LUẬN VĂN ĐIỆN TỬ ĐIỀU KHIỂN PID TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC, AC BẰNG PLC

Đồ án 1: Điều khiển PID tốc độ động cơ DC, AC bằng PLC Trang 1 / 72 LỜI NÓI ĐẦU gày nay, với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, công nghệ thông tin và các chương trình ứng dụng; đã giúp ngành tự động hóa góp phần không nhỏ trong quá trình phát triển chung của đất nước. N Dùng máy tính để hiển thị trạng thái làm việc đươc sử dụng rộng rãi. Trong lĩnh vực tự động hóa trong công nghiệp, WinCC là một trong những phần mềm chuyên dùng của hãng Siemens để quản lý, thu thập dữ liệu và điều khiển quá trình công nghiệp. Xuất phát từ thực tế đó, bằng những kiến thức đã được học và được đọc ở trường cùng với những kiến thức tìm tòi từ báo chí sách vở và Internet chúng tôi đã quyết định tìm hiểu về đề tài: “ĐIỀU KHIỂN PID TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC, AC BẰNG PLC” Chúng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy TRẦN VĂN TRINH đã hướng dẫn, giúp đỡ trong quá trình thực hiện đề tài, cũng như những kiến thức bổ ích Thầy truyền đạt cho chúng tôi trong thời gian qua. Trong thời gian thực hiện đề tài chúng tôi không tránh khỏi những thiếu sót mong thầy cô và các bạn đóng góp thêm để hoàn thiện đề tài hơn nữa.  Gò Vấp, tháng 06 năm 2009 Đặng Hồng Hòa Đinh Trương Nam Duy SVTH: Đ.Hồng Hòa - Đ.T.Nam Duy GVHD:Th.s Trần Văn Trinh Đồ án 1: Điều khiển PID tốc độ động cơ DC, AC bằng PLC Trang 2 / 72 TÓM TẮT ĐỒ ÁN Sau khi hoành thành xong đồ án với đề tài là “Điều khiển PID tốc độ động cơ DC, AC bằng PLC” chúng tôi xin tóm tắt lại những vấn đề như sau: • Những công việc đã làm được: - Tìm hiểu rõ bộ điều khiển PID. - Tìm hiểu rõ chương trình WinCC để thiết kế được giao diện điều khiển trực quan, dể điều khiển, liên kết với các biến trong PC ACCESS để điều khiển PLC. - Thiết kế được mạch điều khiển động cơ DC bằng FET đảo chiều bằng role. - Thiết kế mạch kích động cơ AC sử dụng vi mạch TCA 785. - Mạch đọc xung Encoder hai pha A và B - Tìm hiểu và sử dụng được các thuật toán, các bộ HSC, PWM, PTO, PID… trong PLC. - Các bộ điều khiển PID điều khiển động cơ rất tốt thời gian xác lập nhỏ, sai số không đáng kể, các thông số của bộ điều khiển ổn định đáp ứng tốt ưu cầu đặt ra. • Những việc chưa làm được: - Khi động cơ có tốc độ lớn thì nếu vận tốc đặt nhỏ thì bộ điều khiển làm việc chưa được tốt còn có ít sai số trong khoảng thời gian xác lập - Đối với động cơ AC một pha, thì khi đặt tốc độ nhỏ <450 vòng/phút, thì động cơ chạy không ổn định. Do cấu tạo động cơ AC khi khởi động cần dòng I lớn hơn nhiều lần so với dòng định mức. SVTH: Đ.Hồng Hòa - Đ.T.Nam Duy GVHD:Th.s Trần Văn Trinh Đồ án 1: Điều khiển PID tốc độ động cơ DC, AC bằng PLC Trang 3 / 72 Ký nhận của giáo viên Th.S Trần Văn Trinh SVTH: Đ.Hồng Hòa - Đ.T.Nam Duy GVHD:Th.s Trần Văn Trinh Đồ án 1: Điều khiển PID tốc độ động cơ DC, AC bằng PLC Trang 4 / 72 Ký nhận của giáo viên SVTH: Đ.Hồng Hòa - Đ.T.Nam Duy GVHD:Th.s Trần Văn Trinh Đồ án 1: Điều khiển PID tốc độ động cơ DC, AC bằng PLC Trang 5 / 72 MỤC LỤC SVTH: Đ.Hồng Hòa - Đ.T.Nam Duy GVHD:Th.s Trần Văn Trinh Đồ án 1: Điều khiển PID tốc độ động cơ DC, AC bằng PLC Trang 6 / 72 Chương mở đầu: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.MỤC ĐÍCH Trong công nghiệp và điều khiển tự động ngày nay, máy tính và PLC ngày càng trở thành bộ phận không thể thiếu trong quá trình điều khiển và hầu hết các xí nghiệp tự động hiện nay đều dùng đến nó. Để hiểu rõ hơn về PLC và bộ điều khiển PID trong đồ án này chúng tôi chọn và thực hiện đề tài “ĐIỀU KHIỂN PID TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC, AC BẰNG PLC” 2.NỘI DUNG Đề tài “ĐIỀU KHIỂN PID TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC,AC BẰNG PLC” là sự kết hợp giữa WinCC và PLC để điều khiển tốc độ động cơ DC, AC nhằm đạt được tốc độ cài đặt từ trước tùy người sử dụng theo các hệ số tỉ lệ Kp, Ki, Kd trên giao diện được viết bằng WinCC. Sau đó từ chương trình điều khiển được viết trên PLC sẽ tính toán các thông số trên dựa vào thuật toán PID và xuất ra một xung PWM điều khiển động cơ DC hay một tần số PTO để điều khiển động cơ AC, đồng thời sẽ liên tục update tốc độ, độ rộng xung, tần số lên giao diện WinCC. Tổng quan nội dung đề tài:  Tìm hiểu bộ điều khiển PID.  Tìm hiểu và thiết kế giao diện điều khiển bằng WinCC.  Tìm hiểu cách kết nối và điều khiển giữa WinCC, PLC và các hệ thống khác : động cơ, encoder …  Tìm hiểu bộ HSC, điều xung PWM, điều xung PTO trong PLC. SVTH: Đ.Hồng Hòa - Đ.T.Nam Duy GVHD:Th.s Trần Văn Trinh Đồ án 1: Điều khiển PID tốc độ động cơ DC, AC bằng PLC Trang 7 / 72 Chương I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PID Bộ điều khiển PID (A proportional integral derivative controller) là bộ điều khiển sử dụng kỹ thuât điều khiển theo vòng lặp có hồi tiếp được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động. Một bộ điều khiển PID cố gắng hiệu chỉnh sai lệch giữa tín hiệu ngõ ra và ngõ vào sau đó đưa ra một một tín hiệu điều khiển để điều chỉnh quá trình cho phù hợp. 1.1. Hàm truyền đạt Hình 1.1: Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID Hàm truyền của khâu PID là: ( )         ++= sT sT KsG d i pC 1 1 Nếu e(t) là đầu vào, u(t) là đầu ra thì: ( ) ( ) ( ) ( )       ++= ∫ dt tde Tdtte T teKtu d i p 1 Hay viết dưới dạng khác: ( ) sT s K KsG d i pC ++= Với: – Kp là độ lợi của khâu tỷ lệ (Proportional gain) – K i là độ lợi của khâu tích phân (Integral gain) – Kd là độ lợi của khâu vi phân (Derivative gain) SVTH: Đ.Hồng Hòa - Đ.T.Nam Duy GVHD:Th.s Trần Văn Trinh Đồ án 1: Điều khiển PID tốc độ động cơ DC, AC bằng PLC Trang 8 / 72 Việc hiệu chỉnh 3 thông số KP, KI, KD sẽ làm tăng chất lượng điều khiển. Ảnh hưởng của 3 thông số này lên hệ thống như sau: Đáp ứng vòng kín Thời gian tăng Vọt lố Thời gian quá độ Sai sô xác lập K p Giảm Tăng Ít thay đổi Tăng K i Giảm Tăng Tăng Không xác định K d Ít thay đổi Giảm Giảm Thay đổi ít Hình 1.2 – Biểu đồ đáp ứng và điều chỉnh dùng PID 1.2. Biến đổi bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID có hàm truyền dạng liên tục như sau: ( ) i p d K G s K K s s = + + Có 3 phương pháp căn bản để biến đổi Z hàm truyền trên.  Phương pháp Euler thuận (Forward Euler): T z s 1− =  Phương pháp Euler nghịch (Backward Euler): zT z s 1− =  Phương pháp hình thang (Tustin): 1 12 + − = z z T s Theo phương pháp hình thang ta có biến đổi Z như sau: ( )       − +       − + += z z T K z z TK KzG di p 1 1 1 2 ` Viết lại G(z) ta có: ( ) 1 21 1 2 22 − −− −       +       −+−+       ++ = z z T K z T KTK K T KTK K zG ddi d di p Đặt: T KTK Ka di p ++= 2 0 ; T KTK Ka di d 2 2 1 −+−= ; T K a d = 2 Ta có: ( ) 1 2 2 1 10 1 − −− − ++ = z zazaa zG Từ đó, ta tính được tín hiệu điều khiển u(k) khi tín hiệu vào e(k) như sau: SVTH: Đ.Hồng Hòa - Đ.T.Nam Duy GVHD:Th.s Trần Văn Trinh Đồ án 1: Điều khiển PID tốc độ động cơ DC, AC bằng PLC Trang 9 / 72 ( ) ( ) ( ) ( ) ke z zazaa kezGku 1 2 2 1 10 1 − −− − ++ == Cuối cùng ta có được công thức sau: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 211 210 −+−++−= keakeakeakuku 2. GIỚI THIỆU VỀ WINCC a. Giới thiệu về WinCC WinCC ( Windows Control Center ): là chương trình kết hợp với PLC dùng để giám sát, thu thập dữ liệu và điều khiển các hệ thống tự động hóa quá trình sản xuất. nó là một chương trình HMI (Human Machine Interface) hổ trợ người dùng lập trình thiết kế giao diện người – máy. WinCC là hệ thống trung tâm điều khiển của cả hệ thống, nó cung cấp các tính năng như: hiển thị hình ảnh, các số liệu, lưu trữ dữ liệu, cảnh báo, giao diện than thiện, dễ điều khiển… Dưới đây là cách thức tạo một dự án mẫu: Đầu tiên là mở giao diện WinCC: Hình 1.3 . Cách vào WinCC 6.0 Vào menu => simatic => WinCC => windows control Center 6.0. Khi đó màn hình sẽ hiện lên thông báo tạo mới dự án như sau: • Single User Project :tạo dự án với 1 máy chủ. • Multi-User Project : tạo dự án với nhiều máy tính nối mạng. • Client Project :tạo dự án với 2 máy kết nối nhau. SVTH: Đ.Hồng Hòa - Đ.T.Nam Duy GVHD:Th.s Trần Văn Trinh Đồ án 1: Điều khiển PID tốc độ động cơ DC, AC bằng PLC Trang 10 / 72 Nhấn chọn Single User Project và OK. Hình 1.4 Tạo 1 project mới (1) Sau đó hộp thoại mới xuất hiện để tạo tên dự án và nơi lưu trữ như hình: Hình 1.4 Tạo 1 project mới (2) Khi đó cửa sổ soạn thảo giao diện xuất hiện như hình: Hình 1.5 Giao diện làm việc khi tạo project Để kết nối với PLC thì cần liên kết với DRIVER. Chọn phải chuột vào Tag Management và chọn Add New Driver: Hình 1.6 Kết nối PLC với máy tính (1) Khi đó hộp thoại Add New Driver xuất hiện và chọn OPC.CHN và chọn OK. SVTH: Đ.Hồng Hòa - Đ.T.Nam Duy GVHD:Th.s Trần Văn Trinh [...]... Trần Văn Trinh Đồ án 1: Điều khiển PID tốc độ động cơ DC, AC bằng PLC Trang 35/72 Sau đó click select: Và chọn biến cần hiển thị trong OPC: Hình 1.36 Hiển thị giá trị trên tag logging (2) Sau đó trong mục đã xuất hiện các biến cần hiển thị, khi đó cần click chuột phải vao các biến đó chọn Properties: SVTH: Đ.Hồng Hòa - Đ.T.Nam Duy GVHD:Th.s Trần Văn Trinh Đồ án 1: Điều khiển PID tốc độ động cơ DC, AC bằng. .. Communication, chọn Set PG/PC Interface Hình 1.23 Liên kết PLC với máy tính(1) Sau đó chọn Properties của PC/PPI cable (PPI) SVTH: Đ.Hồng Hòa - Đ.T.Nam Duy GVHD:Th.s Trần Văn Trinh Đồ án 1: Điều khiển PID tốc độ động cơ DC, AC bằng PLC Trang 21/72 Trong Tab PPI: chọn đúng tốc độ Bauds ở phần Transmission Rate: Tốc độ để mặc định là 9600, tốc độ Baud mặc định ở cáp cũng là 9600 ( tốc độ Baud này chỉ áp dụng đối... trong PLC để có thể điều khiển các ngõ ra trong PLC và hển thị chùng lên WinCC Giao diện của chương trình như sau: Hình 1.20 Giao diện khởi động PC Access Để tạo các biến ngoại thì trước tên đặt tên cho PLC ảo trong chương trình PC access bằng cách click chuột phải vào MicroWin(com1) và chọn New PLC SVTH: Đ.Hồng Hòa - Đ.T.Nam Duy GVHD:Th.s Trần Văn Trinh Đồ án 1: Điều khiển PID tốc độ động cơ DC, AC bằng. .. thì PLC sẽ thự hiện chương trình PID và xuất ra giá trị MN tại ngõ ra của PID Sau đây là bảng giá trị của bộ điều khiển: SVTH: Đ.Hồng Hòa - Đ.T.Nam Duy GVHD:Th.s Trần Văn Trinh Đồ án 1: Điều khiển PID tốc độ động cơ DC, AC bằng PLC Trang 32/72 5 GIỚI THIỆU VỀ GIAO TIẾP GIỮA PLC VÀ WINCC a Cách thức giao tiếp PC access Để giao tiếp được giữa PLC và WinCC thì trước tiên cần tạo các biến ngoại trong PC ACCESS... đọc xung tốc độ cao (HSC), ta cần phải thực hiện các bước cho vệc định dạng Wizard: Hình 1.27 Thiết lập High Speed Counter (1) * Chọn Wizard đọc xung tốc độ cao High Speed Counter: Chọn Mode đọc xung tốc độ cao và loại Counter nào (HC0,HC1…) Hình 1.28 Thiết lập High Speed Counter (2) SVTH: Đ.Hồng Hòa - Đ.T.Nam Duy GVHD:Th.s Trần Văn Trinh Đồ án 1: Điều khiển PID tốc độ động cơ DC, AC bằng PLC Trang... chế độ phát xung nhanh) mà không cần đấu phần cứng, nghĩa là PLC tự kiểm tra từ bên trong SVTH: Đ.Hồng Hòa - Đ.T.Nam Duy GVHD:Th.s Trần Văn Trinh Đồ án 1: Điều khiển PID tốc độ động cơ DC, AC bằng PLC Trang 26/72 Trên là bảng Mô tả chế độ đếm cũng như loại HSC, quy định địa chỉ vào Căn cứ vào bảng trên để có thể chọn loại HSC cho từng ứng dụng phù hợp • 1 Số Bit được sử dụng để điều khiển các chế độ. .. thiết lệp giao diện điều khiển thì trong giao diện WinCC click chuột phải vào Graphics Dedigner chọn new picture: Sau đó click chuột phải vào nó và chọn rename picture để đổi tên Hình 1.10 Tạo giao diện hoạt động (1) cần dùng và nhấp dúp vào để bắt đầu thiết kế giao diện điều khiển: SVTH: Đ.Hồng Hòa - Đ.T.Nam Duy GVHD:Th.s Trần Văn Trinh Đồ án 1: Điều khiển PID tốc độ động cơ DC, AC bằng PLC Trang 13/72... nhấn dùng lập trình C chọn “Mouse Action” phải chuột chọn “C-Action” Hình 1.16 Lập trình nút nhấn (1) • Hộp thoại “Edit Action” : SVTH: Đ.Hồng Hòa - Đ.T.Nam Duy GVHD:Th.s Trần Văn Trinh Đồ án 1: Điều khiển PID tốc độ động cơ DC, AC bằng PLC Tập lệnh cơ bản trong WinCC Trang 16/72 Kiểm tra lỗi Vùng lập trình Hình 1.17 Lập trình nút nhấn (2) Ví dụ: Tạo nút nhấn “Hoạt động theo yêu cầu khi nhấn thì đặt... cao ( PTO) trước hết ta phải thực hiện các bước định dạng sau: • Reset ngõ xung tốc độ cao ở chu kì đầu của chương trình • Chọn loại ngõ ra phát xung tốc độ cao Q0.0 hay Q0.1 SVTH: Đ.Hồng Hòa - Đ.T.Nam Duy GVHD:Th.s Trần Văn Trinh Đồ án 1: Điều khiển PID tốc độ động cơ DC, AC bằng PLC Trang 28/72 • Định dạng thời gian cơ sở ( Time base) dựa trên bảng sau: PTO/PWM Control Byte Reference: Result of executing... Communication còn có thể thực hiện bằng cách Vào CPU click chuột phải,chọn Type : Chọn Read PLC, nếu liên thông được thì chương trình có thể đọc được loại PLC, còn không thì nó sẽ báo,ta phải chọn lại cổng COM cũng như địa chỉ PLC trong phần Communications Hình 1.26 Chọn loại CPU SVTH: Đ.Hồng Hòa - Đ.T.Nam Duy GVHD:Th.s Trần Văn Trinh Đồ án 1: Điều khiển PID tốc độ động cơ DC, AC bằng PLC Trang 23/72 4.2 High . về PLC và bộ điều khiển PID trong đồ án này chúng tôi chọn và thực hiện đề tài “ĐIỀU KHIỂN PID TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC, AC BẰNG PLC 2.NỘI DUNG Đề tài “ĐIỀU KHIỂN PID TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC ,AC BẰNG PLC . Trinh Đồ án 1: Điều khiển PID tốc độ động cơ DC, AC bằng PLC Trang 2 / 72 TÓM TẮT ĐỒ ÁN Sau khi hoành thành xong đồ án với đề tài là Điều khiển PID tốc độ động cơ DC, AC bằng PLC chúng tôi. án 1: Điều khiển PID tốc độ động cơ DC, AC bằng PLC Trang 5 / 72 MỤC LỤC SVTH: Đ.Hồng Hòa - Đ.T.Nam Duy GVHD:Th.s Trần Văn Trinh Đồ án 1: Điều khiển PID tốc độ động cơ DC, AC bằng PLC Trang