Thiết kế và chế tạo bộ điều khiển đối tượng nhiệt trên cơ sở hệ mờ và plc s7 300

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN THANH TÙNG THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỐI TƯỢNG NHIỆT TRÊN CƠ SỞ HỆ MỜ VÀ PLC S7-300 NGÀNH : ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS VŨ VÂN HÀ Hà Nội – 2014 MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ LỜI CAM ĐOAN LỜI MỞ ĐẦU .1 CHƯƠNG GIỚI THIỆU VÀ NHẬN DẠNG ĐỐI TƯỢNG NHIỆT 1.1 Giới thiệu đối tượng nhiệt 1.1.1 Lò điện trở 1.1.2 Phân loại lò điện trở 1.1.3 Nguyên lý làm việc lò điện trở 1.1.4 Cấu tạo lò điện trở 1.2 Thiết bị cảm biến chấp hành 1.2.1 Thiết bị cảm biến .7 1.2.2 Thiết bị chấp hành .9 1.3 Nhận dạng đối tượng nhiệt 12 1.3.1 Đặt vấn đề 12 1.3.2 Nhận dạng lò điện trở thực nghiệm lò điện trở 2,5 KVA 13 1.4 Kết luận chương 17 CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỐI TƯỢNG NHIỆT 18 2.1 Bộ điều khiển PID .18 2.1.1 Giới thiệu chung 18 2.1.2 Phương pháp Ziegler Nichols .19 2.1.3 Phương pháp Halman 20 2.1.4 Phương pháp tổng Kuhn .22 2.1.5 Lựa chọn phương pháp tổng hợp điều khiển PID 23 2.2 Bộ điều khiển FUZZY PID 24 2.2.1 Tổng quan Logic mờ 24 2.2.2 Điều khiển mờ 27 2.2.3 Các bước tổng hợp điều khiển 28 2.2.4 Hệ điều khiển mờ lai .28 2.2.5 Thiết kế điều khiển PID FUZZY cho lò điện trở .30 2.2.6 Thiết kế điều khiển chỉnh định mờ tham số PID cho lò điện trở .34 2.2.7 So sánh điều khiển cho đối tượng Lò điện trở 41 2.3 Kết luận chương 49 CHƯƠNG PLC S7 300 VÀ CÁC PHẦN MỀM PHỤ TRỢ 50 3.1 Giới thiệu PLC S7-300 50 3.1.1 Giới thiệu chung 50 3.1.2 Giới thiệu PLC SIEMENS .50 3.1.3 Cấu trúc PLC 53 3.1.4 Phần mềm Step 53 3.1.5 Ngơn ngữ lập trình 53 3.1.6 Module điều khiển trình Step .54 3.2 Chương trình FCPA 62 3.2.1 Sử dụng DB mờ với FB30 (fuzzy control) 63 3.2.2 Fuzzy Control++ Step .65 3.3 Phần mềm WinCC (Windowns Control Center) 67 3.3.1 Tổng quan WinCC 67 3.3.2 Những chức WinCC .68 3.3.3 Hệ thống lưu trữ liệu WinCC 69 3.4 Kết luận chương 70 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT LÒ ĐIỆN TRỞ TRÊN CƠ SỞ HỆ MỜ VÀ PLC S7 300 71 4.1 Giới thiệu hệ thống 71 4.1.1 Lưu đồ 71 4.1.2 Giải thích lưu đồ 71 4.1.3 Bài toán 75 4.1.4 Giải toán 76 4.2 Lập trình cho PLC .78 4.2.1 Tạo Project .78 4.2.2 Chương trình điều khiển .79 4.3 Giao diện điều khiển giám sát 79 4.3.1 Tạo dự án với WinCC .79 4.3.2 Giao diện giám sát dự án Lò điện trở 81 4.4 Module Fuzzy Control++ cho lò điện trở 82 4.5 Kết luận chương .88 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO 90 PHỤ LỤC 91 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Nhập liệu từ cửa sổ Matlab 13 Hình 1.2 Xuất liệu từ file Excel thu thập 13 Hình 1.3 Giao diện Identification Tool 14 Hình 1.4 Nhập thơng số chuẩn bị nhận dạng 14 Hình 1.5 Ước lượng mơ hình 15 Hình 1.6 Ước lượng mơ hình qn tính bậc có trễ 15 Hình 1.7 Ước lượng mơ hình qn tính bậc có trễ .16 Hình 1.8 Ước lượng mơ hình qn tính bậc có trễ .16 Hình 1.9 Đặc tính xấp xỉ sau ước lượng mơ hình 17 Hình 2.1 Sơ đồ simulink hệ thống sử dụng thuật tốn PID Ziegler-Nichols 19 Hình 2.2 Đáp ứng hệ thống sử dụng thuật toán PID Ziegler-Nichols 20 Hình 2.3 Sơ đồ simulink hệ thống sử dụng thuật toán PI Halman 21 Hình 2.4 Đáp ứng hệ thống sử dụng thuật tốn PI Halman 21 Hình 2.5 Sơ đồ simulink mô hệ thống sử dụng phương pháp Tổng Kuhn 22 Hình 2.6 Đáp ứng độ hệ thống sử dụng phương pháp Tổng Kuhn 23 Hình 2.7 Thiết kế luatmo.fis 31 Hình 2.8 Mờ hóa tập đầu vào ET .31 Hình 2.9 Mờ hóa tập đầu vào DET 32 Hình 2.10 Mờ hóa tập đầu U 32 Hình 2.11 Luật điều khiển mờ 33 Hình 2.12 Luật điều khiển khơng gian 33 Hình 2.13 Sơ đồ simulink mô hệ thống sử dụng phương pháp 33 PID FUZZY 33 Hình 2.14 Đáp ứng độ hệ thống khi sử dụng phương pháp PID FUZZY 34 Hình 2.15 Thiết lập dải Et 35 Hình 2.16 Thiết lập dải DEt .35 Hình 2.17 Thiết lập dải Kp 36 Hình 2.18 Thiết lập dải Ki 36 Hình 2.19 Thiết lập dải Kd 37 Hình 2.20 Cửa sổ FIS Editor cho điều khiển lò nhiệt 37 Hình 2.21 Sơ đồ simulink mơ hệ thống điều khiển thiết kế theo phương pháp chỉnh định mờ tham số PID 39 Hình 2.22 Đáp ứng độ hệ thống điều khiển thiết kế theo phương pháp chỉnh định mờ tham số PID 40 Hình 2.23 Sơ đồ simulink mơ hệ thống điều khiển PID, PID FUZZY chỉnh định mờ tham số PID 41 Hình 2.24 Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển PID, PID FUZZY phương pháp chỉnh định mờ tham số PID 42 Hình 2.25 Sơ đồ simulink mơ hệ có điều khiển PID có nhiễu đầu vào 42 Hình 2.26 Đáp ứng độ hệ sử dụng điều khiển PID có nhiễu đầu vào 43 Hình 2.27 Sơ đồ simulink mô hệ thống sử dụng điều khiển PID FUZZY có nhiễu đầu vào 43 Hình 2.28 Đáp ứng độ hệ thống sử dụng điều khiển PID FUZZY có nhiễu đầu vào 44 Hình 2.29 Sơ đồ simulink mô hệ thống sử dụng điều khiển chỉnh định tham số PID có nhiễu đầu vào 44 Hình 2.30 Đáp ứng độ hệ thống sử dụng điều khiển chỉnh định tham số PID có nhiễu đầu vào .45 Hình 2.31 Sơ đồ simulink mô hệ thống với điều khiển thiết kế theo phương pháp tổng Kuhn có nhiễu đầu 45 Hình 2.32 Đáp ứng hệ thống với điều khiển thiết kế theo phương pháp tổng Kuhn có nhiễu đầu 46 Hình 2.33 Sơ đồ simulink mơ hệ thống có điều khiển thiết kế theo phương pháp PID FUZZY có nhiễu đầu 46 Hình 2.34 Đáp ứng hệ thống có điều khiển thiết kế theo phương pháp PID FUZZY có nhiễu đầu 47 Hình 2.35 Sơ đồ simulink mơ hệ thống có điều khiển thiết kế theo phương pháp chỉnh định mờ tham số PID có nhiễu đầu 47 Hình 2.36 Đáp ứng hệ thống có điều khiển thiết kế theo phương pháp chỉnh định mờ tham số PID có nhiễu đầu 48 Hình 4.1 Mơ hình thực hành Lị điện trở 2,5KVA 75 Hình 4.2 Project Lodientro .78 Hình 4.3 Cấu hình Hardware 78 Hình 4.4 Đặt tên cho Project đường dẫn lưu trữ 79 Hình 4.5 Cửa sổ làm việc WinCC .79 Hình 4.6 Tạo kết nối với PLC 80 Hình 4.7 Tạo giao diện mơ 80 Hình 4.8 Cửa sổ giao diện đồ họa WinCC 81 Hình 4.9 Giao diện điều khiển .81 Hình 4.10 Giao diện điều khiển PID 82 Hình 4.11 Giao diện điều khiển PID FUZZY .82 Hình 4.13 Khai báo đầu vào đầu .83 Hình 4.14 Các đầu vào, luật hợp thành If then 83 Hình 4.15 Khai báo cho đầu vào Et 84 Hình 4.16 Khai báo cho đầu vào DEt 84 Hình 4.17 Khai báo cho đầu Kp 85 Hình 4.18 Khai báo cho đầu Ki 85 Hình 4.19 Khai báo cho đầu Kd 86 Hình 4.20 Rule Table .86 Hình 4.21 Luật điều khiển Kp không gian 3D .87 Hình 4.22 Luật điều khiển Ki không gian 3D 87 Hình 4.23 Luật điều khiển Kd khơng gian 3D .88 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thực Các số liệu, kết nêu luận văn hồn tồn trung thực Tơi xin chịu trách nhiệm nghiên cứu Học viên Nguyễn Thanh Tùng LỜI MỞ ĐẦU  Giới thiệu hệ thống điều khiển nhiệt độ phương pháp điều khiển Nhiệt độ đại lượng vật lý diện khắp nơi nhiều lĩnh vực, công nghiệp sinh hoạt Nhiệt độ trở nên mối quan tâm hàng đầu cho nhà thiết kế máy điều khiển nhiệt độ trở thành mục tiêu ngành Điều khiển tự động Trong nhiều lĩnh vực kinh tế, vấn đề đo kiểm sốt nhiệt độ q trình khơng thể thiếu được, công nghiệp Đo nhiệt độ cơng nghiệp ln gắn liền với quy trình cơng nghệ sản xuất, việc đo kiểm soát nhiệt độ tốt định nhiều đến chất lượng sản phẩm Một điều thực cần thiết ta phải khảo sát kỹ đối tượng cung cấp nhiệt mà ta cần phải điều khiển để dẫn đến mơ hình tốn học cụ thể Từ giải toán điều khiển sở lý thuyết nghiên cứu sẳn Hệ thống điều khiển nhiệt độ phân làm hai loại: hệ thống điều khiển hồi tiếp (feedback control system) hệ thống điều khiển (sequence control system) Điều khiển hồi tiếp thường xác định giám sát kết điều khiển, so sánh với u cầu thực thi (ví dụ điểm đặt) tự động điều chỉnh Một hệ thống muốn xác cần phải thực hồi tiếp tín hiệu so sánh với tín hiệu vào gửi đến điều khiển hiệu chỉnh đầu Hệ thống điều khiển hồi tiếp có nhiều ưu điểm nên thường thấy hệ tự động Những năm đầu thập kỷ 90, ngành điều khiển kỹ thuật phát triển mạnh mẽ đem lại nhiều thành tựu bất ngờ lĩnh vực điều khiển, điều khiển mờ Ưu điểm điều khiển mờ so với phương pháp điều khiển kinh điển tổng hợp điều khiển mà không cần biết trước đặc tính đối tượng cách xác Trong thực tế để phát huy hết ưu điểm loại điều khiển mờ điều khiển rõ (kinh điển), người ta thường dùng hệ kết hợp hai loại điều khiển truyền thống điều khiển mờ với tạo điều khiển mờ lai Với đề tài: “Thiết kế chế tạo điều khiển đối tượng nhiệt sở hệ mờ PLC S7-300” nhiệm vụ luận văn gồm phần sau: - Tìm hiểu lị điện trở 2,5KVA - Nhận dạng đối tượng công cụ “Identification Toolbox” Matlab - Thiết kế, kiểm chứng lựa chọn điều khiển cho lò điện trở 2,5KVA phần mềm Matlab - Nghiên cứu thiết bị điều khiển khả trình PLC S7-300, phần mềm STEP 7, WinCC hãng Siemens phần mềm Fuzzy Control - Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát lò điện trở sở hệ mờ PLC S7 300  Nôi dung luận văn  Chương Giới thiệu nhận dạng đối tượng nhiệt  Chương Thiết kế điều khiển cho đối tượng nhiệt  Chương PLC S7 300 phần mềm phụ trợ  Chương Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát lò điện trở sở hệ mờ PLC S7 300 Để hồn thành luận văn này, học viên chân thành cảm ơn GS.TS Phan Xuân Minh, TS Vũ Vân Hà, thầy, cô Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội sở thực tập trường Cao đẳng nghề công nghệ cao Hà Nội HHT nhiệt tình giúp đỡ em suốt trình thực luận văn Tuy cố gắng hết sức, thời gian kiến thức cịn hạn chế nên luận văn khơng tránh khỏi sai sót, em mong bổ sung, góp ý thầy cô! Hà Nội, ngày tháng 08 năm 2014 Học viên Nguyễn Thanh Tùng Hình 4.21 Luật điều khiển Kp khơng gian 3D Hình 4.22 Luật điều khiển Ki khơng gian 3D 87 Hình 4.23 Luật điều khiển Kd không gian 3D  Nhận xét: Trong trình thực cài đặt điều khiển mờ phần mềm Fuzzy Control++ dùng Demo nên thiết lập Project thực nghiệm để kiểm chứng mơ hình 4.5 Kết luận chương Chương tập trung vào thiết kế điều khiển cho Lò điện trở sở hệ mờ PLC S7 300 Ở chương trình bày trình thiết lập dự án sử dụng phần mềm Step V5.5 để lập trình điều khiển đối tượng, xây dựng giao diện giám sát thu thập liệu phần mềm WinCC V7.0 cách cấu hình điều khiển mờ phần mềm Fuzzy Controll V5++ cho Simatic S7-300 88 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Trong q trình thực luận văn, dù có nhiều khó khăn việc nghiên cứu lý thuyết, cài đặt thuật toán điều khiển PLC S7-300 với hướng dẫn GS.TS Phan Xuân Minh, TS Vũ Vân Hà thầy cô Trường Đại học Bách khoa Hà Nội em đạt kết : - Nghiên cứu lị điện trở, phương pháp mơ hình hóa phương pháp điều khiển lị điện trở - Thiết kế, kiểm chứng lựa chọn phương pháp thiết kế điều khiển phần mềm Matlab - Nghiên cứu thiết bị điều khiển khả trình PLC S7-300, phần mềm STEP 7, WinCC hãng Siemens phần mềm Fuzzy Control - Tìm hiểu Module điều khiển trình phần mềm STEP - Cài đặt kiểm chứng điều khiển nhiệt độ cho đối tượng lò điện trở PLC S7 -300 Tuy nhiên trình thực cài đặt điều khiển mờ động phần mềm Fuzzy Control++ có phiên Demo nên soạn thảo, mơ cài đặt vào PLC S7-300 Hướng phát triển luận văn: - Cài đặt thành cơng thuật tốn điều khiển mờ để điều khiển đối tượng lò điện trở - Hướng nghiên cứu đề tài rộng mở lý thuyết điều khiển mờ mẻ với chúng ta, việc sâu nghiên cứu lý thuyết điều khiển mờ mục tiêu người làm điều khiển tự động đại - Nghiên cứu áp dụng vi xử lý để thiết kế điều khiển, PID, mờ thích nghi hướng nhằm hạ chi phí 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước (2006), Lý thuyết điều khiển mờ, NXB KH&KT [2] Nguyễn Dỗn Phước (2004), Lý thuyết điều khiển tuyến tính, NXB KH&KT [3] Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh (2001), Nhận dạng hệ thống điều khiển, NXB KH&KT [4] Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Vũ Vân Hà (2007), Tự động hóa với Simatic S7 - 300, NXB KH&KT [5] Nguyễn Phùng Quang (2005), Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB KH&KT [6] Hoàng Minh Sơn (2006), Cơ sở hệ thống điều khiển trình, NXB Bách Khoa Hà Nội 90 PHỤ LỤC Phụ lục 1: Bản vẽ khí mơ hình Lị điện trở 2,5 KVA BẢN VẼ CƠ KHÍ LỊ ĐIỆN TRỞ Bình module Bình modul Hộp điều khiển Nắp hộp điều khiển Khung module Ốp trước module Ốp module Ốp sau module Phụ lục 2: Chương trình PLC điều khiển Lị điện trở 2,5KVA OB1: "Main Program Sweep (Cycle)" A I 0.0 FP M CC 200.0 "khoi tao start/stop" A M 200.1 = Q 0.1 A I 0.1 = Q 0.2 OB35: "Cyclic Interrupt" FC1: bo_PID CALL "CONT_C" , DB10 COM_RST :=FALSE MAN_ON :=FALSE PVPER_ON:=FALSE P_SEL :=TRUE I_SEL :=TRUE INT_HOLD:= I_ITL_ON:= D_SEL :=TRUE CYCLE :=T#100MS SP_INT :=#setpoint PV_IN :=#nhietdothuc PV_PER :=PIW272 MAN := GAIN :=#Kp TI TD :=#Ti :=#Td TM_LAG := DEADB_W := LMN_HLM := LMN_LLM := PV_FAC := PV_OFF := LMN_FAC := LMN_OFF := I_ITLVAL:= DISV := LMN :=#ra LMN_PER := QLMN_HLM:= QLMN_LLM:= LMN_P := LMN_I := LMN_D := PV := ER :=#sailech FC2: bo_FUZZY CALL "FUZZY CONTROL" , DB20 //bo dieu khien mo INPUT1 :=#D_sailech INPUT2 :=#sailech INPUT3 := INPUT4 := INPUT5 := INPUT6 := INPUT7 := INPUT8 := OUTPUT1:=#ra OUTPUT2:= OUTPUT3:= OUTPUT4:= INFO := FC3: PID_FUZZY CALL "FUZZY CONTROL" , DB20 INPUT1 :=#D_sailech INPUT2 :=#sailech INPUT3 := //bo dieu khien mo INPUT4 := INPUT5 := INPUT6 := INPUT7 := INPUT8 := OUTPUT1:=#ra OUTPUT2:= OUTPUT3:= OUTPUT4:= INFO := ... loại điều khiển mờ điều khiển rõ (kinh điển), người ta thường dùng hệ kết hợp hai loại điều khiển truyền thống điều khiển mờ với tạo điều khiển mờ lai Với đề tài: ? ?Thiết kế chế tạo điều khiển đối. .. sở hệ mờ PLC S7 300  Nôi dung luận văn  Chương Giới thiệu nhận dạng đối tượng nhiệt  Chương Thiết kế điều khiển cho đối tượng nhiệt  Chương PLC S7 300 phần mềm phụ trợ  Chương Thiết kế hệ. .. phát huy hết ưu điểm loại điều khiển mờ điều khiển rõ, thường dùng hệ kết hợp hai loại điều khiển truyền thống điều khiển mờ với nhau, ta có hệ điều khiển mờ lai Bộ điều khiển mà trình làm việc