Toàn bộ đồ án Điều khiển quá trìnhKèm code+File đính kèm

Hệ thống điều khiển số (Digital Control System) là một loại hệ thống tự động hoạt động dựa trên việc sử dụng tín hiệu số để kiểm soát và điều khiển các quá trình hoặc hệ thống. Trong hệ thống này, tín hiệu điều khiển và xử lý được biểu diễn dưới dạng số hóa, giúp tăng cường độ chính xác và linh hoạt so với các hệ thống điều khiển analog truyền thống.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐTVT

ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PID VÀ ÁP

DỤNG VÀO QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ÁP SUẤT

Chuyên ngành: TỰ ĐỘNG HÓA CÔNG NGHIỆP

Trần Văn Hiệp 2051050109 TD20A

Lê Thành Dự 2051050083 TD20A

Lê Minh Đạt 2051050088 TD20A Trần Quốc Bảo 2051050065 TD20A

TP HCM, ngày 16 tháng 11 năm 2023

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐTVT

ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

NGHIÊN CỨU VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PID VÀ ÁP

DỤNG VÀO QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ÁP SUẤT

Chuyên ngành: TỰ ĐỘNG HÓA CÔNG NGHIỆP

Trần Văn Hiệp 2051050109 TD20A

Lê Thành Dự 2051050083 TD20A

Lê Minh Đạt 2051050088 TD20A Trần Quốc Bảo 2051050065 TD20A

TP.HCM, ngày 16 tháng 11 năm 2023

MỤC LỤC

Mục Lục Hình 2

LỜI NÓI ĐẦU 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 4

1.1 Đặt vấn đề 4

1.2 Lý do chọn đề tài 5

1.3 Đối tượng nghiên cứu 5

1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu 5

1.5 Phương pháp nghiên cứu 5

CHƯƠNG 2 Cơ Sở Lý Thuyết 6

2.1 Giới thiệu chung về phần mềm Tia Protal 6

2.1.1 Giới thiệu chung 6

2.1.2 Những tính năng của Tia Protal 7

2.1.3 Ưu nhược điểm của Tia Protal 7

2.2 Giới thiệu chung về wincc 10

2.2.1 Giới thiệu chung 10

2.2.2 Những tính năng ca WinCC 11

2.2.3 Các thành phần của dự án 12

2.2.4 Tạo một dự án 12

CHƯƠNG 3 THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN PID 14

3.1 Thuật toán điều khiển pid 14

3.1.2 5.1.2 Cấu trúc bộ điều khiển PID 14

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN 17

MỤC LỤC HÌNH

Hình 1 Màn hình khởi động của Tia Portal 6

Hình 2 Tia Portal Cloud 8

Hình 3 TIA Portal Integrator kết nối và tích hợp các robot của Siemens với các hệ thống cấp cao hơn như PLC, HMI và SCADA 8

Hình 4 Tia Protal Continous Integration cung cấp khả năng tiếp tục dự án ở nhiều nơi khác nhau mà không bị gián đoạn 9

Hình 5 Tia Protal Standardization giúp tăng tính tương thichs và tính nhất quán giữa các hệ thống tự động hóa 9

Hình 6 Phần mềm WinCC 10

Hình 7 Mô phỏng trên WinCC 11

Hình 9 Cấu trúc bộ điều khiển PID 14

Hình 10 Ví dụ về sự ảnh hưởng của tham số P 15

Hình 11 Ví dụ về sự ảnh hưởng của tham số I 16

Hình 12 Sự ảnh hưởng của tham số D 16

LỜI NÓI ĐẦU

Trong lĩnh vực tự động hóa và điều khiển, việc nghiên cứu và áp dụng các phương pháp điều khiển cơ bản là một phần quan trọng không thể thiếu Trong bối cảnh mạnh mẽ của công nghệ và sản xuất hiện đại, việc điều khiển áp suất đóng vai trò quan trọng trong quá trình sản xuất và vận hành của nhiều hệ thống công nghiệp

Nghiên cứu về phương pháp điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative)

đã trở thành một chủ đề nổi bật trong việc cải thiện hiệu suất của các hệ thống điều khiển tự động Phương pháp này cung cấp một cách tiếp cận linh hoạt và hiệu quả trong việc điều chỉnh các thông số để duy trì hiệu suất ổn định và chính xác

Đồng thời, việc áp dụng phương pháp điều khiển PID vào việc điều khiển áp suất không chỉ đòi hỏi sự hiểu biết sâu rộng về nguyên lý điều khiển mà còn đòi hỏi khả năng ứng dụng linh hoạt và tinh tế vào thực tế sản xuất

Đề tài này tập trung vào việc khảo sát, phân tích và áp dụng phương pháp điều khiển PID vào quá trình điều khiển áp suất, với mục tiêu cung cấp cái nhìn tổng quan

về sự ứng dụng và hiệu quả của phương pháp này trong việc điều khiển áp suất trong các ứng dụng công nghiệp Bằng việc tập trung vào các nguyên lý cơ bản của phương pháp PID và áp dụng chúng vào các trường hợp cụ thể, đề tài hy vọng mang lại những nhận thức quan trọng và áp dụng thực tiễn trong lĩnh vực điều khiển và tự động hóa

Vì vậy, nghiên cứu về phương pháp điều khiển pid và áp dụng vào quá trình điều khiển áp suất là đề tài nhóm sẽ nghiên cứu lần này

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Đặt vấn đề

Trong lĩnh vực tự động hóa và điều khiển, việc duy trì và điều chỉnh áp suất là một phần quan trọng của quá trình sản xuất trong nhiều ngành công nghiệp Sự ổn định và chính xác của áp suất cần thiết được duy trì để đảm bảo hiệu suất tối đa và an toàn trong quá trình sản xuất

Một trong những phương pháp phổ biến để điều khiển áp suất là sử dụng hệ thống điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) Tuy nhiên, mặc dù PID được

sử dụng rộng rãi, việc hiểu rõ về cách hoạt động của nó và cách áp dụng hiệu quả vào việc điều khiển áp suất vẫn đang đối diện với một số thách thức

Các thách thức bao gồm:

Điều chỉnh tham số PID: Việc tinh chỉnh các thông số Proportional, Integral và Derivative để đáp ứng yêu cầu cụ thể của từng quá trình sản xuất có thể là một nhiệm

vụ phức tạp và đòi hỏi kiến thức sâu rộng về hệ thống điều khiển

Ứng dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau: Các ứng dụng cụ thể của việc điều khiển áp suất có thể khác nhau trong các ngành công nghiệp khác nhau Sự khác biệt này đòi hỏi sự linh hoạt và khả năng tùy chỉnh của phương pháp điều khiển PID

Vì vậy, việc nghiên cứu sâu hơn về cách áp dụng và tối ưu hóa phương pháp điều khiển PID vào quá trình điều khiển áp suất trở nên cực kỳ quan trọng Bằng việc tập trung vào các thách thức này, chúng ta có thể đạt được sự hiểu biết sâu rộng hơn về việc áp dụng PID trong việc điều khiển áp suất và tìm ra cách để cải thiện hiệu suất của quá trình sản xuất

Nghiên cứu về phương pháp điều khiển PID và ứng dụng vào quá trình điều khiển áp suất không chỉ cung cấp những tri thức quan trọng mà còn tạo ra tiềm năng lớn cho việc cải thiện hiệu suất và an toàn trong ngành công nghiệp

Do đó, việc đào sâu và nghiên cứu kỹ thuật này sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao kiến thức và ứng dụng thực tế trong lĩnh vực điều khiển áp suất

1.2 Lý do chọn đề tài

Nghiên cứu về phương pháp điều khiển PID và ứng dụng vào quá trình điều khiển áp suất không chỉ cung cấp những tri thức quan trọng mà còn tạo ra tiềm năng lớn cho việc cải thiện hiệu suất và an toàn trong ngành công nghiệp

Nghiên cứu trong lĩnh vực này có thể đem lại những hiểu biết sâu rộng về cách tối ưu hóa hệ thống điều khiển PID để cải thiện hiệu suất và đáp ứng nhanh chóng với các yêu cầu thay đổi

Vì vậy, nghiên cứu về phương pháp điều khiển PID và áp dụng vào việc điều khiển áp suất không chỉ mang lại kiến thức cơ bản mà còn có thể tạo ra các giải pháp

cụ thể để cải thiện hiệu suất và an toàn trong ngành công nghiệp và các ứng dụng khác 1.3 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là “Hệ thống giám sát, điều khiển mực nước” Cụ thể là

ở đề tài này nhóm sẽ tìm hiểu những ưu và nhược điểm của hệ thống giám sát mực nước trong thực tế, so sánh với phương án do nhóm đề xuất qua đó đánh giá khả năng ứng dụng vào thực tế của phương pháp điều khiển trên

1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu

Từ quy trình công nghệ đưa ra các giải thuật điều khiển tối ưu cho hệ thống Lập trình theo giải thuật tối ưu Kiểm tra hệ thống trên phần mềm về lập trình và thực hiện chạy mô phỏng sau đó liên hệ xem có phù hợp đến thực tế không

1.5 Phương pháp nghiên cứu

− Lập sơ đồ khối, sơ đồ thuật toán

− Tính chọn các thiết bị, xây dựng mô hình

− Chạy thử mô hình, so sánh đánh giá hiệu quả

− Kết luận và đưa ra hướng phát triển

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Giới thiệu chung về phần mềm Tia Protal

2.1.1 Giới thiệu chung

TIA Portal là tên viết tắt của Totaly Intergrated Automation Portal, đây là một

phần mềm dùng để thiết kế, lập trình và giám sát hệ thống PLC và HMI của Siemens, phần mềm hỗ trợ gần như đầy đủ các dòng PLC Siemens như PLC 1200, PLC

S7-1500, PLC S7-300, PLC S7-400, biến tần Siemens, Simatic ET200SP và HMI Siemens

TIA Portal được Siemens công bố và cho sử dụng rộng rãi vào năm 1996, phần

mềm tích hợp đầy đủ các chức năng lập trình giúp người dùng tạo một giao diện dễ sử dụng và giúp thực hiện các tác vụ liên quan đến PLC như cài đặt, chạy chương trình, giám sát trạng thái

Hình 1 Màn hình khởi động của Tia Portal

2.1.2 Những tính năng của Tia Protal

Giao diện người dùng trực quan: TIA Portal cung cấp một giao diện dễ sử dụng

với các công cụ và tính năng hỗ trợ cho việc lập trình PLC

Hỗ trợ nhiều loại thiết bị: phần mềm có thể kết nối với nhiều loại thiết bị Siemens, bao gồm PLC, HMI, cảm biến, v.v

Tích hợp tất cả các tác vụ trong một giải pháp: Từ thiết kế đến lập trình, giám sát

và quản lý, TIA Portal tích hợp tất cả các tác vụ liên quan đến hệ thống tự động trong

một giải pháp duy nhất

Công cụ tối ưu hóa: nó cung cấp các công cụ tối ưu hóa để giúp người dùng xử lý các tác vụ liên quan đến hệ thống tự động một cách nhanh và hiệu quả

Hỗ trợ nhiều ngôn ngữ: phần mềm hỗ trợ nhiều ngôn ngữ, bao gồm tiếng Anh, Đức, Tây Ban Nha, v.v

Tính năng quản lý dữ liệu: nó cung cấp tính năng quản lý dữ liệu để giúp người dùng quản lý các tài nguyên liên quan đến hệ thống tự động

TIA Portal được Siemens tích hợp các phần mềm vào một ứng dụng duy nhất,

bạn có thể sử dụng hầu hết các chức năng của các phần mềm này trong ứng dụng:

+ STEP 7 (Step 7 Basic/Professional): Phần mềm lập trình cho các hệ thống PLC (Programmable Logic Controller)

+ WinCC (WinCC Advanced/Professional): Phần mềm trung tâm điều khiển giao diện người dùng cho các hệ thống SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition)

+ Drive ES Basic: Phần mềm điều khiển động cơ và biến tần

+ PLCSIM: Phần mềm mô phỏng cho các hệ thống PLC

+ StartDrive: Phần mềm điều khiển động cơ và biến tần dựa trên giao diện web

+ SIMOCODE ES: Phần mềm điều khiển và quản lý thiết bị điện

+ SIMATIC Energy Suite: Phần mềm quản lý năng lượng cho các hệ thống tự động hóa

2.1.3 Ưu nhược điểm của Tia Protal

− Ưu điểm:

TIA Portal Cloud là một giải pháp để tạo và quản lý các tệp với các chương

trình PLC từ một vị trí web truy cập từ địa điểm nào đó Nó cho phép người dùng truy

cập vào các dự án của họ từ bất kỳ địa điểm nào với kết nối Internet, cung cấp tính linh hoạt và tiện dụng cho việc quản lý dự án

Hình 2 Tia Portal Cloud

Robot Integrator là một tính năng đặc biệt của TIA Portal, cho phép kết nối và

tích hợp các robot của Siemens với các hệ thống cấp cao hơn như PLC, HMI và SCADA Nó cung cấp một giao diện đồ họa giúp cho người dùng dễ dàng quản lý, tạo

và chạy các chương trình cho các robot Robot Integrator còn cho phép người dùng tích hợp các phần mềm khác nhau như Vision Systems, Drive Systems và Safety Systems, tạo ra một hệ thống tích hợp hoàn chỉnh cho các ứng dụng công nghiệp

Continuous Integration là một khái niệm trong lập trình PLC và quản lý phần

mềm Nó bao gồm một quy trình tự động để tích hợp các phần mềm, tự động kiểm tra

và bảo trì tính năng của phần mềm sau mỗi lần cập nhật Mục đích của việc sử dụng Continuous Integration là đảm bảo rằng tất cả các phần mềm hoạt động đúng và liên tục trong quá trình phát triển, giúp tiết kiệm thời gian và tránh sự cố trong quá trình sản xuất

Hình 4 Tia Protal Continous Integration cung cấp khả năng tiếp tục dự án ở nhiều nơi khác

nhau mà không bị gián đoạn

Standardization là một khái niệm để xác định việc sử dụng các quy tắc và tiêu

chuẩn để xây dựng và quản lý các giải pháp tự động hóa Nó bao gồm việc sử dụng các tiêu chuẩn kỹ thuật và quản lý dữ liệu, các quy tắc cho các giao diện người dùng,

và các tiêu chuẩn cho các tài nguyên và các cấu hình Sử dụng tiêu chuẩn này giúp cho các dự án trở nên dễ dàng quản lý và dễ dàng phát triển, và giúp tăng tính tương thích

và tính nhất quán giữa các hệ thống tự động hóa

Hình 5 Tia Protal Standardization giúp tăng tính tương thichs và tính nhất quán giữa các hệ

thống tự động hóa

− Nhược điểm:

Do tích hợp nhiều phần mềm, cơ sở dữ liệu hệ thống lớn nên dung lượng bộ nhớ khổng lồ

Yêu cầu kỹ thuật cao của người lập trình, quản lý

Tốn nhiều thời gian để làm quen sử dụng

2.2 Giới thiệu chung về wincc

2.2.1 Giới thiệu chung

WinCC (Windows Control Center) là phần mềm của hãng Siemens dùng để

giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu trong quá trình sản xuất Nói rỏ hơn, WinCC

là chương trình dùng để thiết kế các giao diện Người và Máy – HMI (Human Machine Interface) trong hệ thống Scada (Supervisory Control And Data Acquisition), với chức năng chính là thu thập số liệu, giám sát và điều khiển quá trình sản xuất Với WinCC, người dùng có thể trao đổi dữ liệu với PLC của nhiều hãng khác nhau như: Siemens, Mitsubishi, Allen braddly, Omron thông qua cổng COM với chuẩn RS232 của PC và chuẩn RS485 của PLC

Hình 6 Phần mềm WinCC

Với WinCC, ta có thể tận dụng nhiều giải pháp khác nhau cho để giải quyết công việc, từ thiết kế cho hệ thống có quy mô nhỏ đến quy mô lớn, hệ thống thực hiện sản xuất – MES (Manufacturing Excution System) WinCC có thể mô phỏng bằng hình ảnh các sự kiện xảy ra trong quá trình điều khiển dưới dạng chuổi sự kiện Để đáp ứng yêu cầu công nghệ ngày càng phát triển, WinCC cung cấp nhiều hàm chức năng cho mục đích hiển thị, thông báo, ghi báo cáo, xử lý thông tin đo lường, các tham số công thức và là một trong những chương trình thiết kế giao diện Người và Máy – HMI được tin dùng nhất hiện nay

Hình 7 Mô phỏng trên WinCC

2.2.2 Những tính năng ca WinCC

− Graphics Designer: Thực hiện dể dàng các chức năng mô phỏng và hoạt động

qua các đối tượng đồ họa của chương trình WinCC, Windows, I/O, và các thuộc tính hoạt động (Dynamic)

− Alarm Logging: Thực hiện việc hiển thị các thông báo hay các cảnh báo khi

hệ thống vận hành Nhận các thông tin từ các quá trình, hiển thị, hồi đáp và lưu trữ chúng Alarm Logging còn giúp ta phát hiện ra nguyên nhân của lỗi

− Tag Logging: Thu thập, lưu trữ và xuất ra dưới nhiều dạng khác nhau từ các quá trình đang thực thi

− Report Designer:

+ Tạo ra các thông báo, kết quả Và các thông báo này được lưu dưới dạng nhật ký sự kiện

+ User Achivers: Cho phép người sử dụng lưu trữ dữ liệu từ chương trình ứng dụng và có khả năng trao đổi với các thiết bị khác Trong WinCC, các công thức và ứng dụng có thể soạn thảo, lưu trữ và sử dụng trong hệ thống

+ Ngoài ra, WinCC còn kết hợp với Visual C++, Visual Basic tạo ra một hệ thống tinh vi và phù hợp cho từng hệ thống tự động hóa chuyên biệt

+ WinCC có thể tạo một giao diện Người và Máy – HMI dựa trên sự giao tiếp giữa con người với các thiết bị Hệ thống tự động hóa thông qua hình ảnh,

số liệu, sơ đồ, Giao diện có thể cho phép người dùng vận hành, theo dỏi từ

xa và còn có thể cảnh báo, báo động khi có sự cố

2.2.3 Các thành phần của dự án

− Các bộ điều khiển truyền thông: Bộ điều khiển truyền thông là giao diện kết

nối giữa hệ thống PLC và WinCC Hệ thống Wincc chứa các bộ điều khiển truyền thông (liên kết động) trong kênh DLL

− Khối kênh: Một kênh trong WinCC được thực hiện như một Windows DLL

và đucợ liên kết động với hệ thống Mỗi kênh WinCC thực hiện việc truy nhập các kiểu tham số kết nối đặc biệt với các nghi thức đặc biệt (chẳng hạn kênh SIMATIC S5 Ethernet TF hỗ trợ việc truy nhập SIMATIC S5 với TF protocol)

− Kết nối: Một kết nối logic mô tả giao diện giữa hệ thống tự động và quản lí dữ

liệu trong WinCC Quản lí dự liệu của máy server đảm trách việc cung cấp các tags với các giá trị khi runtime Quản lí dữ liệu cung cấp các giá trị quá trình đến các tags nội bộ của nó cũng như các tags của máy client tương ứng Quản

lí dữ liệu chuyển các tags được truy cập đến kết nối logic của chúng vì thế đến được kênh thích hợp Các kênh sẽ thực hiện truyền thông cần thiết bằng tuyến quá trình theo cách tối ưu nhất

− Biến (tag): Tags Wincc là phần tử trung tâm để truy nhập các giá trị quá trình

Trong một dự án chúng nhận một tên và một kiểu dữ liệu duy nhất Kết nối logic sẽ được gán với biến WinCC

− Biến nội: Là biến có sẵn trong WinCC Những biến nội này là những vùng

nhớ trong của WinCC, nó có chức năng như một PLC thực sự

− Biến quá trình: Các biến quá trình liên kết với truyền thông logic để phản ánh

thông tin về địa chỉ của các PLC khác nhau

2.2.4 Tạo một dự án

− Để soạn thảo một dự án (Project) trong Wincc, cần thực hiện theo các bước:

− Tạo một dự án (Project) WinCC mới

− Chọn PLC hoặc driver từ tag Management

− Tạo các biến nội và các biến quá trình