MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM KIỂM SOÁT LÒ NHIỆT Tên dự án: Mô hình hóa và mô phỏng mô hình thực nghiệm điều khiển lò nhiệt trên phần mềm Matlab. Cơ quan công tác: Trường Đại học Quản lý Công nghệ Hải Phòng Nội dung giảng dạy: Mô hình hóa và mô phỏng mô hình thực nghiệm điều khiển lò nhiệt trên phần mềm Matlab.
LỚP MẪU BÌNH LUẬN GIẢNG VIÊN Họ tên giảng viên: Nguyễn Doãn Phong. Với mong muốn tìm hiểu sâu hơn về lò sấy và khoa học công nghệ ứng dụng trong đó, tôi chọn đề tài “Mô hình hóa và mô phỏng mô hình thực nghiệm điều khiển lò sấy trên phần mềm Matlab”. Tìm hiểu tổng quan về công nghệ lò sấy, giới thiệu các phương pháp kiểm soát nhiệt độ lò sấy và lựa chọn phương pháp nghiên cứu, nhận dạng, nhận dạng từng thiết bị và tiến hành thiết kế, chế tạo mô hình điều khiển, giám sát lò.
Mô hình hóa và mô phỏng mô hình thí nghiệm điều khiển lò nhiệt trên phần mềm Matlab.
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ NHIỆT
- Khái niệm chung
- Phân loại lò nhiệt
- So sánh lò điện trở, lò hồ quang, lò cảm ứng
- Ứng dụng của lò nhiệt
- Cấu tạo lò điện trở
- Vỏ lò
- Lớp lót
- Dây nung
- Nguyên lí làm việc và tổn thất của lò điện trở
- Nguyên lí làm việc
- Tổn thất nhiệt trong lò
- Các phương pháp điều chỉnh nhiệt độ của lò
- Phương phápdùngmáy biến áp
- Phương pháp dùng rơle
- Phương pháp dùngrơlekết hợp với thysisor
- Phương pháp dùng hai thysistor mắc song song ngược
- Phương pháp dùng triac
Theo dòng điện sử dụng (lò hồ quang DC, lò hồ quang AC). Đây là phương pháp điều chỉnh điện áp từng bước, đòi hỏi máy biến áp công suất lớn. Đây là phương pháp thô sơ ít được sử dụng trong các hệ thống điều khiển tự động.
Phương pháp này có tính năng kiểm soát các mức nhiệt độ và điện áp khác nhau. Tuy nhiên, phương pháp này có ưu điểm: đơn giản, dễ sử dụng, phù hợp với yêu cầu công nghệ đòi hỏi độ chính xác cao. Khi sử dụng phương pháp này, khả năng thích ứng với các phạm vi khác nhau tương đối tốt.
KẾT LUẬN: Qua các phương pháp điều chỉnh lò ta thấy phương pháp sử dụng triac là phù hợp nhất với đề tài vì triac có những ưu điểm sau.
GIỚI THIỆU VỀ CÁC PHẦN TỬ TRONG MÔ HÌNH
- Sơ đồ khối các phần tử trong mô hình
- Bộ điều khiển nhiệt độ
- Giới thiệu chung về các bộ điều khiển nhiệt độ
- Bộ điều khiển nhiệt độ Autonics TK4S-Series
- Bộ điều khiển nhiệt độ Omron dòng E5CD
- Cảm biến nhiệt độ
- Cặp nhiệt điện (Thermocouple)
- Can nhiệtK
- Rơle bán dẫn HSR
Bộ điều khiển nhiệt độ là một thiết bị được sử dụng để kiểm soát nhiệt độ ở một nơi cụ thể. Bộ điều khiển nhiệt độ TK Autonics Series cho phép cài đặt các thông số qua cổng USB của PC. Ứng dụng bộ điều khiển nhiệt độ Autonics TK Series: dùng để điều khiển nhiệt độ trong lò nung, máy ép nhựa, công nghiệp giấy, gỗ, hóa chất, linh kiện điện tử, chế biến thực phẩm.
Bộ điều khiển nhiệt độ Autonics TK series hỗ trợ chức năng giao tiếp RS485 (Modbus RTU). Các model trong bộ điều khiển nhiệt độ E5CD được trang bị giao tiếp Modbub. Ứng dụng Bộ điều khiển nhiệt độ Omron E5CD: Dùng để điều khiển nhiệt độ trong lò nướng, máy ép nhựa, công nghiệp giấy, gỗ, hóa chất, linh kiện điện tử và chế biến thực phẩm.
Đối với các ứng dụng cần đo nhiệt độ > 850°C, cảm biến nhiệt điện trở RTD không thể đo được.
THIẾT KẾ MÔ HÌNH
Sơ đồ nguyên lý hệ thống
Tính chọn trang thiết bị cho mô hình
- Thiết kế lò nhiệt
- Bộ điều khiển TK4S-B4CR
- Rơle bán dẫn HSR-2D304Z 30A
- Bộ điều chỉnh nguồn SPC1-35
- Cảm biến nhiệt E52MY-CA10C D6.3MM SUS316 Omron
Dây điện trở: Làm nóng lò nên nhiệt độ nóng chảy phải cao hơn nhiệt độ tối đa của lò, độ bền cao, dễ uốn cong… một số loại dây như N80, Crom20, nhôm Niken. Do đó, nhóm đã thực hiện hiệu chuẩn bằng cách thử nghiệm trong phòng thí nghiệm với nhiệt độ yêu cầu tối đa là 400 độ C rồi đo điện trở của dây mayo. Từ các thí nghiệm tính toán công suất lò cho thấy kết quả lý thuyết có sự khác biệt so với kết quả thực tế, kết hợp với việc sử dụng dây điện trở, do khảo sát trực tiếp sự tăng giảm nhiệt độ của lò và dựa vào nhiệt độ. . Khi lò hoạt động từ 30 đến 200⁰ rút ra kết luận nên chọn dây đốt Nichrome Cr20Ni80N ở bảng 3.1 có điện trở 145Ω, nhiệt độ làm việc tối đa 1200oC, nhiệt độ nóng chảy 1400oC, tiết diện dây 1mm theo bảng. 3.2.
Dựa trên nghiên cứu về bộ điều khiển ở Chương 2, thông số kỹ thuật và nhu cầu người sử dụng, lựa chọn bộ điều khiển nhiệt độ TK4S – B4CR. Phần màn hình PV: hiển thị nhiệt độ hiện tại (PV) ở chế độ RUN và các thông số ở chế độ cài đặt. Phần màn hình SV: hiển thị giá trị nhiệt độ cài đặt (SV) cho điều khiển ở chế độ RUN và từng giá trị cài đặt thông số ở chế độ cài đặt.
4. Đèn báo điều khiển bằng tay: nó sẽ BẬT nếu chế độ điều khiển bằng tay được chọn. Phím A/M: Được sử dụng khi chuyển đổi chế độ điều khiển tự động ↔ chế độ điều khiển bằng tay. Phím MODE: Dùng khi vào chế độ cài đặt thông số và di chuyển thông số.
Phím : Được sử dụng để vào chế độ thay đổi giá trị cài đặt và di chuyển các chữ số. Phím : Được sử dụng khi vào chế độ thay đổi giá trị cài đặt và thay đổi giá trị cài đặt (chữ số). Cổng tải lên PC: Đây là cổng giao tiếp nối tiếp tải lên PC để cài đặt các thông số trên PC và xác minh việc sử dụng khi kết nối cáp tải lên chuyên dụng.
Điều khiển pha (cơ bản), điều khiển chu trình cố định (tùy chọn), điều khiển chu kỳ thay đổi (tùy chọn) Kiểu truyền. Thiết kế nhỏ gọn, thuận tiện cho việc sử dụng và di chuyển khi cần thiết.
Thiết kế các modul
- Modul van công suất
- Modul điều khiển lò nhiệt TK4S-B4CR
Các chức năng điều khiển
- Chức năng điều khiển ON/OFF
- Chức năng tự dò tham số PID (Auto-turning)
Dựa vào đường cong đặc tính thu được, chúng ta thấy sau khoảng 10 phút lò đạt đến giá trị cài đặt là 200 độ C. Trong thời gian này, bộ điều khiển sẽ TẮT, nhưng sau khi hoạt động quán tính, nhiệt độ vẫn tăng cao hơn giá trị cài đặt. Sau khoảng 2 phút, khi nhiệt độ giảm xuống vượt quá độ trễ nhiệt độ đã đặt, bộ điều khiển sẽ BẬT để duy trì trạng thái.
Sau khoảng 1,5 phút, nhiệt độ giảm xuống vượt quá độ trễ nhiệt độ đã đặt, bộ điều khiển sẽ bật để duy trì trạng thái. Cho thấy chức năng điều khiển ON_OFF đầu ra luôn ổn định xung quanh giá trị đã đặt. Tùy thuộc vào độ trễ nhiệt độ đặt trước, dao động nhiệt độ xung quanh nhiệt độ cài đặt sẽ khác nhau. Trong điều khiển PID, Tự động điều chỉnh xác định các đặc tính nhiệt và tốc độ phản hồi nhiệt của đối tượng điều khiển, sau đó xác định hằng số thời gian PID cần thiết.
Việc áp dụng hằng số thời gian PID giúp thực hiện điều khiển nhiệt độ có độ chính xác cao với tốc độ phản hồi nhanh. Khi tính năng tự động điều chỉnh được kích hoạt, đèn AT ở mặt trước bộ điều khiển sẽ nhấp nháy trong khoảng thời gian 1 giây. Khi Auto-Tuning kết thúc, đèn AT tự động tắt và thông số Auto-Tuning sẽ trở về OFF.
Kết quả cài đặt tham số tự động xoay trên bộ điều khiển được đọc với giá trị 200 độ C. Kết quả cài đặt tham số tự động xoay trên bộ điều khiển được đọc với giá trị 200 độ C. Sau khi cài đặt tham số tự động - Bằng cách xoay đầu ra của bộ điều khiển và theo dõi giá trị 200 độ C, chúng ta thấy rằng khi tiến gần đến giá trị cài đặt, bộ điều chỉnh giảm dần đầu ra và duy trì nhiệt độ cài đặt.
21 Kết quả cài đặt tham số quay tự động trên bộ điều khiển được in ra với giá trị 200 độ C. Sau khi cài đặt tham số quay tự động từ bộ điều khiển, bạn in tham số rồi thiết lập khảo sát với giá trị 200 độ C, ta thấy rằng bộ điều khiển sẽ giảm dần công suất khi nó đạt đến giá trị cài đặt và duy trì nhiệt độ cài đặt.
Nhận dạng đối tượng trong mô hình thí nghiệm
- Mô tả toán học lò nhiêt
- Xác định hàm truyền của bộ điều khiển nguồn và cảm biến
- Tìm tham số bộ điều khiển
14.Các thông số của bộ điều khiển được tối ưu hóa theo độ ồn (giảm hiệu ứng nhiễu) và hệ thống khép kín không có sự điều chỉnh quá mức. 31. Kết quả ghi thông số PI của bộ SCR theo phương pháp Haalman khi chưa tối ưu. 33. Kết quả ghi thông số PI của bộ SCR theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick khi chưa tối ưu.
35. Kết quả kiểm tra bộ tham số SCR PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick khi chưa tối ưu. 37. Kết quả khảo sát các thông số PI của nhóm SCR theo phương pháp Haalman thu được trên phần mềm. 38. Kết quả khảo sát các thông số PI của nhóm SCR sử dụng phương pháp Chien-Hrones-Reswick thu được trên phần mềm.
39. Kết quả nghiên cứu với thông số PID do SCR thiết lập theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick thu được bằng phần mềm. Nhận xét: Sau khi cài đặt các thông số trên bộ điều khiển công nghiệp, mức over-over adjustment rất nhỏ, dưới 5%, số lần dao động ≤ 1 nhưng thời gian chuyển tiếp gần giống như mô phỏng Simulink không tối ưu hóa. 43. PI Đặt Kết quả Khảo sát Phương pháp Chien-Hrones-Reswick Mức độ Khi Dưới mức Tối ưu.
44. Kết quả thăm dò bộ PI theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick tối ưu. 45. Kết quả khảo sát phạm vi điều chỉnh PID bằng phương pháp Chien-Hrones-Reswick khi chưa tối ưu. 46.
49. Kết quả nghiên cứu các tham số PID của bộ SSR sử dụng phương pháp Chien-Hrones-Reswick thu được trên phần mềm. Trong khi đó, chức năng nhất thời PID với các tham số được cài đặt trong bộ điều khiển công nghiệp đảm bảo hiệu chỉnh quá mức rất nhỏ, dưới 20% và thời gian nhất thời ngắn hơn. Cài đặt và hiệu chỉnh các thông số bộ điều khiển TK4S-B4CR cho lò nhiệt điện trở.
Tổng hợp các thông số bộ điều khiển, tối ưu hóa, cài đặt trong bộ điều khiển nhiệt độ, mô phỏng trong hộp công cụ Simulink.
