Đồ án Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt độ bộ điều khiển với TCU-12004

độ SP+AL SP SPAL Out put: ON LED: ON Out put: OFF LED: OFF Out put: OFF LED: OFF Out put: ON LED: ON Out put: OFF LED: OFF Out put: ON LED: ON *Hoạt động cảnh báo 6 Reset cảnh báo (rSt1, rSt2) Hoạt động reset có thể được thực hiện tự động hoặc thực hiện trực tiếp bởi người vận hành. Sự hoạt động được mô tả dưới đây BẢNG THAM CHIẾU CÁC THAM SỐ TRONG MODULE 4 Hiển thị Tham số Phạm vi hoạt động và các thành phần Mô tả - Ghi chú Act1 Chế độ cảnh báo 01 A-HI: Hoạt động cảnh báo1 A-LO: Hoạt động cảnh báo 2 d-HI : Hoạt động cảnh báo 3 d-LO: Hoạt động cảnh báo 4 b-IN: Hoạt động cảnh báo 5 b-ot : Hoạt động cảnh báo 6 A2-HI: Hoạt động cảnh báo1 A2-LO:Hoạt động cảnh báo2 d-HI : Hoạt động cảnh báo 3 d-LO: Hoạt động cảnh báo 4 b-IN: Hoạt động cảnh báo 5 b-ot : Hoạt động cảnh báo 6 Cho đầu vào Anlog thứ hai. (Dùng cho điều khiển tầng) rSt1 Reset cảnh báo Auto: - Tự động LAtc: - Bằng tay (Auto) AL-1 Giá trị cảnh báo1 -999 đến 9999 (0) AL-2 Giá trị cảnh báo2 -999 đến 9999 (0) AHYS Độ trễ của sự cảnh báo 1 đến 250 (1) 1.6.5. Module đầu ra làm mát (5-02) Đầu ra điều khiển chính thứ 2 (OP2) có thể sử dụng cho hoạt động làm mát trong hệ thống có cả sự đốt nóng và làm mát. + Chu kỳ làm việc của đầu ra làm mát (CYC2) Chọn giá trị từ 0 đến 250s nếu chọn 0 thì đầu ra này tắt. + Hệ số tương quan giữa sự đốt nóng và làm mát Ví dụ: Sự đốt nóng làm việc với công suất 10KW, còn sự làm mát là 5KW thì hệ số GAN2 là 2. Tham số GAN2 có giá trị từ 0 đến 10.0 * Dải chết (hoặc sự chồng) của quan hệ đốt nóng/ làm mát. Tham số này tạo ra vùng mà cả sự đốt nóng/ làm mát cùng hoạt động hoặc cùng chết (không có hoạt động nào) Tham số db-2: -999 đến 9999 công suất đầu ra % OP1 +100% OP2 +100% nhiệt độ Đốt nóng Làm mát SETPOINT Hoạt động đốt nóng/ làm mát với db = 0 công suất đầu ra (%) db 0 đốt nóng SETPOINT Làm mát 2 1 5 nhiệt độ Hoạt động đốt nóng/ làm mát với (db<0) đốt nóng SETPOINT làm mát công suất đầu ra (%) OP1 +100% 2 1 5 đốt nóng SETPOINT làm mát công suất đầu ra (%) OP1 +100% 2 1 5 Hoạt động đốt nóng/ làm mát với db<0 Bảng tham chiếu các tham số Hiển thị Tham số Phạm vi hoạt động và các thành phần Mô tả - Ghi chú CYC2 Chu kỳ làm mát đến 250 s (0) O0 thì OP2 off GAN2 Hệ số quan hệ giữa đốt nóng và làm mát đến 10.0 (1.0) db-2 Dải chết hoặc sự chồng giữa đốt nóng/ làm mát -999 đến 9999 (0) Db-2 dương thì có dải chết. Db-2 âm thì có sự chồng 1.6.6- Module truyền thông nối tiếp (6-SC) Module truyền thông này chứa những tham số nhằm phục vụ cho việc giao tiếp với các thiết bị kết hợp khác như: Máy in, bộ điều khiển khả trình hay máy tính chủ… thông qu chuẩn truyền thông RS – 485. Khi giao tiếp với TCU thì định dạng dữ liệu của đối tác và TCU phải đồng nhất. Tham số về tốc độ baud (BAUD) Tốc độ baud nằm trong những giá trị sau: 300, 600, 1200, 2400, 4800 hoặc 9600 Khi chọn tốc độ baud cho sự giao tiếp thì tốc độ này phải phù hợp vớitất cả các đối tác khác trong hệ thống. Parity Bit (Parb) Mặc dù sử dụng kỹ thuật tín hiệu số nhưng do tác động của nhiều môi trường truyền dẫn mà thông tin ít nhiều bị sai lệch. Nhằm phát triển ra lỗi để khắc phục kịp thời thì phương pháp bảo toàn dữ liệu parity bit được lưạ chọn: Partybit có thể được chọn là: Parity chẵn, Parity lẻ hoặc không sử dụng Tham số địa chỉ (Addr) Khi có nhiều thiết bị kết nối với nhau trên cùng một giao diện truyền thông RS 485 thì mỗi thiết bị phải có một địa chỉ riêng biệt (có giá trị từ 0 đến 99). Nếu chọn địa chỉ 0 thì không cần phải chỉ rõ địa chỉ trao đổi thông tin với thiết bị chứa địa chỉ đó. Tham số về tốc độ in (PrAt) TCU có thể được lập trình để tự động vận chuyển yêu cầu in tới máy in với một tốc độ định trước. Tất nhiên tốc độ này lớn nhất là bằng tốc độ của máy in. Nếu chọn giá trị 0 thì huỷ bỏ yêu cầu in PrAt - 0 đến 9999s Lựa chọn in (POPT) Nếu chọn YES khi tới tham số này thì sẽ truy cập vào một danh sách những tham số cho yêu cầu in. Dùng nút ấn PAR để quét hết tham số trong danh sách, dùng nút UP và DOWN để chọn “YES” hay “NO” INP - in giá trị nhiệt độ vào SET - in nhiệt độ đặt Opr - in % công suất Pbd - in giá trị khuếch đại Int - in hằng số thời gian tích phân Der - in hằng số thời gian vi phân AL1 - in giá trị cảnh báo 1 AL2 - in giá trị cảnh báo 2 DEV - in giá trị chên lệch nhiệt độ Crg - in hệ số quan hệ giữa đốt nóng/ làm mát Cdb - in giải chết làm mát IN2 - in giá trị đầu vào Analog thứ 2 Pb2 - in hệ số khuếch đại (của bộ PID2) IT2 - in hằng số thời gian tích phân (của bộ PID2) DT2 - in hằng số thời gian vi phân (của bộ PID2) SP2 - in giá trị điểm đặt trực tiếp của chế độ điều khiển tầng SPrP 1.6.7- Module đầu ra (2-OP) Module này chứa những tham số tác động đến tín hiệu của TCU như: đầu ra điều khiển chính, đặc tính đầu ra trong chế độ tự chỉnh định, tìm lỗi cảm biến … Các tham số sẽ được giới thiệu dưới đây: Chu kỳ làm việc của đầu ra điều khiển chính (CYct) Sự lựa chọn chu kỳ này tuỳ thuộc vào hằng số thời gian quá trình và module đầu ra sử dụng. CyCT - 0 đến 250 (s) Thông thường chu kỳ này được chọn bằng 1/10 chu kỳ của hệ thống (9/10 còn lại TCU sẽ chờ hoặc tiến gành một số hoạt động cần thiết cho vòng điều khiển sau). Chu kỳ của hệ thống được tính từ lúc nhận tín hiệu vào (sau đó được xử lý, truyền đi…) đưa tín hiệu điều khiển tới đối tượng đến khi đối tượng thực sự bị tác động dưới tín hiệu điều khiển. Nếu chọn chu kỳ Cyct này quá nhỏ, thì lãng phí khá nhiều thời gian chờ. Nếu chọn quá lớn thì tín hiệu điều khiển có thể bị suy giảm. Nếu sử dụng module Triac, Logic / SSR để điều khiển thì có thể chọn thời gian này ít hơn 1/10. Nếu đặt Cyct = 0 thì OP sẽ tắt. Do đó nếu sử dụng đầu ra tương tự để sử điều khiển thì đặt tham số này ở (0). Tham số này cũng bị bỏ qua khi cài đặt hoạt động điều khiển vị trí van. Hoạt động của đầu ra điều khiển (OPAC) Nếu dùng TCU cho hoạt động đốt nóng/ làm mát thì bình thường OP1 sẽ sử dụng để đốt nóng, và hoạt động ở hành trình ngược, còn OP sử dụng làm mát ở hành trình thuận. Khi đó OPAC sẽ có giá trị là rEv. Nếu drct được đặt cho OPAC thì OP1 sẽ hoạt động ở hành trình thuận còn OP2 hoạt động ở hành trình ngược. Giới hạn công suất đầu ra (OPLO và OPHI) Cho hoạt động điều khiển bình thường: OPLO và OPHI : từ 0 đến 100% (tuỳ chọn) riêng đối với ứng dụng đốt nóng/ làm mát cần đặt OPLO và OPHI = -100% đến 100% Với hoạt động điều khiển bằng tay thì sự giới hạn này không có tác dụng. Loại bỏ đầu ra khi tìm thấy lỗi của cảm biến (OPFL) Nếu lỗi của cảm biến được tìm thấy, thì đầu ra điều khiển có thể bị tắt tuỳ thuộc vào giá trị đặt trong OPFL. OPFL có thể đặt giá trị trong khoảng (từ 0% đến 100%). Trong đó: OPFL = 0% thì OP sẽ OFF hoàn toàn OPFL = 100% thì OP1 ON hoàn toàn Khi cài đặt ứng dụng làm mát cần đặt OPFL trong khoảng từ –100% đến 100%. Tại 0% cả OP1 và OP2 đều OFF, 100% cả OP1 và OP2 OFF; -100% thì OP2 ON và OP1 OFF. Độ trễ của chế độ điều khiển ON/OFF (CHYS) Bộ điều khiển có thể làm việc ở chế độ điều chỉnh ON/OFF bằng cách đặt hệ số tỷ lệ (trong bộ điều khiển PID) ở 0o. Độ trễ điều khiển chỉ có thể điều chỉnh được đầu ra điều khiển chính (OP1). Giá trị CHYS từ 1o đến 250o Có thể đặt độ trễ nhỏ nhất nhằm loại trừ đến mức tối đa sự dao động quanh giá trị điểm đặt. Nhìn chung giá trị này được chọn từ 2o đến 5o là có thể thoả mãn yêu cầu. Trước khi chuyển sang chế độ tự chỉnh định tham số cần phải đặt giá trị cho tham số này. Đôi với sự điều khiển tầng, trong vòng thứ cấp giá trị này vào khoảng 1.5% thang đo nhiệt độ. Lựa chọn đặc tính đầu ra trong chế độ tự chỉnh định tham số. Chế độ tự chỉnh này sẽ xác định các thông số của bộ điều khiển PID giúp người thiết kế hệ thống, khi mà hoạt động nhận dạng đối tượng khó tiến hành hay với sự điều khiển mà chất lượng và tiêu chuẩn không quá khắt khe. Trước khi chuyển sang chế độ này, cần nhập vào đặc tính quá trình mong muốn. Có 5 đặc tính (hình vẽ) được đánh số tử 0 ¸ 4. Người vận hành hay thiết kế hệ thống cần đưa vào tham số tcod một trong những giá trị từ 0 ¸ 4 tuỳ theo yêu cầu theo yêu cầu cụ thể. Chế độ tự chỉnh định này sẽ ghi nhận trước được đặc tính của đầu ra và điều khiển hệ thống theo đặc tính đó dưới sự điều khiển của bộ PID. Nếu tcod được đặt bằng 0 thì đáp ứng đầu ra là nhanh nhất nhưng sự quá điều chỉnh có thể xảy ra. Nếu tcod = 4 thì đáp ứng đầu ra chậm nhất nhưng không có độ quá điều chỉnh hoặc gần như không đáng kể. Các đặc tính của chế độ tự chỉnh định tham số. SP 1 2 3 4 0 Đầu ra Analong tuyến tính một chiều (ANAS, ANLO, ANDB, ANUT ) Đầu ra này có thể sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau tuỳ theo yêu cầu của người thiết kế (hay vận hành) hệ thống. Tham số ANAS có thể được đặt ở : - OP : % công suất ra INP : đầu vào của quá trình khác DEV : độ chênh lệch nhiệt độ Sp : giá trị điểm đặt DE – 2 : độ chênh lệch của vòng thứ 2 (chỉ điều khiển tầng) SP-2 : điểm đặt nhiệt độ của vòng thứ 2 (chỉ điều khiển tầng) Điều này cho phép TCU có thể giao tiếp trực tiếp với một số thiết bị khác như máy ghi biểu đồ, thiết bị đo, bộ điều khiển hoặc bộ điều khiển tuyến tính công suất… ANLO (4mA hoặc 0 VDC): từ –999 đến 9999 ANHI (20mA hoặc 10 VDC): từ –999 đến 9999 Andb 0.0 đến 250% ANUT 0 đến 250 giây Ví dụ 1: Dùng đầu ra tuyến tính một chiều nối với máy ghi biểu độ nhiệt độ quá trình (điện áp vào 0 đến 10VDC) Dải nhiệt độ quá trình là 300 đến 700. Cần lập trình cho ANLO (OVDC) có giá trị 300 và ANHI (10VDC) có giá trị 700. Và điều quan trọng là cần ấn định tham số ANAS = INP. Ví dụ 2: Dùng đầu ra tuyến tính một chiều (4 đến 20mA) để điều khiển tuyến tính bộ điều khiển công suất. Với yêu cầu về dải chết là ± 2.0% và thời gian cập nhật là 10s. Khi đó ta sẽ có: ANAS = OP ANLO = 0.0% ANHI = 100.0% Andb = 2.0% Anut = 10s Analog Output(mA) đơn vị hiển thị ANLO ANHI 4 20 Hiển thị Tham số Phạm vi hoạt động và các thành phần Mô tả - Ghi chú CYCt Chu kỳ 0 đến 250s (2) 0 thì OP1 off OPAC Hoạt động điều khiển drct - làm mát reV - đốt nóng (rev) Cho cả chế độ điều khiển PID và ON/OFF OPLO Giới hạn dưới công suất đầu ra 0% đến 100%, OP1 (0) Cài đặt OPLO<OPHI -100% đến 100% OP1 và OP2 (100) Khi lựa chọn làm mát được cài đặt OPHI Giới hạn trên công suất đầu ra 0% đến 100%, OP1 (100) Cần đặt OPLO > OPHI -100% đến 100% OP1 và OP2 (0) Khi lựa chọn làm mát được cài đặt OPFL Định trước công suất đầu ra khi cảm biến bị lỗi 0% đến 100%, OP -100% đến 100% OP1 và OP2 Đặt giá trị để điều khiển an toàn hơn khi lỗi của cảm biến được tìm thấy CHYS Độ trễ của điều khiển 1 đến 250 độ Tcod Mã đặc tính đầu ra của chế độ tự điều chỉnh 0 đến 4 (0) 0 : đáp ứng nhanh nhất 4 : đáp ứng chậm nhất ANAS Phân định đầu ra tuyến tính một chiều OP - outpoint INP - input SP - sptpoint dEV – deviation dE-2 - SP - 2 –setpoint (OP) Tham số này xuất hiện khi lựa chọn đầu ra tương tự được cài đặt ANLO Giá trị thang đo dưới -999 đến 9999 (0.0 Thang đo trong hai tham số này tuỳ thuộc vào ANAS Chỉ sử dụng khi lựa chọn đầu ra Anlog ANHI Giá trị thang đo trên -999 đến 9999 (100.00) ANdb dải chết đầu ra tương tự đến 25% (0.0) Chỉ sử dụng khi ANAS = OP 0% không dải chết ANut Thời gian cập nhật 0 đến 250s (0) Chỉ sử dụng khi ANAS=OP CHƯƠNG 2 HOẠT ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN CỦA TCU 2.1. Điều khiển PID. Tên gọi P. I. D là chữ viết tắt của ba thành phần cơ bản trong bộ điều khiển kinh điển, trong đó: Khuyếch đại tỷ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D). Mặc dù lý thuyết điều khiển đã phát triển mạnh mẽ và có những bước tiến nhảy vọt như: điều khiển mở, ứng dụng mạng noron… nhưng bộ điều khiển P.I.D vẫn có vai trò vô cùng quan trọng. Bộ điều khiển P.I.D được sử dụng rộng rãi để điều khiển các đối tượng SISO (một vào - một ra) theo nguyên lý hồi tiếp. Bộ điều khiển PID sở dĩ được sử dụng rộng rãi là tích đơn giản của nó cả về cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc mà chất lượng lại tốt. Nhiệm vụ của nó là đưa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá độ thoả mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng . - Nếu sai lệch e (t) càng lớn thì thông qua thành phần Up (t), tín hiều điều chỉnh U (t) càng lớn (vai trò của khuếch đại P). - Nếu sai lệch e(t) chưa về 0 thì thông qua UI (t), PID vẫn còn tạo tín hiệu điều chỉnh (vai trò của tích phân I). - Nếu sự thay đổi e(t) có tốc độ nhanh thì thông qua thành phần UD(t), phản ứng thích hợp của u(t) sẽ càng nhanh (vai trò của vi phân D). Cấu trúc của bộ điều khiểu PID: e (t) u(t) UP UI UD + Điểu khiển với bộ điều khiểu PID. w(t) Đối tượng điều khiển e(t) u(t) y(t) Trong đó: w(t): tín hiệu vào y(t): tín hiệu ra e(t): sai lệch u(t): tín hiệu điều khiển. Bộ điều khiểu PID được mô tả dưới phương trình toán học sau đây bằng mô hình vào - ra. w(t) = kp e(t): tín hiệu đầu vào u(t): tín hiệu đầu ra. kp: hệ số khuếch đại TD: hằng số vi phân Từ mô hình vào - ra trên ta có được hàm truyền sau: W(s) = kp (1 + ) Từ hàm truyền trên ta có: chất lượng của hệ thống phụ thuộc vào ba tham số kp, ID, TI. Để hệ thống đạt được chất lượng theo yêu cầu đặt ra thì phải phân tích đối tượng rồi trên cơ sở chọn các tham số đó sao cho phù hợp. Một điều cần chú ý là không phải mọi trường hợp đều bắt buộc xác định cả ba tham số kp, TI và ID. Ví dụ những trường hợp mà bản thân đối tượng điều khiển đã có thành phần tích phân thì trong đó bộ điều khiểu không cần phải có thêm khâu tích phân mới khử được sai lệch tĩnh, hay nói cách khác, khi đó ta chỉ cần sử dụng bộ điều khiểu PD là đủ. Hoặc khi tín hiệu trong hệ thống thay đổi tương đối chậm và bản thân và bản thân bộ điều khiển không cần có phản ứng thật nhanh với sự thay đổi của sai lệch e(t) thì ta chỉ cần sử dụng bộ điều khiểu PI. Hình vẽ dưới đây mô tả đáp ứng đầu ra khi điều khiển bằng PID. P P.D P.I.D P.I t 0C SP 2.2. Điều khiển kế toán/OFF. Khi đặc tính đầu ra của hệ thống có xu hướng dao động mạch quanh điểm đặt và yêu cầu về chất lượng không quá khắt khe thì hoạt động điều khiển ON/OFF sẽ được thực hiện. Sự điều khiển này nhanh chóng làm giảm sự dao động lớn của đầu ra thông qua sự điều khiển về độ trễ. Độ trễ đầu ra càng nhỏ thì càng loại trừ được sự dao động đó. Đây là kiểu điều khiển đơn giản, hiệu qủa không thật sự cao nhưng có độ tác dụng nhanh, phù hợp với đối tượng có độ trễ lớn. Để thực hiện chế độ điều khiển này ta phải đặt tham số của bộ khuếch đại P (trong bộ PID) bằng 0 và tham số về độ trễ CHYS (chọn từ 1 đến 150 độ). Nhìn chung tham số này thường được chọn từ 2 đến 5 độ là thoả mãn yêu cầu về chất lượng. Độ trễ SP 0C t OUT PUT: OFF LED: OFF OUT PUT: ON LED: ON OUT PUT: OFF LED: OFF Hình 1a Độ trễ SP 0C t OUT PUT: OFF LED: OFF OUT PUT: ON LED: ON OUT PUT: OFF LED: OFF Hình 1b Hoạt động của sự điều khiển ON/OFF với đầu ra điều khiển OP1 Độ trễ SP 0C t OUT PUT: OFF LED: OFF OUT PUT: ON LED: ON OUT PUT: OFF LED: OFF Độ trễ SP 0C t OUT PUT: OFF LED: OFF OUT PUT: ON LED: ON OUT PUT: OFF LED: OFF + Điều khiển ON/OFF với đầu ra điều khiển OP2. Độ trễ SP 0C t OP 1: OFF db - 2 db - 2 OP 1: ON OP 1: OFF OP 1: ON OP 2: OFF OP 2: ON OP 2: OFF OP 2: ON t + Hoạt động điều khiển ON/OFF kết hợp cả OP1và OP2 với dải chết db -2 2.3. Chế độ tự chỉnh định tham số. Nhằm giảm bớt gánh nặng cho người thiết kế hệ thống, TCU đã xây dựng một chương trình để tự động nhận dạng đối tượng nghĩa là nó sẽ tiến hành đưa ra những tín hiệu thứ ghi lại đặc tính của đối tượng từ đó tính toán tham số của bộ điều khiểu PID. Điều này chỉ được thực hiện khi hệ thống được kết nối hoàn tất về mặt phần cứng và được khởi động trong chế độ ẩn. Cần nói thêm là sự tự chỉnh định này chỉ tương đối, thực hiện trên các đối tượng đơn giản và yêu cầu về chất lượng không quá cao. Trước khi tiến hành tự chỉnh định tham số cần lựa chọn các đặc tính mong muốn mà bộ điều khiểu PID sẽ thực hiện. Các đặc tính này được đánh số từ 0 đến 4, sự lựa chọn sẽ nhập vào tham số (tcod) trong module - 2. P.I.D P.I t 0C SP 0 1 3 4 2 Tuỳ thuộc vào đặc tính quá trình mà các tham số sau đây sẽ được đặt bởi chế độ tự chỉnh định tham số. + Hệ số khuếch đại (Prop) + Hằng số thời gian tích phân (Intt) + Hằng số thiết bị vi phân (dErt) + Bộ lọc tín hiệu vào (Fltr) Như vậy chế độ tự chỉnh định tham số này nhiều nhất là xác định được 4 tham số như trên. Trong khi đó một hệ thống muốn có chất lượng cao thì phải thoả mãn khá nhiều yêu cầu công nghệ, nên các tham số phải tương đối nhiều và đòi hỏi phải có tính toán rất cụ thể, chính xác. Sự hoạt động của chế độ này được mô tả dưới đây. ON OFF ON OFF ON OFF ON OFF Kết thúc quá trình tự chỉnh định tham số. Bộ PID được cài đặt và bắt đầu tính toán để điều khiển Điểm bắt đầu của sự chỉnh định Gọi chế độ tự chỉnh định Trạng thái OP1 Đầu ra tuyến tích 1 chiều 0C Có thể bắt đầu chế độ tự chỉnh định tham số bất cứ khi nào: Khi bắt đầu khởi động, từ ngư dân điểm đặt, hay tại điểm nào đó của nhiệt độ quá trình. Thông thường thì ta hay gọi chế độ này ngay sau khi khởi động, sau đó đến khoảng nhiệt độ bằng 3/4 nhiệt độ điểm đặt thì chu kỳ chỉnh định bắt đầu làm việc. + Các bước tiến hành. 1. Bắt đầu chế độ tự chỉnh định Đảm bảo rằng chế độ này không bị khoá trong modole chứa tham số (module - 3) Đặt TCU ở chế độ hiển thị bình thường Ấn PAR trong 3 s Tìm đến tham số "tUNE" (ấn PAR tiếp) Chọn "Yes" và tiếp tục ấn PAR Chế độ tự chỉnh định bắt đầu. 2. Huỷ bỏ (tham số của bộ PID là của chu trình trước. Chế độ tự chỉnh định phải không được khoá TCU ở chế độ hiển thị bình thường (tức là không phải ở chế độ hiển thi cảnh báo). Ấn và giữ nút bấm PAR trong 3 s Tìm đến tham số (tUNE) bằng nút UP & DOWN Chọn "No" rồi ấn PAR B. Hay có thể reset lại TCU bằng cách tắt ngay nguồn nuôi rồi cấp lại nguồn. CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG HOẠT ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN VỚI TCU - 12004 3.1. Mô hình hệ thống điều khiển. 5 15 15 % PW DSP DSP ĐKCS TCU - 12004 1 ~ 220V 4 2 3 Đây là mô hình điều khiển (SI - SO) với đối tượng là lò nhiệt điện trở. TCU - 12004 nhận tín hiệu từ cảm biết (4) rồi so sánh với nhiệt độ đặt và tiến hành tính toán để đưa ra tín hiệu điều khiển tới bộ ĐKCS (điều khiển công suất) nhằm thay đổi nguồn cung cấp cho dây mung (3) Trong đó: 1- ĐKCS: đây là bộ điều khiểu công suất để điều chỉnh nguồn xoay chiều cấp cho lò nhiệt 2 - Buồng đốt: được làm bằng gạch chịu lửa cách điện và nhiệt tốt, độ bền cơ học cao và ít bộ ăn mòn ở môi trường làm việc. 3 - Dây nung: làm bằng vật liệu có điện trở suất lớn, thường là dây Ni - Cr. Nhiệt lượng toả ra được tính theo công thức Jun - lenxơ: Q = I2. R . t 4 - Cảm biến: Hai loại cảm biến thường hay dùng để đo nhiệt độ là: cặp nhiệt điện và nhiệt điện trở. Cảm biến được đặt ở tâm lớn, biến sự thay đổi nhiệt độ thành sự thay đổi về điện áp để đưa về TCU (ở đây cảm biến là cặp nhiệt điện). 5 - thiết bị cảnh báo: sẽ báo động khi hệ thống gặp sự cố hoặc nhiệt độ quá trình ra khỏi vùng an toàn. * Sơ đồ nối tín hiệu ra/ vào TCU Thiết bị cảnh báo 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 + - 2 chân nối với cặp nhiệt điện (vào) Đầu ra tuyến tính 1 chiều 4 - 20mA (ra) OP 2/ AL1 OP2 - A AL2 OP1 - A OP1 - B OP1 - C ĐK CS ~ 220V Nguồn nuôi 3.1.1. Đặc điểm đối tượng điều khiển (lò điện trở) và phương pháp điều khiển nhiệt độ lò. * Đặc điểm lò điện trở. Với các ứng dụng cho công suất vừa và nhỏ thì lò điện trở là một giải pháp phổ biến. Ưu điểm lớn nhất của nó là tính đơn giản cả về nguyên lý lẫn thực tiễn công nghệ, dễ lắp đặt, vận hành vf chất lượng lại khá tốt. Tuy nhiên quán của lò lớn, sự thay đổi nhiệt độ của lò xảy ra chậm. Lò có hệ số dung lượng càng lớn thì độ trễ càng lớn. Nhiệt độ buồng lò không hoàn toàn đồng đều tại mọi điểm, vì vậy nên việc xác định nhiệt độ cũng bị phụ thuộc vào vị trí của cảm biến. Biến thiên nhiệt độ lò còn có tính tự cân bằng (tất nhiên là điều này xảy ra cực kỳ chậm) nên khi mất cân bằng giữa lượng nhiệt cung cấp và nhiệt lượng tiêu thụ thì ngư dân lò có thể tiến tới một giá trị xác lập mới mà không cần có tín hiệu điều khiển từ TCU. * Phương pháp điều khiển nhiệt độ lò điện trở. Nhiệt độ trong lò phụ thuộc vào nhiệt lượng toả ra từ đây nung, tức là nhiệt độ lò phụ thuộc vào công suất đặt vào buồng lò. Chình vì vậy để điều khiển nhiệt độ ta cần điều khiển công suất đặt vào nó. Từ công thức tính công suất của lò: P = I2. R Ta thấy ngay được hai cách để điều khiển công suất P. + Thứ nhất: điều khiển về phía tiêu thụ điện năng tức là thay đổi điện trở của lò. Phương pháp này sẽ gặp khó khăn khi nhiệt độ làm việc cao, lúc đó khoảng thay đổi điện trở là tương đối lớn nên độ chính xác kém. Phương pháp này ít được sử dụng còn bởi tính không liên tục và hạn chế về phạm vi điều khiển. + Điều khiển về phía cung cấp, tức là thay đổi công suất cung cấp cho dây đốt. Phương pháp này được dùng nhiều và đơn giản thông qua các bộ điều khiểu công suất. 3.1.2. Nghiên cứu và thiết kế phần cứng. * Sơ lược về vai trò của các bộ cảm biến. Trong các hệ thống đo lường - điều khiển, mọi quá trình đều được đặc trưng bởi các biến trạng thái như: nhiệt độ, áp suất, tốc độ, mô men… Các biến trạng thái này thường là các đại lượng không điệu. Nhằm mục đích điều chỉnh, điều khiển các quá trình ta cần thu thập thông tin, đo đạc, theo dõi sự biến thiên các biến trạng thái của quá trình. Nhiệm vụ đó được thực hiện bởi các bộ cảm biến, nên có thể coi nó là "tai mắt" của các dây chuyền, quá trình công nghệ và của các con người. Riêng cảm biến đo ngư dân có ý nghĩa cực kỳ quan trọng bởi đại lượng vật lý ngư dân được quan tâm nhiều hơn cả trong các đại lượng vật lý nói chung. Nhiệt độ đóng vai trò quyết định đến nhiều tính chất của vật chất. Để chế tạo các bộ cảm biến nhiệt độ người ta sử dụng nhiều nguyên lý cảm biến khác nhau từ đó sẽ có các loại cảm biến khác nhau. Có thể kể ra đây vài loại cảm biến thông dụng như: nhiệt điện trở, nhiệt ngẫu, phương pháp quang dựa trên phân bố bức xạ nhiệt do dao động nhiệt. * Cảm biến cặp nhiệt ngẫu (cặp nhiệt điện) A B t0 t 1 2 Bộ cảm biến mạch nhiệt ngẫu là một mạch có từ hai hay nhiều thanh dẫn điện gồm hai dây dẫn A và B. Chỗ nối giữa hai thanh kim loại 1 và 2 được hàn với nhau. Khi 2 mối hàn t và t0 có nhiệt độ khác nhau thì sẽ có dòng điện chạy qua trong mạch kín (theo Seebek). Chiều của dòng điện phụ thuộc và nhiệt độ tương ứng của môi hàn, tức là nếu t > t0 thì dòng điện chạy theo hướng ngược lại. Nếu để hở một đầu thì giữa hai cực xuất hiện 1 sức điện động (sđđ) nhiệt. Khi mối hàn 1 và 2 có cùng nhiệt độ (giả sử là t0) thì sđđ tổng: EAB = eAB (t0) + eBA (t0) = 0 eAB = eAB (t) - eAB (t0) Khi nhiệt độ ở t0, t khác nhau thì sđđ tổng: EAB = eAB (t) + eAB (t0) Hay: EAB = eAB (t) - eAB (t0) Đây chính là phương trình cơ bản của cặp nhiệt ngẫu. Giả sử : t0 = const => eAB (t0) = C (hằng số) Vậy có: EAB (t) = eAB (t) - C = f (t) Như vậy bằng cách đo sđđ ta có thể tìm nhiện độ t của vật. Đầu mối hàn t là đâu đo, đầu t0 là đầu tự do. Đặc tính của một số loại cặp nhiệt điện Sự thay đổi sđđ của một số loại cặp nhiệt điện được mô tả dưới đây. 70 60 50 40 30 20 10 200 600 1000 1400 1800 E J K E (mV) T (0C) KT J E - 10 - 200 R S T Các ý nghĩa của các ký hiệu E, J, T, K, R, S, B E: Chromel/ Constantan J: Sắt/ Constantan T: Đồng/ Constantan K: Chromel/ Alumen R: Platin - Rodi/ Platin S: Platin - Rodi/ Platin B: Platin - Rodi (30%) / Platin - Rodi (6%) + Thông số kỹ thuật của các cặp nhiệt điện thông dụng. Cặp nhiệt điện Dải nhiệt độ làm việc 0C Sức điện động mV Độ chính xác Đồng/ Constantan f = 1,63mm - 270 - 370 - 6,258 ¸ 19,027 (-1000C ¸ 400C) : ± 2% (40C ¸ 1000C) : ± 1,8% (-1000C ¸ 3500C) : ± 0,75% Sắt/ Constantan f = 3,25mm - 210 - 800 - 8,095 ¸ 45,498 (00C ¸ 4000C) : ± 3% (4000C ¸ 12500C) : ± 0,75% Chromel/Alumen f = 3,25 mm - 276 ¸ 780 - 9,835 ¸ 66,473 (00C ¸ 4000C) : ± 3% (4000C ¸ 12500C) : ± 0,75% Platin - Rodi (10%)/ Platin f = 0,51 mm - 50 ¸ 1500 - 0,236 ¸ 15,576 (00C ¸ 6000C) : ± 2,5% (6000C ¸ 15000C) : ± 0,4% Platin - Rodi (30%)/ Platin (6%) f = 0,51 mm 0 ¸ 1700 0 ¸ 12,426 (8700C ¸ 17000C) : ± 0,5% Platin - Rodi (13%)/ Platin f = 0,51mm - 50 ¸ 1500 - 0,226 ¸ 17,445 (00C ¸ 5380C) : ± 1,4% (5380C ¸ 15000C) : ± 0,25% Lonfram - Reni (5%)/ Lonfram - Reni (26%) 0 ¸ 2700 0 ¸ 38,45 + Thang đo nhiệt độ - Thang đo nhiệt độ tuyệt đối K Người ta lấy nhiệt độ cuẩ điểm cân bằng của ba trạng thái nước - nước đá - hơi một giá trị bằng 273,15K. Từ thang đo này xác định được thang đo Celsius và Fahrenheit + Thang Celsius: 0C Do Andreas Celsius (Thuỵ Điển) đưa ra năm 1742. Trong thang này thì mật độ C (0C) cũng bằng một độ K. Quan hệ giữa nhiệt độ Celsius và nhiệt độ Kelvin được cho theo biểu thức: T (0C) = T (K) - 273,15 + Thang Fahrenheit: Do Fahrenheit đưa ra năm 1706, quan hệ giữa nhiệt độ Celsius và Fahrenheit: T (0C) = [T (0F) - 32] T (0F) = T (0C) + 32 Bảng giá trị tương ứng một số nhiệt độ quan trọng của 3 thang đo Nhiệt độ K 0C 0F Điểm không tuyệt đối 0 - 273,15 - 459,67 Hoà hợp nước -