Nghiên Cứu Chế Tạo Bộ Điều Khiển Đa Năng Dựa Trên Vi Điều Khiển 16 Bit Cho Các Ứng Dụng Công Nghiệp.docx

DTCB2007 4 Baocaotongket doc Béc«ngth−¬ng viÖn nghiªn cøu®iÖntö,tù®éng,tinhäc hãa B¸o c¸o tæng kÕt®Òtµi cÊp bé n¨m 2007 nghiªn cøu,chÕt¹obé®iÒu khiÓn ®a n¨ngdùatrªnvi®iÒukhiÓn16bit choc¸cøngdôngc«ngng[.]

Bộcôngthơng viện nghiên cứuđiệntử,tựđộng,tinhọc hóa Báo cáo tổng kếtđềtài cấp năm 2007 nghiên cứu,chếtạobộđiều khiển đa năngdựatrênviđiềukhiển16bit chocácứngdụngcôngnghiệp Chủnhiệmđềtài: Trịnhh ả i t h i 6936 04/8/2008 hànội-2007 BỘCƠNGTHƯƠNG VIỆNNCĐIỆNTỬ,TINHỌC,TỰĐỘNGHĨA  BÁOCÁO KẾTQUẢTHỰCHIỆNĐỀTÀINCKHVÀPTCNCẤP BỘNĂM2007 Tênđềtài: NGHIÊNCỨU,CHẾTẠOBỘĐIỀUKHIỂNĐANĂNGDỰATRÊNVIĐIỀ UKHIỂN16BITCHOCÁCỨNGDỤNGCƠNGNGHIỆP (Mãsố:139.07RD/HĐ-KHCN) Chủnhiệmđềtài: Đơnvịchủtrì: Cáccơquanphốihợpchính: ThS.TrịnhHảiThái ViệnNCĐiệntử,Tinhọc,Tựđộnghóa CơngtyCPBia ThanhHố,HàNội-HảiDương, HàNội–12/2007 DANHSÁCHCÁNBỘTHAMGIATHỰCHIỆNĐỀTÀI STT Họvàtên Đơnvịcơngtác TrịnhHảiThái ViệnNCĐiệntử,Tinhọc,Tựđộnghóa TrầnVănTuấn ViệnNCĐiệntử,Tinhọc,Tựđộnghóa NguyễnTuấnNam ViệnNCĐiệntử,Tinhọc,Tựđộnghóa TạVănNam ViệnNCĐiệntử,Tinhọc,Tựđộnghóa ĐinhĐứcChính ViệnNCĐiệntử,Tinhọc,Tựđộnghóa PhạmChíCơng ViệnNCĐiệntử,Tinhọc,Tựđộnghóa NguyễnThịHươngLan ViệnNCĐiệntử,Tinhọc,Tựđộnghóa PhạmThùyDung ViệnNCĐiệntử,Tinhọc,Tựđộnghóa BùiĐứcThắng ViệnNCĐiệntử,Tinhọc,Tựđộnghóa 10 PhạmHùngCường ViệnNCĐiệntử,Tinhọc,Tựđộnghóa MỤCLỤC Chương1-TỔNG QUANVỀBỘĐIỀUKHIỂNĐANĂNG Cơsởpháplý/xuấtxứcủađềtài Tínhcấpthiếtvàmụctiêunghiêncứucủađềtài .4 2.1 Tínhcấpthiết 2.2 Mụctiêunghiêncứu Đốitượng/phạmvivànộidungnghiêncứu 3.1 Đốitượngnghiêncứu 3.2 Nộidungnghiêncứu .5 Tổngquantìnhhìnhnghiêncứutrongnước Tổngquantìnhhìnhnghiêncứungồinước 5.1 Tổngquan .6 5.2 Giớithiệucácbộđiềukhiểnđanăngcủanướcngoài 5.3 Cácứngdụngđiềukhiểntiêubiểu 13 Khảosátthựctếtrongnước .15 Mộtsốcơngtrìnhđãthicơngsửdụngbộđiềukhiểnđanăng 17 Tổngkếtvềbộđiềukhiểnđanăng .18 Chương2-THIẾTKẾCHẾTẠOBỘĐIỀUKHIỂN 19 Tổngquanvềthiếtkế 19 Thiếtkếchếtạophầncứng 20 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 Sơđồthiếtkếtổngthểphầncứng .20 Yêucầuđốivớilinhkiện,thiếtbị 20 Modulexửlýtrungtâm 22 Modulevào/rasốvàPWM .23 Modulevào/ratươngtự 24 Modulehiểnthịvàbànphím 25 ModuletruyềnthôngRS232/RS485 .25 Modulenguồn .26 ModuletruyềnthôngEthernet .26 ThiếtkếcácmoduleđầuvàotươngtựchocảmbiếnRTD,TC .30 ModulepHtransmitter 32 Xâydựngphầnmềmtrênbộđiềukhiển .43 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 Thiếtkếgiaodiệntươngtác 43 Xâydựngcáchàmtoánhọc 46 Xâydựngcáchàmlogic 48 XâydựnghàmPIDtựchỉnh 49 Xâydựngchứcnăngđiềukhiển .55 Xâydựngchứcnănglưutrữ 61 Xâydựngchứcnăngcảnhbáo/báođộng 62 XâydựngchứcnăngtruyềnthôngEthernet 63 XâydựngchứcnăngtruyềnthôngRS232/RS485 68 Hoạtđộngcủabộđiềukhiển 69 XâydựnghệSCADAtrêncơsởbộđiềukhiểnđanăng 74 4.1 MạngtruyềnthôngtronghệSCADA .74 4.2 Giaothứctruyềnthông 75 4.3 XâydựngphầnmềmSCADA 83 Chương3-THỬNGHIỆM 94 Thửnghiệmtrongphịngthínghiệm 94 Thửnghiệmthựctế 97 KẾTLUẬN 104 LỜICÁMƠN 104 TÀILIỆUTHAMKHẢO 105 TiếngViệt 105 TiếngAnh 105 PHỤLỤC 106 Chương1-TỔNGQUANVỀBỘĐIỀUKHIỂNĐANĂNG Cơsởpháplý/xuấtxứcủađềtài Đềtài“Nghiêncứu,chếtạobộđiềukhiểnđanăngdựatrênviđiềukhiển16bitchocác ứngdụngcơngnghiệp”đượcthựchiệntheo: Hợpđồngnghiêncứukhoahọcvàpháttriểncơngnghệsố04-16RD/BCNKHCNgiữaBộCơngnghiệp(BênA)vàViệnNghiêncứuĐiệntử,Tinhọc,Tựđộnghố(BênB)k ýngày26tháng01năm2006 Hợpđồngnghiêncứukhoahọcvàpháttriểncơngnghệsố139.07RD/HĐKHCNgiữaBộCơngnghiệp,naylàBộCơngThương(BênA)vàViệnNghiêncứuĐiệntử,Tinhọ c,Tựđộnghố(BênB)kýngày06tháng02năm2007 Tínhcấpthiếtvà mụctiêunghiêncứucủađềtài 2.1 Tínhcấpthiết Bộđ iềukhiểnđ an ăngh i ệnđ angđ ợ cs ửd ụngr ộngrã i trongc c ứngd ụngcơngnghiệpnh ưđiềukhiểnnhiệtđộ,ápsuất,lưulượng,pH, vìcócácưuđiểm: nhỏgọn(ngàycàngnhỏhơntheosựpháttriểncủacơngnghệsảnxuấtchip);chophépgiảm đángkểthờigianthiếtkế,thicơngcơngtrìnhtựđộnghố;cónhiềuchứcnăngcàiđặtsẵndễsửdụn g;mứcđộthơngminh,bộnhớngàycàngcao;hỗtrợnhiềuchuẩntruyềnthơngquốctếnê n dễmở r ộnghệthống;tí c h h ợpsẵntính năngđiềukhiển(từđơngiảnc h o t ớiphứct ạp)phùh ợpc h onhi ềuđố itượngđiềukhiểntrongcơngnghiệp ( C c ưuđiểmsẽđượcphântíchsâuhơntrongcácmụcsau) TạiViệtNamhầuhếtcácbộđiềukhiểnđanăngđềudonướcngồicungcấpvớigiát h n h cao, dovậyviệcnghiêncứuthiếtkếchếtạo,tiếntớisảnxuấtcácthiếtbịnàytrongnướclàcầnthiếtn hằmlàmchủcơngnghệsảnxuất,giảmgiáthànhsảnphẩm,gópphầntạoracácsảnphẩmđiệntử cókhảnăngcạnhtranhtronggiaiđoạngianhậpWTO 2.2 Mụctiêunghiêncứu Năm2006,đềtàiđặtracácmụctiêusau:  Nghiêncứu,làmchủcơngnghệthiếtkếchếtạobộđiềukhiểnđanăngcógiát h n h hạc hocácứngdụngtrongcơngnghiệptạiViệtNam,cókhảnăngthaythếcácthiếtbịngoại nhậpcócùngtínhnăng  Làmcơsởđ ể tiếptụcnghiêncứuc c côngnghệviđ iềukhiểnti ê n tiếnhơntrongt ươn gl a i đ ể n â n g c a o c h ấtlượngvàp h ạmviứngd ụngc ủab ộđ iềukhiển Năm2007,đềtàiđặtracácmụctiêusau:  Hồnthiệnvàmởrộngchứcnăngchobộđiềukhiểnđanăngtrêncơsởkếtquảnghiêncứu củagiaiđoạnI,đápứngucầuthựctế  Xâydựngmạngtruyềnthơngtrêncơsởbộđiềukhiểnđanăngứngdụngtrongc c hệSC ADA Đốitượng/phạmvi vànộidung nghiêncứu 3.1 Đốitượngnghiêncứu Kháiniệm:Hiệnna y chưathấycómộtđịnhnghĩachuẩnnàovềbộđiềukhiểnđanăng,tuyn hiênhãngHoneywellđưaradịngs ảnphẩmUDC(UNIVERSALDIGITALCONTROLLERS)cócáctínhnăngtươngtựcácbộđiềukh iểncủanhiềuhãngnổitiếngnhưSiemens-SIPART,BurkertDIC(DigitalIndustrialController),OMRONDC(DigitalC o n t r o l l e r ) , ABB(AdvancedProcessC o n t r o l l e r ) , C ó t h ểp h â n biệtbộđiềukhiểnđanăngbằngmộtsốđặcđiểmđặctrưngsau:  Đượcx â y dựngt r ê n n ềnt ảngc c p h ươngphá p đ iềukhiểnthơngthườngvàh i ệnđ ại(điềukhiểnPID,điềukhiểnfuzzy,điềukhiểnthíchnghi, ),dovậyc ó thểápdụn gchonhiềucácbàitốnđiềukhiển(tínhđanăng):sửdụngnhiềunhấttrongđiềukhiểnq trình(processcontrol)  Ngườisửdụngxâydựngchươngtrìnhđiềukhiểnbằngphươngphápcấuhìnhc ấutrúc bộđ iềukhiểndựatr ê n cơsởc c khốihàmchuẩndựngsẵn,dovậykhơngđịihỏilậptr ìnhbằngngơnngữ(tấtnhiênngườisửdụngphảilàchungiatíchhợphệthốngchứkhơ ngphảienduser).Cáckhốihàmchuẩnlànhữngh m r ấth a y s ửd ụngtrongđ iềukhiểnc c q u t r ì n h cơngnghiệpnhư:lọc(filt er) ,c h ốngnhiễu(pulse suppress),scaling,PID,n hậndạng,c c hàmtoánh ọc,hàmlogic,  Mộtbộđiềukhiểnđanăngthườngđượcsửdụngchođiềukhiểncụcbộ,tươngđ ố iđộclậ p(liênđộngít)mộthayvàikhâuquymơnhỏtronghệthốngtựđộngh o Đốivớinhững hệthốnglớn,ngườitathườngsửdụngbộđiềukhiểnđan ăngkếthợpvớiPLC  Cókhảnăngkếtnốimạngtheocácgiaothứctruyềnthơngmở(cácgiaothứct r ê n c ơs ởRS485,RS232,E t h e r n e t , ) , d o vậyc ó t h ểmởrộng,t í c h h ợph ệthốngdễdàn g  Ngồiramộtxuthếđãkháphổbiếnlàtíchhợplntínhnăngcủatransmittervàobộđiều khiển 3.2 Nộidungnghiêncứu Năm2006,đềtàiđãthựchiệncácnộidungsau:  Nghiêncứu,thiếtkếchếtạophiênbảnIbộđiềukhiểnđanăng.Kếtquảlàđãt ạorasảnp hẩmUDC.01vớicáctínhnăngcơbảnnhư:điềukhiểnPID,truyềnthơngtrêncơsởRS4 85/RS232,vào/rachuẩn,cấuhìnhtừxa(đặtcấuhìnhtừmáytínhquamạngRS232)  ThửnghiệmbộđiềukhiểntrongthựctếchoứngdụngđiềukhiểnđộcứngvàpHc ủah ệ thốngl ọcn ước.B ộđ iềukhiểnđ ãđ iềukhiểnc h í n h x c ( t ươngđươngvớibộđiều khiểnSC100củaHACHvềđộchínhxác)vàcóđánhgiátốtc ủacơsởsảnxuất Năm2007,đềtàiđăngkýnộidungnghiêncứusau:  Hồnthiệnvàmởrộngchứcnăngcủabộđiềukhiểnbaogồm:tínhtốntốnh ọc,thiế tkếchếtạomodulevào/ racắmthêm;thiếtkếchếtạomodulekhuyếchđạit í n hiệuR T D , T C vàp H ; x â y dựng bộl ọc;x â y dựngchứcn ăngPIDtựchỉnh;xâydựngchứcnăngtruyềnthôngtheochuẩn Ethernet  Xâydựngh ệSCADAt r ê n c ơsởb ộđ iềukhiểnđ an ăngb a o gồm:mạngE t h e rn e t kếtnốic ác b ộđ iềukhiểnđ an ăngvàmáytính,p h ầnmềmSCADAt r ê n PCphụcvụgi ámsát,c ấuh ì n h từx a Giaothứct r u y ềnthơngsửd ụngTCP/IP  Thửnghiệmvàđánhgiákếtquả Tổngquantìnhhìnhnghiêncứutrongnước Việcthi ếtkếc h ếtạoc c b ộđ iềukhiểntrongcơngnghiệpnóichungkhơngphảilàmớitạiViệ tNam,tuynhiênhầuhếtcácbộđiềukhiểnđềuhướngvào mộtphạmvirấth ẹpcácứngdụng(chủyếulàgiámsátđiềukhiểnnhiệtđộ)nênthườngcócấutrú ccốđị nhvàí t t í n h năng.Độmềmd ẻokhơngc a o, đ ịihỏikiếnthứcc h uy ê n sâuvềlậptrình,t ốnnh i ềuth ờigian,cơngsứccho thiếtkếchếtạođểđápứngnhữngucầumớicủacơngngh ệđãkhiếncácbộđiềukhiểnnàykhóthíchnghiđượctrongnhiềut r ườnghợpthựctế.Mặtkhá cnhiềubộđiềukhiểndựatrênviđiềukhiển8bitdohạnch ếvềtốcđộvàbộnhớđãkhơngđápứngđượcucầupháttriểnngàycàngtăng c ủac ơsởsảnx u ấtnhưn â n g cấp,mởr ộngđểnâ n g caonăngsuất,sảnlượng,c h ấtlượngđồn gthờicũnglàmgiảmphạmviứngdụng TrênthịtrườngchưacóbộđiềukhiểnđanăngcóthươnghiệuViệtNam,hầuhếtđềup hảinhậpk hẩutừnướcngồivớigiáthànhcaogấpnhiềulầnsovớisảnxuấttrongn ướcnhưtạicácnhàm áybiaHảiDương,ThanhHố,KimBài,TháiBình;CơngtyphânđạmvàhốchấtHàBắc; CơngtyGangthépTháiNgunnhữngbộđiềukhiểnpH,T,DO,Ca,Flow,ápsuất, đềunhập ngoại.Bêncạnhđóhầuhếtcácđơnvịchưac h ú ýtíchhợpcáctransmittervàobộđiềukhiểnđểt ăngthêmgiátrịsửdụngcủanóhoặccácchứcnăngđiềukhiểncịnđơngiảnchưađápứngđượct hựctế Tổngquantìnhhìnhnghiêncứungồinước 5.1 Tổngquan NhiềuhãnglớnnhưSIEMENS,Honeywell,OMRON,ABB đãnghiêncứuvàpháttriểnc c b ộđ iềukhiểnđ an ăngn h ưd ò n g sảnp h ẩmSIPART(SIEMENS),UDC(HoneyW ell), DigitalProcessC o n t r o l l e r (OMRON),AdvancedProcessC o n t r o l l e r ( A B B ) đ angđượcsửdụngrộngrãitrênthếgiới.Nhiềuthuậttốnđiềukhiểnphứctạp,nhiềuchứcnăn gtínhtốnđượccàiđặtsẵnđãlàmchobộđiềukhiểncóthểdùngtrongnhiềuứngdụngvàđúngn hưtêngọicủanó“đanăng”.Trênmộtbộđiềukhiểncóth ểc ó s ẵnc c thu ậtt ố n đ iềukhiểnP ID,đ iềukhiểnmờ,đ iềukhiểnthíc h nghi,điềukhiểnlai,điềukhiểnbùnhiễutrước,điềukhiển nhiềuvịngkín,điềukhiểnlogic,đ iềukhiểnt h e o giớihạn(limitcontrol),đ iềukhiểnt h e o d õ i , đ iềukhiểntỷlệ,đ iềukhiểnđồngbộ(đồngbộtheogiátrịchủđạođưatừmasterlàPLChoặcbộ điềukhiểnkhác),đ iềukhiểnbước, cáchàmtoánhọc,logic,sosánh,địnhthời, Tấtcảviệ cc ị n lạingườisửdụngcầnlàmchỉlàcấuhình(địnhnghĩacấutrúcchobộđiềukhiển)vàcàiđặt thamsố.Bộđiềukhiểncịncócácgiaodiệntruyềnthơngchophépkếtnốimạngvàtrêncơsởđ óngườitaxâydựnghệSCADAcókiếntrúcphântán:hệbaogồmnhi ềub ộđ iềukhiểnn ằm tạihiệntrường,mỗibộđ iềukhiểnc ó hi ểnthị,c ảnhbáo,bànphím,càiđặttạichỗ.Mỗibộsẽđi ềukhiểncụcbộ,độclậptươngđối(liênđ ộngí t ) mộtcôngđ oạntrongdâ y c h u y ềnsảnx u ấtđ ngth ờit h u thậpd ữliệul i ê n q u a n đểtruyềnvềmộttrạmđiềukhiểntrungtâmquamạngtru yềnthơng.Trạmđiều khiểntrungtâmthườngsửdụngmáytínhPCcócàiđặtphầnmềmHMIđểngườivậnh n h giám sát,lưutrữ,điềukhiểntừxatồnbộdâychuyền.Mạngtruyềnthơngphổb i ếncủabộđiềukhiể nlàPROFIBUS,MODBUSvàEthernet.Trongđ ómạngE t h e r n e t cóxuhướngngàycàn gphổbiến,hiệnchiếmđến80%thịphầnmạngtrênt nthếgiới.Ethernetcórấtnhiềuưu điểmnhư:lắpđặtnhanhnhờphươngphápkếtnốiđơngiản;tínhsẵnsàngcaonhờkhảnăngm ởrộnglớn,hầunhưkhơnghạnchế;c h o phépkếtnốinhiềulớpứngdụngkhácnhaunhưquản lý,sảnxuất;cókhảnăngkếtnốidiệnr ộngmạngWAN;tươngthíchr ấtnhiềuthiếtbịtrênthế giớihiệnnay;gầnnhưkhơnggiớihạnhiệusuấtmạngnhờsửdụngcơngnghệswitching Ngồiratrongcácbộđiềukhiểnđanăngcủacáchãngkểtrênhầuhếtđềutíchhợpsẵnđầuvà ochođầuđonhiệtđộRTD,TC.Hơnnữahiệnnayrấtnhiềuhãngsảnxuấtđ ầ uđ on h ưHACH, E+H,YSI, có xuh ướngt í c h h ợp cácb ộđ iềukhiểnvớitransmitter.Mỗibộđiềukhiểncókhảnăngkếtnốimộtvàidạngđầuđoc huẩn.Tuyn h i ê n c c b ộđ iềukhiểnd ạngn y t h ườngr ấtđ ngiảnvềđ iềukhiển,khơng c ó modulemởrộngnhưnggiáthànhrấtcao(thậmchígấpđơigiáthànhbộtransmitterthơn gthường) 5.2 Giớithiệucácb ộđiềukhiểnđanăngcủanướcngoài Tấtc ảc c b ộđ iềukhiểnđ an ăngđ ề uc ó mộtsốAI,AO,DI,DOc h u ẩn( V , 0/4 20 mA,24VDC,drycontact, )vàtínhiệuđầuvàotừcặpnhiệt.Sauđâychỉgiớithiệucáchàmchức năngcủamỗiloại  Burkert-DIC(DigitalIndustrialController)-Hình1 Hình1BộđiềukhiểnDICcủahãngBurkertChứcnă ngđiềukhiển -Điềukhiểnsetpointcốđịnh -Folowupcontrol -Điềukhiểntỷlệ -Điềukhiểnfixedsetpointkếthợpfeedforward -Cascadecontrol -Stepcontrol -Overidecontrol Hàmtốnhọc -Cộng,trừ,nhân,chia,khaicăn Truyềnthơng -RS232 -RS485/PROFIBUS  Siemens–SIPART-Hình2 Hình2BộđiềukhiểnSIPARTcủahãngSiemensChứ cnăngđiềukhiển -Điềukhiểnsetpointcốđịnh -Folowupcontrol -Điềukhiểntỷlệ -Điềukhiểnfixedsetpointkếthợpfeedforward -Cascadecontrol -Stepcontrol -Điềukhiểnthíchnghi(tuỳchọn) Hàmtốnhọc -Cộng,trừ,nhân,chia,khaicăn Truyềnthông -RS232 -RS485/PROFIBUS-DP/PA,HART -Ethernet(tuỳchọn)