ứng dụng bộ điều khiển mờ lai và scada trong hệ thống thử bơm

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG –– —— && –– —— LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Đề tài Ư Ư Ù Ù N N G G D D U U Ï Ï N N G G B B O O Ä Ä Đ Đ I I E E À À U U K K H H I I E E Å Å N N M M Ơ Ơ Ø Ø L L A A I I V V A A Ø Ø S S C C A A D D A A T T R R O O N N G G H H E E Ä Ä T T H H O O Á Á N N G G T T H H Ư Ư Û Û B B Ơ Ơ M M GVHD : Th. PHAN NGUYỄN PHỤC QUỐC SVTH : 1. NGUYỄN TUẤN ANH - 49700039 2. NGÔ HOÀNG QUÂN - 49701157 NIÊN KHÓA 1997 - 2002 Tháng 1/2002 Lời Cám ƠnLời Cám Ơn Có lẽ để bày tỏ lòng biết ơn của chúng em đến tất cả mọi người thì những lời cám ơn dưới đây chẳng thể nào tả hết, bởi vì sự giúp đỡ của mọi người quả là quá lớn lao. Trước hết, chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Phan Nguyễn Phục Quốc, là giáo viên hướng dẫn, người đã giới thiệu chúng em với công ty Vinh Nam, người thầy luôn nhiệt tình với học trò, cùng tất cả các thầy cô giáo trong bộ môn Điều Khiển Tự Động đã tạo cho chúng em một nền tảng kiến thức cần thiết cho sự nghiệp của chúng em sau này. Tiếp đến, chúng em xin chân thành cảm ơn toàn thể ban lãnh đạo và tất cả các anh chò trong công ty Vinh Nam đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để chúng em hoàn thành nhiệm vụ, đặc biệt chúng em xin gửi lời cảm ơn đến anh Thái Công Hùng – Giám đốc công ty – đã cho phép và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho chúng em đến thực tập tại công ty, anh Nguyễn An – Trưởng phòng kỹ thuật, anh Bùi Văn Quang, anh Nguyễn Vónh Thuận, anh Nguyễn Hoàng Thanh Hải, là những người đã trực tiếp hướng dẫn chúng em trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Cuối cùng, chúng em xin chân thành cảm ơn tất cả. HCMC, 14.1.2002 Nguyễn Tuấn Anh Ngô Hoàng Quân Nhận xét của giáo viên hướng dẫn Nhận xét của giáo viên phản biện Nhaọn xeựt cuỷa coõng ty Vinh Nam Mục lục i MỤC LỤC Lời Cám Ơn Nhận Xét Giới Thiệu Đề Tài Phần 1 Lý thuyết điều khiển mờ 1 Chương 1 Các khái niệm cơ bản 2 1. Khái niệm về tập mờ 2 2. Các phép toán trên tập mờ 4 3. Biến ngôn ngữ và các giá trò của nó 8 4. Luật hợp thành mờ 10 5. Giải mờ 15 Chương 2 Điều khiển mờ 21 1. Bộ điều khiển mờ cơ bản 21 2. Những nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ 22 3. Hệ điều khiển mờ lai 28 4. Chỉnh đònh mờ tham số bộ điều khiển PID 32 Phần 2 PLC S7-400 và Tập lệnh 37 Chương 1 Ngôn ngữ lập trình STL 38 1. Cấu trúc lệnh và trạng thái kết quả 39 2. Các lệnh cơ bản 45 3. Các lệnh toán học 55 4. Lệnh logic tiếp điểm trên thanh ghi trạng thái 57 5. Lệnh đổi kiểu dữ liệu 62 6. Các lệnh điều khiển chương trình 66 7. Bộ thời gian (Timer) 71 8. Bộ đếm (Counter) 75 9. Kỹ thuật lập trình 78 9.1. Lập trình tuyến tính và lập trình có cấu trúc 78 9.2. Tổ chức bộ nhớ CPU 79 9.3. Trao đổi dữ liệu giữa CPU và các modules mở rộng 80 9.4. Gọi khối FC 81 9.5. Instance block và thủ tục gọi khối FB 81 Chương 2 Điều khiển mờ với S7-400 82 1. Chương trình FCPA 82 2. Sử dụng DB mờ vơi FB30 (Fuzzy Control) 82 3. Module mềm PID 83 Mục lục ii Chương 3 Thuật toán điều khiển PID 93 1. Điều khiển PID liên tục 93 2. Dạng rời rạc của bộ điều khiển PID 95 2.1. Sự hiệu chỉnh thực tế của bộ điều khiển 96 2.2. Kỹ thuật antiwindup bộ tích phân 96 2.3. Chức năng cụ thể của các thành phần trong PID 101 Phần 3 HMI/SCADA (Development with iFIX/Intellution) 107 1. Tổng quan 108 1.1. Giới thiệu về iFIX 108 1.2. Thu thập dữ liệu 108 1.3. Quản lý dữ liệu 108 2. Cấu trúc 109 2.1. Giới thiệu về đồ họa (Graphics) 109 2.2. Thẻ (Tags) 111 2.3. Scheduler 112 2.4. Trình quản lý cơ sở dữ liệu (Database Manager) 114 2.5. Báo động (Alarming) 115 Phần 4 Thiết kế kỹ thuật sơ đồ công nghệ hệ thống thủ bơm 117 Chương 1 Tổng quan 118 1. Mục đích của hệ thống thử bơm 118 2. Thuyết minh kỹ thuật 118 2.1. Phương trình năng lượng 118 2.2. Tổn thất dọc đường trong ống 120 2.3. Tổn thất cục bộ trong đường ống 122 3. Phương pháp nghiên cứu và ứng dụng lý thuyết giải quyết bài toán 126 3.1. Phương pháp nghiên cứu 126 3.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ để chỉnh đònh tham số bộ điều khiển PID 127 3.3. Thiết kế mô hình và Lập trình điều khiển 128 4. Hướng dẫn vận hành hệ thống 132 5. Bảng chú giải tên của các thiết bò sử dụng 133 6. Bảng Chú Giải Các Đại Lượng Vật Lý và Các Thuật Ngữ Sử Dụng 134 Chương 2 Các thiết bò dùng trong luận văn 135 1. PLC S7-400 135 2. Combined Liquid Flow Transducer/Transmitter (Cảm biến lưu lượng)140 3. Proportional Solenoid Valves & Modules (Van điều khiển tỉ lệ) 141 DIP Switch 143 4. General Purpose Pressure Transducers/ Transmitters (GEMS Transinstruments) (Cảm biến áp suất lưu lượng) 143 Mục lục iii 5. Pump (Bơm) 143 6. Tủ điện 144 7. Đặt cấu hình – Kết nối các thiết bò 144 7.1. Sơ đồ chung 144 7.2. Kết nối các thiết bò trong mạng Industrial Ethernet 145 7.3. Đặt cấu hình cho S7-400 149 7.4. Kết nối các thiết bò của mô hình hệ thống thử bơm vào PLC 150 Chương 3 Chương trình chính 153 1. Diễn giải hệ thống 153 1.1. iFIX 153 1.2. Step 7 Manager 153 1.3. Lưu đồ giải thuật 153 2. Giao diện 155 2.1. Màn hình chính 155 2.2. Màn hình đặt giá trò 156 2.3. Màn hình xem báo động 158 2.4. Màn hình hiển thò kết quả 159 2.5. Màn hình About Program 160 3. Chương trình điều khiển 161 3.1. Cấu trúc chương trình 161 3.2. Project LVTN 161 Chương 4 Kết quả thi công và hướng mở rộng đề tài 163 1. Kết quả thi công 163 1.1. Điều khiển một điểm [lưu lượng] 163 1.2. Điều khiển 7 điểm [lưu lượng] 165 2. Hướng mở rộng đề tài 168 Tài liệu tham khảo Phụ lục 1 : Đặc điểm kỹ thuật của một số thiết bò Phụ lục 2 : Chương trình điều khiển hệ thống viết trên iFIX V2.21 Phụ lục 3 : Chương trình điều khiển hệ thống viết trên Step7 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀIGIỚI THIỆU ĐỀ TÀI –– —— && –– —— Những năm đầu của thập kỷ 90, một ngành điều khiển kỹ thuật mới được phát triển rất mạnh mẽ và đã đem lại nhiều thành tựu bất ngờ trong lónh vực điều khiển, đó là điều khiển mờ. Ưu điểm cơ bản của điều khiển mờ so với các phương pháp điều khiển kinh điển là có thể tổng hợp được bộ điều khiển mà không cần biết trước đặc tính của đối tượng một cách chính xác. Trong thực tế để phát huy hết ưu điểm của mỗi loại bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển rõ (kinh điển), người ta thường dùng các hệ kết hợp giữa hai loại bộ điều khiển truyền thống và điều khiển mờ với nhau, ta gọi đó là bộ điều khiển mờ lai. Từ đó, việc kết hợp giữa bộ điều khiển kinh điển và bộ điều khiển mờ chính là cơ sở lý thuyết cho đề tài này. Một trong những đơn vò nghiên cứu và ứng dụng các thành tựu khoa học đã đưa cơ sở lý thuyết này vào ứng dụng thực tế, công ty TNHH TM&DV Vinh Nam, với dự án Hệ thống thử bơm và Máy nén khí, được lắp đặt tại xí nghiệp liên doanh VietsoPetro. Quasự giới thiệu của thầy Phan Nguyễn Phục Quốc, những người thực hiện đã được công ty giao cho việc thực hiện một mô hình Demo thu nhỏ của dự án (dó nhiên là đơn giản hơn hệ thống thật) với tên gọi “ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI VÀ SCADA TRONG HỆ THỐNG THỬ BƠM” với mục đích thử nghiệm thành công cơ sở lý thuyết này. Bên cạnh đó, những người thực hiện còn nghiên cứu ứng dụng SCADA (Supersisory Control And Data Acquisition) vào việc điều khiển và giám sát cũng như thu thập số liệu của hệ thống. Hệ thống thử bơm là một hệ thống có quán tính lớn, các thông số của hệ thống lại hoàn toàn không biết trước, vì thế để điều khiển hệ thống, những người thực hiện đã kết hợp giữa bộ điều khiển kinh điển PID và lý thuyết điều khiển mờ để hệ thống có thể tự chỉnh đònh các thông số của nó nhằm đưa hệ thống đạt được yêu cầu của bài toán. Nhận thấy tầm ứng dụng to lớn của PLC SIMATIC S7-400 sẵn có tại công ty và phần mềm rất hiệu quả Step7, những người thực hiện đã tranh thủ đưa vào ứng dụng cho hệ thống của mình. Như vậy, nội dung của luận văn gồm những phần chính như sau: • Cơ sở lý thuyết: Phần 1: Lý thuyết điều khiển mờ Phần 2: PLC SIMATIC S7-400 và Tập lệnh Phần 3: HMI/SCADA (Development with iFIX – Intellution) • Ứng dụng – Vận hành Phần 4: Thiết kế kỹ thuật sơ đồ công nghệ hệ thống thử bơm Việc gì cũng có khó khăn, trở ngại của nó, không nhiều thì ít (thời gian, thiết bò, ) và do đó, sai sót, khuyết điểm,… là điều không tránh khỏi. Những người thực hiện kính mong quý thầy cô cũng như các anh chò trong công ty thông cảm và lượng thứ. Mọi ý kiến góp ý, những người thực hiện đều xin ghi nhận. Cuối cùng, những người thực hiện xin chân thành cảm ơn tất cả. Sinh viên Nguyễn Tuấn Anh Ngô Hoàng Quân [...]... toán và giảm giá thành sản phẩm • Trong nhiều trường hợp bộ điều khiển mờ làm việc ổn đònh hơn, bền vững hơn và chất lượng điều khiển cao hơn 1 BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CƠ BẢN Một bộ điều khiển mờ cơ bản gồm ba thành phần cơ bản: • Khâu Fuzzy hóa • Thiết bò thực hiện luật hợp thành • Khâu giải mờ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ SCADA TRONG HỆ THỐNG THỬ BƠM Trang 21 Phần 1: Điều khiển mờ R1 : NẾU THÌ x1 H1... với những khâu động bổ sung này, bộ điều khiển cơ bản sẽ được gọi là bộ điều khiển mờ x(t) ∫ dt Bộ điều khiển mờ cơ bản y’(t) d dt Hình 1.18: Ví dụ về một bộ điều khiển mờ động 2 NHỮNG NGUYÊN TẮC TỔNG HP BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ 2.1 Đònh nghóa các biến vào ra Trong ví dụ này, việc đònh nghóa các biến vào ra cho bộ hợp thành mờ tương đối đơn giản Đại lượng vào của bộ điều khiển mờ chình là sai lệch ( được ký... x) và nhiệt độ thực y (nhiệt độ đo được từ bộ cảm biến tín hiệu ra của đối tượng) Ngoài ra trong bộ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ SCADA TRONG HỆ THỐNG THỬ BƠM Trang 22 Phần 1: Điều khiển mờ điều khiển mờ còn sử dụng đến sự biến đổi theo thời gian của sai lệch (đạo hàm d ET ) giữa tín hiệu chủ đạo và tín hiệu ra của đối tượng (ký hiệu bằng DET) dt Luật điều khiển ET x - E Thiết bò hợp thành và giải mờ P... phương pháp độ cao và không chỉ áp dụng cho luật hợp thành Max-Min, Sum-Min mà còn có thể cho những luật hợp thành khác như Max-Prod hay Sum-Prod ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ SCADA TRONG HỆ THỐNG THỬ BƠM Trang 20 Phần 1: Điều khiển mờ Chương 2 ĐIỀU KHIỂN MỜ Đ iều khiển mờ chiếm một vò trí rất quan trọng trong điều khiển học kỹ thuật hiện đại Ngay từ buổi đầu tiên, điều khiển mờ đã đem lại sự ngạc nhiên đáng... THÌ xq Hq Hình 1.17: Bộ điều khiển mờ cơ bản Do bộ điều khiển mờ cơ bản chỉ có khả năng xử lý các giá trò tín hiệu hiện thời nên nó thuộc nhóm các bộ điều khiển tónh Tuy vậy để mở rộng miền ứng dụng của chúng vào các bài toán điều khiển động, các khâu động học cần thiết sẽ được nối thêm vào bộ điều khiển mờ cơ bản Các khâu động đó chỉ có nhiệm vụ cung cấp thêm cho bộ điều khiển mờ cơ bản các giá trò... thuật điều khiển này đồng nghóa với độ chính xác và khả năng thực hiện Tuy là ngành kỹ thuật điều khiển non trẻ nhưng những ứng dụng trong công nghiệp của điều khiển mờ thật rộng rãi như: điều khiển nhiệt độ, điều khiển giao thông vận tải, điều khiển trong các lónh vực hàng hóa dân dụng So với các giải pháp kỹ thuật từ trước đến nay được áp dụng để tổng hợp bộ điều khiển, phương pháp tổng hợp hệ thống. .. nhiều điều kiện Một mệnh đề hợp thành với d mệnh đề điều kiện NẾU χ1 = A1 VÀ χ2 = A2 V VÀ χd = Ad THÌ γ = B (1.31) bao gồm d biến ngôn ngữ đầu vào χ1, χ2, , χd và một biến đầu ra y cũng được mô hình hóa giống như việc mô hình hóa mệnh đề hợp thành có một điều kiện, ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ SCADA TRONG HỆ THỐNG THỬ BƠM Trang 13 Phần 1: Điều khiển mờ trong đó liên kết VÀ giữa các mệnh đề (hay giá trò mờ) ... của luật điều khiển quyết đònh ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ SCADA TRONG HỆ THỐNG THỬ BƠM Trang 16 Phần 1: Điều khiển mờ µB B1 B2 H y y’ Hình 1.11: Giá trò rõ y’ không phụ thuộc vào đáp ứng của luật điều khiển quyết đònh 5.1.2 Nguyên lý cận trái Giá trò rõ y’ được lấy bằng cận trái y 1 theo (1.33) Giá trò rõ lấy theo nguyên lý cận trái này sẽ phụ thuộc tuyến tính vào độ thỏa mãn của luật điều khiển quyết... x∈X (1.21) trong đó a) µ~ ( x) A µB ( y ) ~ x b) µA ( x , y ) µB ( x , y ) x X×Y x y ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ SCADA TRONG HỆ THỐNG THỬ BƠM Trang 7 Phần 1: Điều khiển mờ µA ∩ B ( x, y ) c) x y Hình 1.4: Phép giao hai tập mờ không cùng cơ sở a) Hàm liên thuộc của hai tập mờ A và B b) Đưa hai tập mờ về cùng một cơ sở c) Giao hai tập mờ cùng cơ sở là tích hai cơ sở X và Y 2.3 Phép bù của một tập mờ ~ Bù... (1.10) Công thức (1.8) cũng áp dụng được cho hai tập mờ không cùng cơ sở như đã làm đối với giao của hai tập mờ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ SCADA TRONG HỆ THỐNG THỬ BƠM Trang 4 Phần 1: Điều khiển mờ µ µA(x) µB(x) x Hình 1.3: Hợp của hai tập mờ cùng cơ sở Đònh nghóa hợp hai tập mờ không cùng cơ sở : Hợp hai tập mờ A có hàm liên ~ thuộc µA (x ) (đònh nghóa trên cơ sở X) và B có hàm liên thuộc µB ( y) (đònh . thu nhỏ của dự án (dó nhiên là đơn giản hơn hệ thống thật) với tên gọi ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI VÀ SCADA TRONG HỆ THỐNG THỬ BƠM” với mục đích thử nghiệm thành công cơ sở lý thuyết này dùng các hệ kết hợp giữa hai loại bộ điều khiển truyền thống và điều khiển mờ với nhau, ta gọi đó là bộ điều khiển mờ lai. Từ đó, việc kết hợp giữa bộ điều khiển kinh điển và bộ điều khiển. còn nghiên cứu ứng dụng SCADA (Supersisory Control And Data Acquisition) vào việc điều khiển và giám sát cũng như thu thập số liệu của hệ thống. Hệ thống thử bơm là một hệ thống có quán tính