Đề tài Nghiên cứu và ứng dụng màn hình PanelView600 & compactlogix trong điều khiển lò nhiệt (Phần 1)

Nội dung text: Đề tài Nghiên cứu và ứng dụng màn hình PanelView600 & compactlogix trong điều khiển lò nhiệt (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỀ TÀI NCKH CẤP SINH VIÊN NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG MÀN HÌNH PANELVIEW600 & COMPACTLOGIX TRONG ĐIỀU KHIỂN LÒ NHIỆT S K C 0 0 0 2 8 1 MÃ SỐ: SV 2010 - 94 S K C 0 0 2 8 2 5 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, 2010
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH Đề tài: NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG MÀN HÌNH PANELVIEW 600 & COMPACTLOGIX TRONG ĐIỀU KHIỂN LÒ NHIỆT Mã số: SV2010-94 Thuộc nhóm ngành : Khoa học kỹ thuật Người chủ trì : Phạm Quốc Đạt Người tham gia : Phú Anh Quốc Đơn vị : Khoa Điện – Điện tử Tp Hồ Chí Minh, 02/2011
3. i Tóm tắt đề tài Trong công nghiệp, cùng với các thiết bị điều khiển của Siemens, Panasonic, Omron, Mitsubishi, các thiết bị của Allen-Bradley cũng được sử dụng rộng rãi trong các dây chuyền sản xuất. Đề tài sử dụng PLC CompactLogix L32E và màn hình PanelView 600 liên kết với nhau trên mạng Ethernet/IP để thực hiện điều khiển và giám sát nhiệt độ của lò nhiệt. PLC CompactLogix 1769-L32E của Allen-Bradley làm thiết bị điều khiển trong hệ thống. PLC này nhận tín hiệu nhiệt độ của lò nhiệt bằng module analog 1769-IF4 và tín hiệu điều khiển từ màn hình PanelView 600. PLC thực hiện thuật toán PID để điều khiển nhiệt độ lò nhiệt, bằng phương pháp PWM thông qua module 1769-OB32 và mạch kích công suất. Các thông số Kp, Ki, Kd trong thuật toán PID được lựa chọn theo ngõ ra tối ưu. Đối tượng điều khiển của hệ thống là mô hình lò nhiệt. Mô hình lò nhiệt sử dụng điện trở nhiệt khô 220V/1000W để gia nhiệt, truyền nhiệt trong môi trường không khí. Ngoài ra, lò nhiệt còn có quạt làm mát. Nhiệt độ lò được đo bởi cảm biến nhiệt độ LM35, tín hiệu này được khuếch đại và đưa vào module analog. Màn hình PanelView 600 đóng vai trò là màn hình HMI trong hệ thống. Thông qua màn hình này, người vận hành có thể giám sát trạng thái lò nhiệt và điều khiển lò nhiệt theo hai chế độ: manual và automatic. Chế độ manual cho phép người vận hành nhập một giá trị bất kỳ (từ 25OC đến 150OC). Chế độ automatic cho phép người vận hành chọn lựa một quy trình đã định sẵn và CompactLogix sẽ thực hiện điều khiển nhiệt độ lò theo một quy trình nhiệt độ và thời gian đã định trước.
4. ii Mục lục Tóm tắt đề tài i Mục lục ii Danh mục hình vẽ iii Danh mục các từ viết tắt iv Chương 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1 1.1 Đối tượng và khách thể nghiên cứu 1 1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1 1.3 Những vấn đề còn tồn tại 2 Chương 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 3 2.1 Mục tiêu nghiên cứu 3 2.2 Phương pháp nghiên cứu 3 2.3 Nội dung 4 2.3.1. Sơ đồ khối hệ thống 4 2.3.2. Tổng quan về mạng Ethernet/IP 5 2.3.3. Thiết kế mô hình lò nhiệt 7 2.3.4. Giao diện HMI 10 2.3.5. Thuật toán điều khiển lò nhiệt 14 2.3.6. Sơ đồ kết nối hệ thống thực tế 15 2.3.7. Phân tích đáp ứng của lò nhiệt 15 2.3.8. Hoạt động của hệ thống 17 2.4 Kết quả đạt được 22 2.4.1. Tính khoa học 22 2.4.2. Khả năng triển khai ứng dụng vào thực tế 22 2.4.3. Hiệu quả kinh tế - xã hội 22 Chương 3: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 23 3.1. Kết luận 23 3.2. Kiến nghị 24 Tài liệu tham khảo 25
5. iii Danh mục hình vẽ Hình 2.1. Sơ đồ khối hệ thống Hình 2.2. Mô hình mạng ba lớp của hãng Rockwel Automation Hình 2.3. Liên kết thiết bị trên mạng Ethernet/IP Hình 2.4. Thanh phát nhiệt Hình 2.5. Mạch nguyên lý khối điều khiển công suất Hình 2.6. Đồ thị kích dẫn triac Hình 2.7. Cảm biến nhiệt độ LM35 Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý tín hiệu Hình 2.9. Mô hình lò nhiệt Hình 2.10. Màn hình chính của PanelView Hình 2.11. Màn hình điều khiển trên PanelView Hình 2.12. Màn hình điều khiển chế độ Manual trên PanelView Hình 2.13. Màn điều khiển chế độ Automatic trên PanelView Hình 2.14. Màn hình trạng thái trên PanelView Hình 2.15. Màn hình cảnh báo trên PanelView Hình 2.16. Thuật toán điều khiển lò nhiệt Hình 2.17. Sơ đồ kết nối hệ thống thực tế Hình 2.18. Đáp ứng nhiệt tại SP=80OC Hình 2.19. Đáp ứng ngõ ra tại 80OC khi có giá trị bias Hình 2.20. Đáp ứng với các giá trị setpoint thay đổi Hình 2.21. Thiết lập chế độ manual trên PanelView Hình 2.22. Trạng thái lò nhiệt ở chế độ manual trên màn hình PanelView Hình 2.23. Trạng thái lò nhiệt ở chế độ manual trên SCADA Hình 2.24. Đáp ứng ngõ ra của lò nhiệt ở chế độ manual trên SCADA Hình 2.25. Thiết lập chế độ automatic trên PanelView Hình 2.26. Thiết lập cho RECIPE 2 trên SCADA Hình 2.27. Đáp ứng của lò nhiệt ở chế độ automatic Hình 2.28. Cảnh báo trên màn hình PanelView
6. iv Danh mục các từ viết tắt 1. HMI Human Machine Interface 2. IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers 3. IP Industrical Protocol 4. ODVA Open DeviceNet Vendors Asociation 5. PID Proportional Integral Derivative 6. PLC Programmable Logic Controller 7. PWM Pulse Width Modulation 8. SCADA Supervisory Control And Data Acquisition 9. Tp.HCM Thành phố Hồ Chí Minh
7. Chương 1: Đ ặ t v ấ n đ ề 1 Chương 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Đối tượng và khách thể nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là ứng dụng màn hình PanelView và CompactLogix trong điều khiển và giám sát nhiệt độ lò nhiệt. Để thiết lập được ứng dụng trên màn hình PanelView và CompactLogix, đề tài cần nghiên cứu các khách thể sau:  Màn hình PanelView, PLC CompactLogix, mạng EtherNet/IP,  Các phần mềm thiết lập chương trình cho PLC và màn hình như RSLink, RSLogix5000, PanelBuilder32,  Các linh kiện điện tử dùng để thiết lập mô hình lò nhiệt như Triac, thanh điện trở phát nhiệt, LM35, Opamp 1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Trong công nghiệp, cùng với các thiết bị điều khiển của Siemens, Panasonic, Omron, Mitsubishi, các thiết bị của Allen-Bradley cũng được sử dụng rộng rãi trong các dây chuyền sản xuất. Các thiết bị của hãng này, đặc biệt là màn hình HMI và thiết bị điều khiển, được sử dụng trong việc thiết kế các hệ thống tự động trong công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, cung cấp và xử lý nước, tiết kiệm năng lượng . Ở Việt Nam, các công ty, xí nghiệp lớn như P&G, MyLan Group, nhà máy xi măng Hà Tiên, nhà máy nhiệt điện Bà Rịa trang bị các dòng sản phẩm của Allen-Bradley (ControlLogix, FlexLogix, CompactLogix, PLC5, SLC500, Micrologix và Panelview ) vào các dây chuyền sản xuất, tủ điều khiển một cách phổ biến. Vì vậy, việc nghiên cứu các thiết bị điều khiển của Allen-Bradley có ý nghĩa thực tiễn trong trong công nghiệp. Ở các trường đại học kỹ thuật ở Việt Nam, các thiết bị điều khiển của Allen-Bradley chưa được phổ biến trong đào tạo. Trong khuôn khổ chương trình hợp tác với các
8. Chương 1: Đ ặ t v ấ n đ ề 2 trường đai học Việt Nam (UPP) của Rockwell Automation, tập đoàn này đã tài trợ các thiết bị điều khiển, module I/O, màn PanelView, biến tần cho phòng thí nghiệm tự động hóa của trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM và trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Vì vậy, việc nghiên cứu và ứng dụng các thiết bị này trong điều khiển còn có ý nghĩa trong đào tạo, giúp cho sinh viên tiếp cận được với những công nghệ mới nhất trong lĩnh vực tự động hóa. Nhiệt độ là đại lượng quen thuộc trong sinh hoạt và công nghiệp, các giá trị nhiệt độ khác nhau gây ra các quá trình và hiện tượng sinh, lý, hóa đặc trưng. Trong công nghệ sấy (sấy gỗ, nông sản, hải sản, làm khô bề mặt .) đòi hỏi nhiệt độ phải ổn định tại một điểm xác định. Mỗi giai đoạn sấy, cần có nhiệt độ khác nhau dựa vào quá trình biến đổi sinh, lý, hóa của nguyên liệu. Không chỉ trong công nghệ sấy, mà một số công nghệ khác cũng đòi hỏi sự ổn định nhiệt độ khi gia nhiệt. Quá trình tự điều chỉnh của các thiết bị gia nhiệt dưới sự chi phối của người vận hành sẽ đáp ứng yêu cầu trên trong công nghiệp. Trải qua gần 400 năm kể từ khi Cornelis Drebbel (người Hà Lan) phát triển hệ thống điều khiển nhiệt độ tự động đầu tiên dùng cho lò sưởi thì lịch sử loài người đã có dịp chứng kiến và hưởng thụ nhiều công nghệ hiện đại được áp dụng vào mục đích kiểm soát nhiệt độ. Đi đầu về công nghệ này vẫn thuộc về lĩnh vực điều khiển tự động. Ngày nay, nhiều phương pháp điều khiển ổn định ra đời dựa trên những giải thuật khác nhau từ đơn giản đến hiện đại và cả thông minh, tất cả đều phục vụ cho việc ổn định hệ thống và xa hơn nữa là cải thiện chất lượng đáp ứng; ngoài ra, còn có thêm các thiết bị công nghiệp hỗ trợ cho quá trình điều khiển và giám sát hệ thống như PLC, cảm biến, màn hình HMI, hệ thống SCADA. 1.3 Những vấn đề còn tồn tại Tự động hóa có những bước tiến mới trong công nghệ, cụ thể là các thiết bị điều khiển của Allen-Bradley được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, đặc biệt là các tập đoàn sản xuất lớn. Tuy nhiên, việc trang bị các thiết bị này trong đào tạo vẫn chưa được phổ biến như Siemens. Sinh viên vẫn chưa được tiếp xúc nhiều với những công nghệ mới này, trong đó có màn hình PanelView. Nhiệt độ là đối tượng điều khiển điển hình trong lý thuyết điều khiển, và là đối tượng phổ biến trong các ngành công nghiệp. Việc xây dựng mô hình lò nhiệt phục vụ cho thí nghiệm vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu về độ bền cơ học, thẩm mỹ, an toàn. Các chương trình điều khiển và giám sát nhiệt độ vẫn chưa hiệu quả, khó áp dụng vào thực tiễn.
9. C h ư ơ n g 2 : G i ả i q u y ế t v ấ n đ ề 3 Chương 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ Chương này sẽ trình bày mục tiêu nghiên cứu đề tài, cùng các phương pháp nghiên cứu để đạt được mục tiêu đề ra. Sau đó, chương 2 này sẽ trình bày nội dung nghiên cứu và kết quả đạt được của đề tài. Nội dung nghiên cứu bao gồm sơ đồ khối của hệ thống, điều khiển hệ thống, lựa chọn linh kiện và xây dựng mô hình lò nhiệt, kết quả thực nghiệm và hoạt động thực tế của hệ thống. 2.1 Mục tiêu nghiên cứu Đề tài “Nghiên cứu và ứng dụng màn hình PanelView và CompactLogix trong điều khiển và giám sát lò nhiệt” đề ra các mục tiêu nghiên cứu cần đạt được như sau:  Điều khiển và giám sát lò nhiệt bằng bộ CompactLogix L32E và màn hình PanelView thông qua việc xây dựng chương trình cho PLC CompactLogix và thiết lập giao diện giữa người và máy trên màn hình PanelView.  Nâng cao chất lượng điều khiển và giám sát nhiệt độ bằng phương pháp điều khiển PID quen thuộc và giám sát trên màn hình HMI và SCADA,  Giúp tiết kiệm nhân lực và tính tiện dụng bằng các chế độ vận hành. 2.2 Phương pháp nghiên cứu Để đạt được mục tiêu nghiên cứu trên, đề tài thực hiện nghiên cứu dựa vào hai phương pháp chính, đó là:  Phương pháp nghiên cứu lý thuyết.  Phương pháp thực nghiệm. Hai phương pháp này được thực hiện song hành. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết làm cơ sở cho thực nghiệm, và phương pháp thực nghiệm dùng để kiểm định lý thuyết và chọn ra hướng giải quyết tối ưu cho hệ thống.