Xây dựng bàn thí nghiệm điều khiển nhiệt độ trên nền plc s7 300

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - VŨ THỊ OANH XÂY DỰNG BÀN THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TRÊN NỀN PLC S7-300 NGÀNH : ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : GS.TS PHAN XUÂN MINH Hà Nội – 2014 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131993521000000 Luận văn Thạc sỹ HV: Vũ Thị Oanh MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .4 DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU .9 CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU LỊ ĐIỆN TRỞ 2.5 KVA VÀ NHẬN DẠNG MƠ HÌNH BẰNG TOOLBOX INDENTIFICATION CỦA MATLAB 11 1.1 Lò điện trở 2,5 KVA 11 1.1.1 Giới thiệu lò điện trở 2,5 KVA 11 1.1.2 Nguyên lý làm việc lò điên trở 11 1.1.3 Cấu tạo lò điện trở 12 1.2 Nhận dạng đối tượng Identification Toolbox Matlab 13 1.2.1 Đặt vấn đề 13 1.2.2 Nhận dạng lò điện trở thực nghiệm 14 CHƯƠNG 2: TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO LÒ ĐIỆN TRỞ 2,5 KVA 20 2.1 Tổng hợp điều khiển PID 20 2.1.1 Bộ điều khiển PID .20 2.1.2 Phương pháp thực nghiệm 21 2.1.3 Phương pháp dự báo Smith 26 2.2 Tổng hợp điều khiển cách kết hợp PID – mờ 32 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CÁC BÀI THÍ NGHIỆM CHO LÒ ĐIỆN TRỞ 2,5 KVA BẰNG SIMATIC S7 – 300 .38 3.1 Giải pháp kỹ thuật 38 3.1.1 Modul CPU 40 3.1.2 Module mở rộng 40 3.1.3 Cấu trúc chương trình 41 3.2 Các modul mềm 43 3.2.1 Những module PID mềm có step 43 3.2.2 Điều khiển liên tục với FB41 “CONT_C” 45 Xây dựng bàn thí nghiệm điều khiển nhiệt độ PLC S7 - 300 Luận văn Thạc sỹ HV: Vũ Thị Oanh 3.2.2.1 Giới thiệu chung FB41 45 3.2.2.2 Chọn luật điều khiển Module FB41 “CONT- C” 47 3.2.2.3 Đặt giá trị 47 3.2.2.4 Khởi động thông báo lỗi 48 3.2.2.5 Tham biến hình thức đầu vào 48 3.2.2.6 Tham biến hình thức đầu 54 3.2.3 Khối hàm tạo xung FB43 “PULSEGEN” 55 3.2.3.1 Giới thiệu chung FB43”PULSEGEN” 55 3.2.3.2 Đặt giá trị 58 3.2.3.3 Khởi động thông báo lỗi: 60 3.2.3.4 Tham biến hình thức đầu vào 60 3.2.3.5 Tham biến hình thức đầu 63 3.2.4 Fuzzy Control++ Step .64 3.2.4.1 Phần mềm cấu hình Fuzzy Control++ 64 3.2.4.2 Cấu hình hệ thống điều khiển mờ với phần mềm Fuzzy Control++ 64 3.2.4.3 Thiết lập Simatic S7-300 65 3.3 Bài thí nghiệm điều khiển nhiệt đô PLC S7 – 300 68 3.3.1 Mục đích xây dựng thí nghiệm 68 3.3.2 Dụng cụ thí nghiệm .68 3.3.3 Bài thí nghiệm 1: Nhận dạng đối tượng điều khiển 72 3.3.3.1 Mục đích thí nghiệm 72 3.3.3.2 Các bước tiến hành thí nghiệm nhận dạng đối tượng điều khiển 73 3.3.3.3 Kết thí nghiệm 73 3.3.4 Bài thí nghiệm 2: Điều khiển đối tượng nhiệt điều khiển PID 74 3.3.4.1 Mục đích thí nghiệm 74 3.3.4.2 Các bước tiến hành thí nghiệm 74 3.3.4.3 Kết thí nghiệm 78 3.3.5 Bài thí nghiệm 3: Điều khiển đối tượng nhiệt điều khiển mờ động .79 Xây dựng bàn thí nghiệm điều khiển nhiệt độ PLC S7 - 300 Luận văn Thạc sỹ HV: Vũ Thị Oanh 3.3.5.1 Mục đích thí nghiệm 79 3.3.5.2 Các bước tiến hành thí nghiệm 80 3.3.5.3 Kết thí nghiệm 82 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO 92 PHỤ LỤC 93 Xây dựng bàn thí nghiệm điều khiển nhiệt độ PLC S7 - 300 Luận văn Thạc sỹ HV: Vũ Thị Oanh LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thực Các số liệu, kết nêu luận văn hoàn toàn trung thực Tôi xin chịu trách nhiệm nghiên cứu Học viên Vũ Thị Oanh Xây dựng bàn thí nghiệm điều khiển nhiệt độ PLC S7 - 300 Luận văn Thạc sỹ HV: Vũ Thị Oanh DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Bảng thiết kế Ziegler Nichols 22 Bảng 2.2: Bảng thiết kế Tổng Kuhn 24 Bảng 2.3: Luật điều khiển 35 Bảng 3.1: So sánh khả lập trình PLC SIMATIC S7-300 43 Bảng 3.2: Tham biến hình thức đầu vào khối FB41 “CON_C” 48 Bảng 3.3: Tham biến hình thức đầu khối FB41 “CON_ C” 54 Bảng 3.4: Liệt kê chế độ làm việc .58 Bảng 3.5: Ví dụ chế độ điều khiển nhiệt độ 58 Bảng 3.6: Các giá trị tham biến 60 Bảng 3.7: Tham biến hình thức đầu vào khối FB43 "PULSEGEN" 60 Bảng 3.8: Tham biến hình thức đầu khối FB43 "PULSEGEN" 63 Bảng 3.9: Đầu vào FB30 67 Bảng 3.10: Đầu FB30 .67 Bảng 3.11: Các tham số bổ xung 68 Xây dựng bàn thí nghiệm điều khiển nhiệt độ PLC S7 - 300 Luận văn Thạc sỹ HV: Vũ Thị Oanh DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Lị điện trở 2.5 KVA 11 Hình 1.2: Cấu tạo lò điện trở 12 Hình 1.3: Nhập liệu từ cửa sổ Matlab 14 Hình 1.4: Xuất liệu từ file Excel thu thập .15 Hình 1.5 Giao diện Identification Tool 15 Hình 1.6: Nhập thông số chuẩn bị nhận dạng 16 Hình 1.7: Ước lượng mơ hình 16 Hình 1.8: Ước lượng mơ hình qn tính bậc có trễ 17 Hình 1.9: Ước lượng mơ hình qn tính bậc có trễ .17 Hình 1.10: Ước lượng mơ hình qn tính bậc có trễ: 18 Hình 1.11: Đặc tính xấp xỉ sau ước lượng mơ hình 18 Hình 2.1: Sơ đồ simulink mơ hệ thống sử dụng thuật toán PID Ziegler-Nichols 23 Hình 2.2: Đáp ứng độ hệ thống sử dụng thuật toán PID ZieglerNichols 23 Hình 2.3: Sơ đồ simulink mô hệ thống sử dụng phương pháp Tổng Kuhn 25 Hình 2.4: Đáp ứng độ hệ thống sử dụng phương pháp Tổng Kuhn 25 Hình 2.5: Cấu trúc điều khiển theo nguyên lý dự báo Smith .26 Hình 2.6: Sơ đồ simulink mô hệ thống theo phương pháp dự báo Smith 28 Hình 2.7: Sơ đồ simulink mơ hệ thống theo phương pháp dự báo Smith xấp xỉ PID 28 Hình 2.8: Đáp ứng độ hệ thống sử dụng phương pháp dự báo Smith xấp xỉ PID 29 Hình 2.9: Đáp ứng hệ thống sử dụng phương pháp: 30 a Phương pháp Ziegler Nichols .30 b Phương pháp Tổng Kuhn 30 c Phương pháp dự báo Smith 30 Xây dựng bàn thí nghiệm điều khiển nhiệt độ PLC S7 - 300 Luận văn Thạc sỹ HV: Vũ Thị Oanh Hình 2.10: Sơ đồ simulink mơ hệ thống sử dụng phương pháp Tổng Kuhn có tác động nhiễu đầu vào .31 Hình 2.11: Đáp ứng độ hệ thống sử dụng phương pháp Tổng Kuhn có tác động nhiễu đầu vào 31 Hình 2.12: Sơ đồ simulink mơ hệ thống sử dụng phương pháp Tổng Kuhn có tác động nhiễu đầu 32 Hình 2.13: Đáp ứng độ hệ thống sử dụng phương pháp Tổng Kuhn có tác động nhiễu đầu 32 Hình 2.14: Thiết kế luatmo.fis 33 Hình 2.15: Mờ hóa tập đầu vào 1: ET 33 Hình 2.16: Mờ hóa tập đầu vào 2: DET 34 Hình 2.17: Mờ hóa tập đầu ra: U 34 Hình 2.18: Luật điều khiển mờ 35 Hình 2.19: Luật điều khiển không gian 36 Hình 2.20: Sơ đồ simulink mơ hệ thống kết hợp điều khiển 36 PID điều khiển mờ động 36 Hình 2.21: Đáp ứng độ hệ thống kết hợp điều khiển 37 Hình 3.1: Cấu trúc chương trình 43 Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc module mềm FB41 “CONT_C” 46 Hình 3.3: Mơ tả thuật tốn PID thiết kế theo kiểu song song 47 Hình 3.4: Quá trình điều biên FB43 "PULSEGEN" 56 Hình 3.5: Sơ đồ cấu trúc nguyên lý PULSEGEN .57 Hình 3.6: Đồng hóa đầu chu kỳ 58 Hình 3.7: Đồ thị dạng đối xứng điều khiển ba vị trí (hệ số tỷ lệ 1) .59 Hình 3.8: Đồ thị dạng điều khiển hai vị trí 60 Hình 3.9: Gọi khối FB 30 67 Hình 3.10: Mơ hình bàn thí nghiệm điều khiển lị điện trở 69 Hình 3.11: Cặp nhiệt điện loại K 70 Hình 3.12: Đồng hồ hiển thị nhiệt độ Jetec .71 Xây dựng bàn thí nghiệm điều khiển nhiệt độ PLC S7 - 300 Luận văn Thạc sỹ HV: Vũ Thị Oanh Hình 3.13: Đồng hồ hiển thị điện áp nguồn 71 Hình 3.14: Relay SSR Fotek 72 Hình 3.15: Kết nhận dạng cửa sổ Identification Matlab 73 Hình 3.16: Giao diện dự án điều khiển lị điện trở 76 Hình 3.17: Cấu hình phần cứng PLC 76 Hình 3.18: Kí hiệu biến sử dụng chương trình điều khiển lị nhiệt 77 Hình 3.19: Địa biến trình lưu DB1 .77 Hình 3.20: Kết đáp ứng hệ thống sử dụng phương pháp: 78 a Phương pháp Ziegler Nichols .78 b Phương pháp Tổng Kuhn 78 c Phương pháp dự báo Smith 78 Hình 3.21: Giao diện giám sát Wincc thí nghiệm số .79 Hình 3.22: Biểu đồ Trend thí nghiệm số 79 Hình 3.23: Xây dựng số đầu vào, điều khiển 82 Hình 3.24: Mờ hóa tập đầu vào e 83 Hình 3.25: Mờ hóa tập đầu vào de 83 Hình 3.26: Mờ hóa tập đầu u 84 Hình 3.27: Luật điều khiển mờ 84 Hình 3.28: Luật điều khiển khơng gian 85 Hình 3.29: Kết sơ đồ Simulink điều khiển mờ động 85 Hình 3.30: Kết sơ đồ simulink mô hệ thống kết hợp điều khiển PID mờ động 86 Hình 3.31: Kết đáp ứng độ hệ thống kết hợp điều khiển mờ động 86 Hình 3.32: Thiết kế đầu vào, cho điều khiển giao diện FCPA 87 Hình 3.33: Mờ hóa đầu vào e cho điều khiển giao diện FCPA 87 Hình 3.34: Mờ hóa đầu vào de cho điều khiển giao diện FCPA 88 Hình 3.35: Mờ hóa đầu u cho điều khiển giao diện FCPA .88 Hình 3.36: Giao diện WinCC 89 Hình 3.37: Biểu đồ Trend thí nghiệm số 89 Xây dựng bàn thí nghiệm điều khiển nhiệt độ PLC S7 - 300 Luận văn Thạc sỹ HV: Vũ Thị Oanh MỞ ĐẦU Phịng thí nghiệm nơi để giúp sinh viên hiểu sâu lý thuyết học giảng đường, đồng thời trải nghiệm thực tế để giúp sinh viên bớt bỡ ngỡ tiếp cận với môi trường làm việc công nghiệp Nhưng trang thiết bị phục vụ cho mơn học cịn thiếu hay lạc hậu tình trạng chung trường đại học nước ta Để khắc phục điều phải nâng cấp sở vật chất, xây dựng trang thiết bị mới, phục vụ tốt cho việc thực hành sinh viên Với đề tài: “Xây dựng bàn thí nghiệm điều khiển nhiệt độ PLC S7-300”, nhiệm vụ luận văn bao gồm phần sau đây: - Tìm hiểu lị điện trở 2.5KVA - Nhận dạng đối tượng công cụ “Identification Toolbox” Matlab - Xây dựng điều khiển PID điều khiển PID kết hợp với Fuzzy - Tìm hiểu PLC S7-300, bao gồm phần cứng phần mềm - Xây dựng mơ hình bàn thí nghiệm điều khiển nhiệt độ lò điện trở PLC S7-300 - Thiết kế thí nghiệm dựa mơ hình bàn thí nghiệm xây dựng Nội dung đồ án bao gồm chương: Chương 1: Tìm hiểu lị điện trở 2.5 KVA nhận dạng đối tượng Identification Toolbox Matlab Chương 2: Tổng hợp điều khiển cho lò điện trở 2.5 KVA Chương 3: Xây dựng thí nghiệm cho lị điện trở 2.5 KVA Simatic S7-300 Để hoàn thành luận văn này, học viên chân thành cảm ơn cô giáo GS.TS Phan Xuân Minh thầy, cô Trường ĐHBK HN sở thực tập HHT nhiệt tình giúp đỡ em suốt trình thực luận văn Tuy cố gắng hết sức, thời gian kiến thức hạn chế nên luận văn khơng tránh khỏi sai sót, em mong bổ sung, góp ý thầy cơ! Xây dựng bàn thí nghiệm điều khiển nhiệt độ PLC S7 - 300