám sát
- Thay thế cho điều khiển rơle
- Thay cho các panel ñiều khiển mạch in
- ðiều khiển tự động bán tự động các q trình
ðiều khiển dãy
- Cung cấp thông tin
- ðiều khiển liên tục (nhiệt ñộ, áp suất, ñộ ẩm, …)
- ðiều khiển PID
- ðiều khiển ñộng cơ chấp hành
- ðiều khiển ñộng cơ
Như vậy ứng dụng bộ điều khiển số trong cơng nghiệp là vơ cùng phong phú
trong rất nhiều lĩnh vực vì vậy càng thấy rõ vai trị quan trọng của nó.
1.4.3. Ưu nhược điểm của bộ điều khiển số q trình
Sự ra ñời của bộ ñiều khiển số quá trình ñã ñáp ứng ñược yêu cầu cần thiết
của việc ñiều khiển các thơng số q trình và một loạt các u cầu khác mà các thiết
bị điều khiển logic trước nó khơng thể ñáp ứng ñược hoặc ñáp ứng hạn chế.
- Ưu điểm
Thời gian lắp đặt cơng trình ngắn.
Có thể dễ dàng tính tốn chính xác giá thành.
Cần ít thời gian huấn luyện.
Phạm vi ứng dụng rộng.
ðộ tin cậy cao.
Thích ứng trong mơi trường khắc nghiệt.
- Nhược điểm
Các bộ điều khiển số q trình có phần mềm điều khiển cố định được nạp
trước dẫn ñến thiếu linh hoạt
- So sánh với PC, PLC
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………..
13
