Với sự phát triển không ngừng, khảnăng điều khiển vô cùng nổi bật trong công nghiệp, ngôn ngữ lập trình đơn giản,dễ ứng dụng thì bộ điều khiển PLC là một sự lựa chọn hợp lý.Tuy nhiên, sử
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VÀ CẤU TRÚC PHẦN CỨNG
Giới thiệu bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID tên tiếng anh là (Proportional Intergral Derivative Controller) hay còn được gọi với tên điều khiển vi tích phân tỉ lệ Bộ điều khiển PID được sử dụng rộng rãi trong thực tế để điều khiển nhiều loại đối tượng khác nhau như nhiệt độ lò nhiệt, tốc độ động cơ, mức chất lỏng trong bồn chứa … do nó có khả năng làm triệt tiêu sai số xác lập, tăng tốc độ phản ứng quá độ, giảm độ vọt lố nên các thông số của bộ điều khiển được chọn lựa thích hợp,
Hình 2.4 Cấu trúc bộ điều khiển PID
Công thức bộ điều khiển PID:
Setpoint: tín hiệu đặt (tín hiệu mong muốn đạt được).
Error: sai số giảm tín hiệu thực tế và tín hiệu đặt.
Process: tín hiệu điều khiển
Output: ngõ ra hệ thống.
2.1.1 Các hệ thống sơ bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID sẽ bao gồm ba khâu tương ứng với ba thông số chính:
Khâu tỉ lệ (Proportional) KP.
Khâu tích phân (Integration) KI.
Khâu vi phân (Derivative) KD.
Nếu chọn các thông số này phù hợp (tín hiệu đặt và tín hiệu thực tế trùng nhau) thì hệ thống sẽ hoạt động tốt, ổn định.
- Đặc tính thời gian: Y(s) = KP.G(s).E(s).
- Sai số hệ thống: E(s) = R(s)/[1+G(s).H(s).KP]. y(t) u(t) r(t) e(t)
Hình 2.5: Khâu tỉ lệ của bộ điều khiển PID
- càng lớn thì tốc độ đáp ứng càng nhanh.
- càng lớn thì sai số xác lập càng nhỏ (nhưng không thể triệt tiêu).
- càng lớn thì các cực của hệ thống có chiều hướng di chuyển ra xa trục thực
=> Hệ thống càng dao động và độ vọt lố càng cao.
Nếu vọt qua khỏi mức giới hạn thì hệ thống sẽ mất ổn định
- Đặc tính thời gian: Y(s) = KI G(s).E(s)/s.
- Sai số hệ thống: E(s) = s R(s)/[s+G(s).H(s).KI]. y(t) u(t) r(t) e(t)
Hình 2.6: Khâu tích phân của bộ điều khiển PID
- Tín hiệu ngõ ra được xác định bởi sai số.
- càng lớn thì đáp ứng quá độ càng chậm.
- càng lớn thì sai số xác lập càng nhỏ Hệ số khuếch đại ở khâu tích phân sẽ bằng vô cùng khi tần số bằng 0 => triệt tiêu sai số xác lập với hàm nấc.
- càng lớn thì độ vọt lố càng cao.
- Đặt tính thời gian: Y(s) =KD.G(s).E(s).s.
- Sai số hệ thống: E(s) = R(s)/[s+G(s).H(s).KD]. y(t) u(t) r(t) e(t)
Hình 2.7: Khâu vi phân của bộ điều khiển PID
- KD càng lớn thì đáp ứng quá độ càng nhanh.
- KD càng lớn thì độ vọt lố càng nhỏ.
- Hệ số khuếch đại tần số cao là vô cùng lớn nên khâu hiệu chỉnh D rất nhạy với nhiễu tần số cao.
Các phương pháp tìm thông số PID (K P, K I, K D )
Có rất nhiều phương pháp để tìm thông số PID như:
Phương pháp được lựa thông dụng nhất cho các bộ điều khiển sử dụng đếnPID hiện nay đó là Ziegler–Nichols.
2.1.2 Điều chỉnh vòng lặp Điều chỉnh một vòng lặp là điều chỉnh các thông số điều khiển của nó. Yêu cầu đặt ra trên hết đó là độ ổn định Mỗi hệ thống điều khiển sẽ có mỗi yêu cầu khác nhau Hơn nữa, vài quá trình có một mức độ phi tuyến nào đấy khiến các thông số làm việc Các bộ điều khiển nhằm điều khiển, điều chỉnh đều nhằm kết quả cuối cùng là có thể được cải thiện so với lúc ban đầu. Điều chỉnh thông số PID là một bài toán cần phải giải để có thể hệ thống hoạt động tốt, 3 thông số điều khiển PID phải thõa mãn các tiêu chuẩn Do đó có rất nhiều cách để tìm được thông số PID nhằm thõa mãn với yêu cầu Có những phương pháp thủ công và phương pháp phức tạp hơn được sử dụng tùy trường hợp và tùy mục đích người sử dụng Ở mô hình này phương pháp thủ công truyền thống được áp dụng nhằm mục đích điều chỉnh vòng lặp trong quá trình điều khiển.
Nếu chọn sai một trong các thông số khâu tích phân, vi phân và tỉ lệ ở bộ điều khiển, mô hình hoạt động sẽ mất ổn định, gây dao động Sự không ổn định được gây ra khi xuất hiện độ trễ lớn và dư thừa độ lợi.
Tóm lại, độ ổn định phải thõa mãn và không được dao động trong quá trình điều khiển.
Tổng quan về phương pháp điều khiển Để điều chỉnh một vòng lặp PID, hiện nay có rất nhiều phương pháp khác nhau và mỗi phương pháp đều có mỗi mặt lợi thế riêng của nó Để dễ dàng hơn, dựa vào thông số mô hình động học, trước hết cần triển khai phương pháp,sau đó chọn P, I, và D Trong các phương pháp điều chỉnh, phương pháp điều chỉnh bằng thủ công được đánh giá là không khả thi cho lắm Đặc biệt với các vòng lặp cần độ chính xác và độ ổn định cao thì phương pháp này hầu như không được lựa chọn.
Bảng 2-1: Bảng lựa chọn phương pháp điều chỉnh
Phương pháp Ưu điểm Khuyết điểm Điều chỉnh thủ công.
- Không cần hiểu biết về toán, Online - Yêu cầu có hiểu biết.
- Online - Điều chỉnh và thử nghiệm nhiều lần
- Có thể mô phỏng kiểm tra trước khi tải xuống.
Cohen-Coon - Thường xuyên được sử dụng.
- Kiến thức toán học tốt
Nếu hệ thống đang thiết lập ở trạng thái online, ở phương pháp điều chỉnh thủ công trước hết ta cài đặt giá trị thông số và là bằng 0 bước tiếp theo ta tăng dần thông số cho đến khi đầu ra dao động, sau đó đợi KP đến khi có thể được đặt tới xấp xỉ một nửa giá trị đó Tiếp theo điền thông số và tăng thông số cho đến khi giá trị tạm ổn định và đủ thời gian xử lý Nếu ta thiết lập thông số lớn sẽ gây hệ thống điều khiển không ổn định Sau đó thiết lập thông số tăng dần cho đến khi dễ dàng quay lại giá trị khi bị nhiễu Khi ta thiết lập thông số lớn sẽ dẫn đến vọt lố gây sai số với yêu cầu Vòng điều khiển PID theo phương pháp này sẽ gây vọt lố khi đến giá trị ta cài đặt Trong thực tế, nhiều thiết bị yêu cầu độ chính xác cao không chấp nhận bị vọt lố, trong trường hợp đó phương pháp này không được sử dụng vì không có độ chính xác cao.
Bảng 2-2: Bảng tác động khi tăng một thông số
Thời gian bắt đầu Vọt lố Thời gian đáp ứng Sai số Độ ổn định
KP Giảm Tăng Thay đổi ít Giảm Giảm
KI Giảm Tăng Tăng Giảm nhiều Giảm
KD Giảm ít Giảm ít Giảm ít Không có tác động
Phương pháp Ziegler – Nichols xuất hiện khoảng từ năm 1940 Giống phương pháp thủ công, thông số , ban đầu được cài đặt bằng 0 Còn thông số ta thiết lập theo chiều hướng lớn dần cho đến khi nó đạt tới độ lợi tới hạn Thời gian dao động và được dùng như sau:
Bảng 2-3: Phương pháp Ziegler–Nichols
Phần mềm điều chỉnh PID Đối với các nhà máy, xí nghiệp lớn đi kèm với đó là hiện đại và cần một độ chính xác cao và sai số thấp nhất có thể Dó đó các phương pháp như là thủ công không được sử dụng Phương pháp được ưu tiên hang đầu đó là sử dụng phần mềm để điều chỉnh thông số PID, tối ưu hóa nhất có thể nhằm đảm báo kết quả có độ chính xác cao, sai số thấp nhất có thể Phương pháp điều chỉnh sử dụng phần mềm tập hợp dữ liệu, nêu lên cách điều chỉnh. Điều chỉnh PID tạo ra xung cho hệ thống bằng toán học, từ đó sử dụng đáp ứng tần số nhằm tạo ra các giá trị từ hệ thống điều khiển Trong trường hợp vòng lặp yêu cầu đáp ứng trong thời gian dài, ta chọn điều chỉnh toán học để giảm thời gian tìm kiếm thông số và giảm sai số tối đa có thể Vài bộ điều khiển số còn có chức năng tự tính toán tự điều chỉnh để đạt giá trị tối ưu.
Mỗi phương pháp được dùng tùy theo trường hợp và mục đích khác nhau của người sử dụng Hiện nay, để thuận tiện cho việc điều chỉnh PID nhiều phát minh nghiên cứu hiện nay đã có sẵn vào trong các module phần cứng và phần mềm.
Bộ điều khiển logic khả trình PLC
2.2.1 Giới thiệu về PLC Siemens S7-1200
Bộ điều khiển PLC SIMENS S7-1200 được đánh giá là bộ điều khiển linh hoạt, có cấu hình mạnh đủ điều kiện đáp ứng các yêu cầu điều khiển tự động của thiết bị, đi kèm với ngoại hình được thiết kế nhỏ gọn đã khiến cho PLC SIMENS S7- 1200 trở thành bộ điều khiển phổ biến nhất hiện nay.
PLC S7-1200 là bộ điều khiển thế hệ mới với nhiều tính năng tiện lợi, tích hợp đầy đủ các ngõ vào/ra giúp người dùng có thể sử dụng tối đa chức năng sẵn có, bao gồm các hoạt động như việc đếm, các phép toán phức hợp và việc truyền thông với các thiết bị thông minh khác.
PLC còn có một số chức năng bảo mật giúp bảo vệ chương trình điều khiển như:
Chức năng bảo mật giúp người dùng có thể kiểm soát được thông tin chương trình liên quan đến hệ thống.
Chức năng “know-how protection” được sử dụng để ẩn mã nằm thông qua cổng PROFINET để giao tiếp qua mạng PROFINET, RS232 hay RS485.
Hình 2.8: Các bộ phận của PLC
Ngõ tín hiệu Input/Output của PLC.
LED trạng thái dành cho Input/Output.
Các thông số cơ bản PLC Siemens S7-1200
Bảng 2-4: Bảng thông số PLC Siemens s7-1200
Chức năng CPU 1211C CPU 1212C CPU 1214C
Kích thước ảnh tiến trình 1024 byte Input và 1024 byte Output
Bộ nhớ bit (M) 4096 byte 8192 byte Độ mở rộng các module tín hiệu Không 2 8
Bộ đếm tốc độ cao Đơn pha
Thời gian lưu giữ đồng hồ 5-10 ngày
Tốc độ tính toán thực 18 μs/lệnh
Dòng PLC S7-1200 cung cấp số lượng lớn các bảng tín hiệu, module tín hiệu để mở rộng dung lượng cho CPU Người sử dùng có thể nâng cấp thêm các module truyền thông để nâng cao tùy nhu cầu sử dụng
Bảng 2-5: Các module mở rộng PLC SIMENS S7-1200
Module Input Output Input/Output
Bảng tín hiệu Kiểu số 2 Input / 2 Output DC
Kiểu tương tự 1 Input Analog
Module truyền thông: RS485 & RS232
Bảng tín hiệu (SB) cho phép người sử dụng thêm I/O vào CPU Có thể thêm một bảng tín hiệu kiểu tương tự hoặc số tùy nhu cầu người sử dụng Bảng tín hiệu kết nối ở phía trước của CPU
Hình 2.9: Board mở rộng SB
Tùy vào mục đích và nhu cầu người sử dụng để có thể lắp đặt thêm module tín hiệu, được lắp đặt phía bên phải của bộ điều khiển.
Nơi kết nối đường dẫn
Dòng S7-1200 được nhà sản xuất thiết kế thêm tính năng bổ sung module truyền thông Module truyền thông có 2 loại đó là RS232 & RS485
CPU hỗ trợ tối đa 3 module để truyền thông Được thiết kế ở phía bên trái của CPU.
Nơi kết nối truyền thông.
2.2.5 Nguyên lý hoạt động PLC S7-1200
Bộ vi xử lý sẽ lần lượt quét các trạng thái của đầu vào và các thiết bị, thực hiện điều khiển logic được đặt theo chương trình ứng dụng, thực hiện các tính toán và điều khiển các đầu ra tương ứng của PLC Các PLC về sau có thể thực hiện lệnh tính các phép tính logic và số học Được thiết kế nhằm có tốc độ xử lí cao hơn với trang bị bộ nhớ lớn hơn.
Khoảng thời gian thực hiện xong một vòng các lệnh của chương trình điều khiển gọi là chu kỳ quét của PLC và được minh họa bởi hình sau:
Hình 2.12: Chu kỳ quét của một PLC
Khi nhận lệnh thực hiện quét đầu vào, PLC kiểm tra tín hiệu thiết bị vào như cảm biến, nút nhấn Sau khi quét xong sẽ được lưu nhớ tạm thời vào bộ nhớ. PLC quét lần lượt các lệnh của chương trình điều khiển, dựa vào các trạng thái của tín hiệu được lưu vào bộ nhớ từ đó đưa ra kết quả là đạt hay chưa Từ đó PLC sẽ điều khiển thiết bị ngoại vi bật hoặc tất nhằm đáp ứng theo yêu cầu Mỗi chu kỳ quét được ước lượng thực hiện trong 1-25ms Mỗi chu kỳ quét của PLC sẽ kéo dài hơn so với chu kỳ quét đầu vào và đầu ra.
Giới thiệu về WinCC
2.3.1 WinCC là gì? Tạo sao nên tìm hiểu về WinCC?
WinCC là một trong những chương trình ứng dụng cho mạng HMI, Scada trong lĩnh vực dân dụng cũng như công nghiệp
WinCC (Windows Control Center) là phầần mềầm của hãng Siemens dùng để giám sát, điềầu khiển và thu thập dữ liệu trong quá trình sản xuầất Nói rỏ hơn, WinCC là chương trình dùng để thiềất kềấ các giao diện Người và Máy – HMI (Human Machine Interface) trong hệ thốấng Scada (Supervisory Control And Data Acquisition), với chức năng chính là thu thập sốấ liệu, giám sát và điềầu khiển quá trình sản xuầất Với WinCC, người dùng có thể trao đổi dữ liệu với PLC của nhiềầu hãng khác nhau như: Siemens, Mitsubishi, Allen braddly,
Omron, thông qua cổng COM với chuẩn RS232 của PC và chuẩn RS485 của PLC
WinCC sử dụng các chức năng phổ biến sau:
Thiết kế đồ họa(Graphics Designer): Thực hiện dể dàng các chức năng mô phỏng và hoạt động qua các đốấi tượng đốầ họa của chương trình WinCC, Windows, I/O, và các thuộc tính hoạt động (Dynamic).
Nhật ký báo động(Alarm Logging): Thực hiện việc hiển thị các thông báo hay các cảnh báo khi hệ thốấng vận hành Nhận các thông tin từ các quá trình, hiển thị, hốầi đáp và lưu trữ chúng Alarm Logging còn giúp ta phát hiện ra nguyên nhân của lốỗi.
Nhật ký thẻ(Tag Logging): Thu thập, lưu trữ và xuầất ra dưới nhiềầu dạng khác nhau từ các quá trình đang thực thi.
Trình thiết kế báo cáo(Report Designer): Tạo ra các thông báo, kềất quả Và các thông báo này được lưu dưới dạng nhật ký sự kiện.
Người dùng thành công(User Achivers): Cho phép người sử dụng lưu trữ dữ liệu từ chương trình ứng dụng và có khả năng trao đổi với các thiềất bị khác.Trong WinCC, các công thức và ứng dụng có thể soạn thảo, lưu trữ và sử dụng trong hệ thốấng.
Ngoài ra, WinCC còn kềất hợp với Visual C++, Visual Basic tạo ra một hệ thốấng tinh vi và phù hợp cho từng hệ thốấng tự động hóa chuyên biệt.
WinCC có thể tạo một giao diện Người và Máy – HMI dựa trên sự giao tiềấp giữa con người với các thiềất bị, hệ thốấng tự động hóa thông qua hình ảnh, sốấ liệu, sơ đốầ, 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 cốấ
WinCC là chương trình thiềất kềấ giao diện Người Máy thực sự cầần thiềất cho các hệ thốấng tự động hóa cao và hiện đại.
Các thiết bị sử dụng trong hệ thống ổn định nhiệt độ
Với đặc điểm có cấu hình xử lí tốt, giá thành phù hợp, được dùng nhiều trong công nghiệp hiện nay nên em thực hiện đã quyết định chọn: PLC S7-1200 1212C DC/DC/DC (6ES7212-1AE40-0XB0) với các lí do cơ bản như sau:
- Đã được trang bị kiến thức cơ bản về PLC S7-1200 trong quá trình học.
- Số input trong mô hình sử dụng 1 ngõ, output 1 ngõ phù hợp với số ngõ input/output trên PLC.
Hình 2.14: Chức năng của Wincc
- Có cho phép lắp thêm board AQ để xuất tín hiệu điện áp ra module Triac
- PLC đơn giản, dễ sử dụng, độ bền và độ chính xác cao.
Phần mềm lập trình phổ biến dễ dàng tải về, dễ dàng trong việc viết chương trình điều khiển.
Hình 2.15: PLC seimeen S7-1200c DC/DC/DC
- SIMATIC S7-1200, CPU 1212C, COMPACT CPU, DC/DC/DC.
- ONBOARD I/O: 8 DI 24V DC; 6 DO 24 VDC; 2 AI 0 – 10 VDC.
- POWER SUPPLY: DC 20.4 VFC – 28.8 VDC.
Bộ điều khiển mở rộng từ S7 với phương án mở rộng cơ bản
- 1 bo mạch tín hiệu (SB) và 1 bo mạch truyền thông (CB).
- 2 mô đun tín hiệu (SM).
- Có thể có lớn nhất 3 module truyền thông (CM).
Cổng truyền thông được tích hợp sẵn
- Kết nối với máy tính, HMI, các PLC với nhau.
- Kết nối với các thiết bị có Ethernet.
- Tính năng tự động chuyển đổi đấu chéo.
- 16 kết nối ethernet được hỗ trợ,
- TCP/IP, S7 protocol, ISO on TCP.
Các tính năng về đo lường, điều khiển vị trí, điều khiển quá trình
- 6 bộ đếm tốc độ cao dùng cho các ứng dụng đếm và đo lường, trong đó có
3 bộ đếm 100kHz và 3 bộ đếm 30kHz.
- Điều khiển tốc độ, vị trí động cơ servo drive hay động cơ bước bởi 2 ngõ ra PTO.
- Ngõ ra có thể điều khiển nhiệt độ, PWM, tốc độ động cơ, vị trí valve…
- Tính năng tự động xác định thông số điểu khiển trên 16 bộ điều khiển PID
- Mở rộng tín hiệu vào ra bằng cách gắn thêm board tín hiệu mở rộng mà không cần thay đổi kích thước bộ điều khiển, gắn trực tiếp lên CPU.
- Có thể kết nối với 8 module mở rộng tín hiệu vào/ra.
- Mở rộng truyền thông bởi 3 module truyền thông kết nối với CPU.
- Khi cần mở rộng bộ nhớ cho CPU ta có thể sử dụng thẻ nhớ SIMATIC tùy loại.
Aptomat thường gọi với tên thiết bị đóng ngắt tự động (cầu dao) và viết tắt là CB Aptomat được sử dụng phổ biến trong mỗi gia đình bởi chức năng đặc biệt của nó là bảo vệ quá tải, ngắn mạch trong hệ thống Một số loại Aptomat hiện nay được thiết kế thêm chức năng chống rò.
Aptomat được thiết kế làm 2 loại:
Khi mạch đóng lại, tiếp điểm hồ quang đóng theo, theo đó là tiếp điểm phụ rồi đến tiếp điểm chính Khi ngắt mạch thì ngược lại đóng mạch, tiếp điểm chính được mở, tiếp đến tiếp điểm phụ rồi đến tiếp điểm hồ quang
Hồ quang chỉ cháy trên tiếp điểm hồ quang nên bảo vệ được tiếp điểm chính Để tránh khỏi việc làm hỏng tiếp điểm chính khi cháy hồ quang thì ta dùng thêm tiếp điểm phụ.
Nguyên lý hoạt động của Aptomat
Hình 2.17: Sơ đồ nguyên lí
- Sau khi đóng điện, Aptomat sẽ được giữ ở trạng thái đóng tiếp điểm Khi bật Aptomat, với dòng điện định mức nam châm điện 5 và phần ứng 4 không hút.
- Khi mạch điện quá tải, ngắn mạch thì lực hút ở nam châm điện 5 sẽ hút phần ứng 4 xuống làm bật nhả móc 3 sau đó móc 5 và lò xo 1 được thả, tiếp điểm của Aptomat được mở ra dẫn đến ngắt mạch điện.
- Bảo vệ quá tải và ngắn mạch.
- Tính năng / đặc điểm: Bimetal và cuộn hút từ tính.
- Điện áp đầu vào: 110 – 220V (Sai số 15%).
- Chất liệu: Vỏ làm bằng kim loại.
- Bảo vệ: quá tải, quá áp.
- Kích thước: 240mm x 124mm x 67mm
- L, N: nối điện xoay chiều ở đầu vào.
- +V/ADJ: Điều chỉnh điện áp đầu ra.
Hình 2.19: Modul Triac điều khiển điện áp xoay chiều
- Hoạt động điều khiển điện áp xoay chiều từ 0 VAC đến 220 VAC
- Tín hiệu điều khiển: 0-10VDC; 4-20mA
- Dùng để nhận tín hiệu điều khiển từ Vi xử lý, PLC
- Sử dụng module này để điều khiển độ sáng của đèn.
ANALOG OUTPUT SB 1232, 1 AO, +/- 10VDC (12 BIT RES.)
Hình 2.20: SIGNAL BOARD SB 1232, 1 AO
- Sử dụng để tạo ra nhiệt độ trong buồng sấy
2.4.7 Cảm biến nhiệt độ PT100
- Đo được: từ 0 đến 100 độ C.
Hình 2.22: Cảm biến nhệt độ PT100
- Cảm biến nhiệt độ PT100 được cấu tạo từ Platinum, được quấn tùy theo hình dáng của đầu dò nhiệt Có giá trị lúc ở 0 0 C là 100 Ohm Đây là loại cảm biến thụ động nên trong quá trình sử dụng để được chính xác cần phải cấp cho nó một nguồn ngoài ổn định Giá trị điện trở thay đổi cùng với tỉ lệ thuận với sự thay đổi nhiệt độ.
2.4.8 Bộ chuyển đổi PT100 sang 4-20 mA
Cảm biến nhiệt độ Pt100 có giá trị điện trở 100 ohm tại 0 độ C , khi nhiệt độ tăng thì điện trở sẽ tăng từ 100 Ω trở lên khi cảm biến còn hoạt động tốt. Chúng ta đều biết rằng dây tín hiệu đều có một gía trị điện trở nhất định dù là nhỏ nhất và ngắn nhất.
Chính vì thế chúng ta cần phải dùng bộ chuyển đổi nhiệt độ pt100 sang 4-20mA.Với thiết kế nhỏ gọn vừa đủ gắn trên đầu củ hành của cảm biến,tín hiệu được chuyển đổi trực tiếp ngay trên đầu cảm biến.
Hình 2.23: Bộ chuyển đổi PT100 sang 4-20 mA
Bộ chuyển đổi nhiệt độ Pt100 được dùng để chuyển đổi tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ Pt100 thành tín hiệu 4-20mA đưa về PLC hoặc bộ hiển thị Các module PLC thường đọc tín hiệu analog 4-20mA nên không thể đọc trực tiếp tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ nếu không gắn thêm Modul mở rộng.
Nguồn cấp dạng loop power : 12VDC
Công suất tiêu thụ : 500mW
Cách ly chống nhiễu : 1500Vac 2 way
Thời gian đáp ứng : < 620ms
Cài đặt bằng phần mềm Easy Setup
Sử dụng lắp trên đầu củ hành của cảm biến
Nhiệt độ làm việc -40 … 85 độ C
Input đầu vào : PT100 0-100 độ C
Tín hiệu ngõ ra : 4-20mA 2 dây Độ phân giải : 2uA = 13 bit = 0.0125%
2.4.9 Module Chuyển Đổi Tín Hiệu 4-20mA Sang 0-10V
Hình 2.24: Module Chuyển Đổi Tín Hiệu 4-20mA Sang 0-10V
- Trong quá trình truyền tín hiệu trong mạch điện, tín hiệu điện áp sẽ tăng khi khoảng cách truyền giảm Module này được sử dụng cho việc truyền tín hiệu dòng điện Hỗ trợ đầu vào dòng điện 4-20mA, 0-20mA, đầu ra điện áp hỗ trợ 0-3.3V 0-5V 0-10V.
- Vì PLC 1212 DCDCDC không có sẵn cổng đọc tín hiệu dòng điện 4- 20mA mà có sẵn cổng đọc tín hiệu điện áp nên em dùng thêm Module Chuyển Đổi Tín Hiệu 4-20mA Sang 0-10V để tận dụng cổng AI của PLC.
Hình 2.25: Sơ đồ đấu nối module chuyển đổi tín hiệu
- Dải điện áp cung cấp rộng, điện áp đầu ra hỗ trợ nhiều phạm vi sử dụng.
- Phạm vi có thể được điều chỉnh.
- Độ ổn định cao, tuyến tính tốt, loại hình công nghiệp.
- Tín hiệu dòng điện lấy mẫu điện trở với độ chính xác cao, nhiệt độ trượt nhỏ, công suất cao.
PHÂN TÍCH,TÍNH TOÁN VÀ THẾT KẾ HỆ THỐNG
Sơ đồ khối hệ thống
Hình 3.26: Sơ đồ khối hệ thống
Chức năng từng khối chính:
- Khối nguồn : có chức năng cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống bao gồm: nguồn 220VAC và nguồn 12VDC, nguồn 24VDC
- Khối cảm biến : Có chức năng đọc nhiệt độ trong lò và gửi tín hiệu về module chuyển đổi tín hiệu 4-20mA sang 0-10V để gửi tín hiệu về cho PLC.
- Bộ điều khiển : có chức năng điều khiển toàn bộ hệ thống.
- Màn hình điều khiển giám sát : Nhập thông số điều khiển và giám sát hệ thống.
- Module Triac : có chức năng nhận tín hiệu điện áp từ module AQ của
PLC để điều khiển đèn Halogen.
- Khối gia nhiệt : Sử dụng đèn Halogen để tỏa nhiệt ra lò.
Bản vẽ điều khiển hệ thống
Hình 3.27: Bản vẽ cấp nguồn hệ thống
Cấp nguồn vào 2 nguồn tổ ong 24VDC và 12VDC và module triac
Hình 3.28: Mạch điều khiển PLC
Mô hình khi hoàn thiện
Hình 3.29: Bản vẽ mạch đèn
Tính toán các thông số PID cho hệ thống
3.4.1 Khái niệm về đường đặc tính của lò nhiệt
Lò nhiệt có đầu vào là điện áp cung cấp cho dây đốt (hay công suất cung cấp) và đầu ra là nhiệt độ của lò Để thành lập phương trình toán của lò nhiệt ta phải khảo sát phương trình vi phân mô tả các quan hệ nhiệt độ - năng lượng ở các bộ phận liên quan - đây là bài toán phức tạp nếu muốn chính xác.Trong điều kiện phòng thí nghiệm, ta có thể xác định hàm truyền của lò nhiệt một cách gần đúng Ta có thể xem môi trường nung/sấy là đồng chất, đẳng nhiệt.
- Như vậy phương trình cân bằng năng lượng cho ta: điện năng cung cấp sẽ được dùng để bù vào năng lượng nhiệt truyền ra bên ngoài và nâng nhiệt độ môi trường nung/sấy Từ đó tính được hàm truyền lò nhiệt H(s) lúc đó sẽ là quán tính bậc nhất:
K là hệ số tỉ lệ cho biết quan hệ vào ra ở chế độ xác lập
T là thời hằng nhiệt thể hiện quán tính của hệ thống.
Mô hình hàm truyền trên, cho thấy quá trình quá độ với đầu vào hàm bước nhảy (step) có dạng hàm mũ chỉ là gần đúng.
Thực tế hệ thống có bậc cao hơn nhưng quá trình quá độ đầu vào hàm step vẫn không có độ quá điều chỉnh, như hình sau
Hình 3.32: Đáp ứng nấc của lò nhiệt
- Dạng đặc tính này có thể biểu diễn dưới dạng hàm truyền sau:
K là hệ số tỉ lệ.
T là hằng số thời gian
- Khai triển Taylor của e -Ls ta được:
Khi cần tính toán thông số bộ điều khiển, ta có thể đưa hệ thống về khâu tuyến tính bậc hai như trên và cho tìm hàm truyền bằng thực nghiệm khi vẽ quá trình quá độ hệ thống với ngõ vào là hàm step
3.4.2 Nhân dạng đường đặc tính
Ta tiến hành nhận dạng lò nhiệt điện trở trong chương 2 bằng phương pháp thực nghiệm và lấy đặc tính thực của đối tượng Ta có sơ đồ khối như hình dưới:
Quá trình lấy đặc tính thực của đối tượng: Máy tính làm nhiệm vụ giao tiếp với PLC thông qua cáp truyền thông, thanh điện trở được cấp tối đa công suất Nhiệt độ trong lò được cảm biến nhiệt độ Pt100 chuyển ra dạng tín hiệu điện đưa về đầu vào AI0 của PLC Trong quá trình này, PLC chỉ có nhiệm vụ xuất tín hiệu khởi động cấp nguồn cho thanh điện trở và đọc giá trị nhiệt độ của lò.Ta sử dụng tính năng Historical data của WinCC Runtime Advanced trong phần mềm TIA Portal để lưu dữ liệu đọc được vào file Excel.
- File excel thu được có dạng như hình sau:
Hình 3.33: Sơ đồ khối lấy đường đặc tính của đối tượng
Hình 3.34: Giao diện Historical data trong TIA Portal
Hình 3.35: Kết quả đọc nhiệt độ xuất ra file Excel
Ta nhận thấy rằng nhiệt độ của lò điện trở bắt đầu từ nhiệt độ môi trường lúc thử nghiệm Do đó, ta cần chuẩn hóa về 0 để thuận tiện cho việc nhận dạng lò nhiệt điện trở.
Sau đó ta tiến hành đọc dữ liệu vào Matlab Phần mềm Matlab cung cấp một bộ công cụ rất mạnh cho nhận dạng hệ thống đó là SystemIdentification Toolbox Bộ công cụ này cho phép người dùng xây dựng mô hình hệ thống động học vào giá trị đo bằng cách điều chỉnh các tham số mô hình cho đến khi giá trị đầu vào gần đúng, với giá trị đầu vào đo được trên hệ thống thực Bộ công cụ này cung cấp các kỹ thuật nhận dạng các công thức toán học khác nhau, ví dụ mô hình ARX, ARMAX hay các lại mô hình không gian trạng thái tuyến tính Ngoài ra, bộ công cụ này cung cấp giao diện đồ họa thuận tiện cho người sử dụng Trên cửa sổ Command Window củaMatlab, ta gõ lệnh đọc giá trị của file Excel đã lưu trên máy tính:
u1: Giá trị điện áp đầu vào.
nhietdo: giá trị nhiệt độ đầu ra
'C:\nhietdo.csv': Đường dẫn đến file Excel
nhietdo(:,9), nhietdo(:,8): Các giá trị của điện áp và nhiệt độ trong file Excel tương ứng với từng cột I và G
save Identdata vao ra: Lưu 2 file dữ liệu u1 và nhietdo vào 1 file thống nhất là ident
ident: Mở cửa sổ nhận dạng của Matlab.
Hình 3.36: Cửa sổ nhận dạng của Matlab
Cửa sổ hiện ra, ta tiến hành Import data bằng cách bấm chọn Import data
→ Time domain data - Cửa sổ Import data hiện ra, ta cài đặt như hình và bấm
Hình 3.37: Cửa sổ Import Data
Bấm chọn Time plot trên cửa sổ nhận dạng của Matlab, ta thu được đường đặc tính của lò nhiệt:
Tiếp theo, ta bấm chọn Estimate trên của sổ nhận dạng => Process
Hình 3.38: Đường đặc tính của lò nhiệt
Hình 3.39: Cửa sổ xác định hàm truyền khâu quán tính bậc nhất có trễ.
- Ta chọn nhận dạng cho đặc tính của lò nhiệt là khâu quán tính bậc nhất có trễ Sau đó bấm Estimate trên cửa sổ hàm truyền.
- Trên cửa sổ nhận dạng bấm chọn Model output để xem độ chính xác của hàm truyền Matlab xây dựng được so với số liệu ta có trong file Excel.
Hình 3.40: So sánh độ chính xác của hàm truyền đạt do Matlab xây dựng so với hàm truyền đọc được từ file Excel.
- Như ta thấy đường P1D là đường đặc tính của hàm truyền khâu quán tính bậc nhất có trễ có độ chính xác là 85.97% Ta có thể xem các thông số của hàm truyền này bằng cách kích đúp chuột trái vào ô P1D trên cửa sổ nhận dạng.
Hình 3.41: Bảng thông số hàm truyền lò nhiệt khi được nhận dạng là khâu quán tính bậc nhất có trễ.
- Từ bảng trên ta có:
- Như vậy, hàm truyền đạt của quá trình nhiệt của lò điện trở chương 2, được mô tả bởi phương trình sau:
Hình 3.42: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển
Khối điều khiển: Là bộ PID mềm trong PLC S7-1200.
Thiết bị công suất: Là rơ-le bán dẫn thực hiện việc điều khiển công suất cung cấp cho dây điện trở của lò dựa vào tín hiệu điều khiển từ bộ PID của PLC.
Thanh điện trở: Làm thay đổi nhiệt độ của lò nhiệt khi được cấp nguồn điện 0-220VAC Nhiệt lượng tỏa ra của thanh điện trở tỉ lệ thuận với điện áp cung cấp cho thanh điện trở.
Lò nhiệt: Có nhiệm vụ giữ nhiệt.
Khối đo lường: Là cảm biến nhiệt độ có nhiệm vụ thu nhập dữ liệu nhiệt độ lò nhiệt rồi đưa vào đầu đọc tín hiệu analog của PLC S7-1200 Khối có hàm truyền G(s): Là lò nhiệt cần điều khiển nhiệt độ Khối này có hàm truyền có các thông số đã được trình bày ở trên Lúc này ta được một khâu có hàm truyền:
T và L là hai thông số đặc trưng của lò có cách xác định được nói trong phần trên K là hệ số tỉ lệ.Từ đó ta có thể rút gọn mô hình hệ thống bộ điều khiển nhiệt độ như hình sau:
Trong đó, hàm truyền đạt đối tượng điều khiển tổng thể có dạng:
Bộ điều khiển PID có hàm truyền dạng liên tục như sau:
3.4.3 Xác định thông số bộ điều khiển PID
Hình 3.43: Sơ đò tóm tắt hệ thống
- Để xác định được các thông số của bộ điều khiển PID thì có nhiều phương pháp nhưng phương pháp đơn giản nhất và thường được sử dụng nhiều trong công nghiệp đó là phương pháp Ziegler – Nichols I Vì phương pháp thiết kế đơn giản nên sai số sẽ khá cao.
- Phương pháp Ziegler – Nichols I là phương pháp thực nghiệm để thiết kế bộ điều khiển P, PI hoặc PID bằng cách dựa vào đáp ứng quá độ của đối tượng điều khiển.
Bảng 3-6:Bảng tính các thoogn số PID theo Ziegler-Nichols I
Từ các tham số của lò nhiệt thu được ở phần trước, ta có:
Từ bảng trên, ta tính được các thông số của bộ điều khiển PID như sau:
* = 31.977*8.2185 = 262.082Tiến hành xây dựng sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển nhiệt độ với 3 bộPID xác định được ở trên
Tổng kết
Trong chương 3, chúng em đã nhận dạng được hàm truyền của lò điện trở kết hợp giữa phương pháp thực nghiệm số liệu thu được từ lò điện trở vật lý trong phòng thí nghiệm và công cụ nhận dạng trên Matlab-Ident; dựa trên hàm truyền của lò điện trở, chúng em đã tính được thông số của bộ điều khiển PID theo phương pháp Ziegler-Nichols I; chúng em cũng xây dựng sơ đồ Simulink mô phỏng đánh giá chất lượng hệ thống điều
Hình 3.45: Đường đặc tính của lò nhiệt sau khi mô phỏng trên matlab simulink khiển nhiệt độ lò điện trở trên Matlab Trong chương 3, chúng em đã sử dụng PID Tuner của Matlab để tuning xác định bộ điều khiển tối ưu hơn theo yêu cầu.
THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG
Lưu đồ thuật toán
Hệ thống khi ấn START thì hệ thống hoạt động , và nhập nhiệt độ cần đạt.
Sau đó hàm PID của PLC sẽ xuất tín hiệu ra điều khiển module Triac , module Triac theo tín hiệu đó sẽ điều chỉnh điện áp vào của đèn Halogen để tăng giảm độ sáng hay chính là tăng giảm nhiệt độ sao cho nhiệt độ phản hồi về tiệm cận so với nhiệt độ cài đặt.
Hình 4.46: Lưu đồ thuật toán hệ thống
Khi hệ thống đang hoạt động, ta ấn STOP thì hệ thống dừng và kết thúc.
Giới thiệu về hệ thống SCADA
SCADA (viết tắt tiếng Anh: Supervisory Control And Data Acquisition) hiểu theo nghĩa truyền thống là một hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu. Nhằm hỗ trợ con người trong quá trình giám sát và điều khiển từ xa
Theo định nghĩa trên thì SCADA là một hệ thống các yếu tố phần mềm và phần cứng cho phép các tổ chức công nghiệp:
- Kiểm soát các quy trình công nghiệp tại local hoặc tại các địa điểm từ xa
- Theo dõi, thu thập và xử lý dữ liệu thời gian thực
- Tương tác trực tiếp với các thiết bị như cảm biến, van, máy bơm, động cơ và nhiều thứ khác thông qua phần mềm giao diện người-máy (HMI)
- Ghi sự kiện vào một file nhật ký hoặc CSDL.
Các hệ thống SCADA rất quan trọng đối với các tổ chức công nghiệp vì chúng giúp duy trì hiệu quả, xử lýdữ liệu cho các quyết định thông minh hơn và truyền đạt các vấn đề của hệ thống để giúp giảm thiểu thời gian.
Kiến trúc SCADA cơ bản bắt đầu bằng bộ điều khiển logic lập trình (PLC) hoặc thiết bị đầu cuối từ xa (RTU) PLC và RTU là các máy vi tính giao tiếp với một loạt các đối tượng như máy nhà máy, HMI, cảm biến và thiết bị đầu cuối,sau đó định tuyến thông tin từ các đối tượng đó đến máy tính bằng phần mềmSCADA Phần mềm SCADA xử lý, phân phối và hiển thị dữ liệu, giúp người vận hành và các nhân viên khác phân tích dữ liệu và đưa ra quyết định quan trọng.
Hình 4.47: Nguyên lý hoạt động của hệ thống SCADA
Hệ thống SCADA về mặt vật lý sẽ giống như một màn hình Thường sẽ có nhiều màn hình trong đó người vận hành có thể vừa điều khiển vừa giám sát tất cả các thành phần liên quan trong một hệ thống, máy móc hoặc thậm chí toàn bộ nhà máy Điều này có thể dễ được hình dung với ví dụ: một P&ID (sơ đồ đường ống và các thiết bị đo đạc) Điều quan trọng nhất là người vận hành hiểu các phần khác nhau của hệ thống SCADA và những gì họ cần làm là điều khiển hay giám sát.
Ứng dụng của hệ thống SCADA
SCADA có nhiều ứng dụng khác nhau, từ các đơn vị nhỏ đến các nhà máy lớn và thậm chí cả các doanh nghiệp, tập đoàn có nhiều nhà máy Giám sát có thể hữu ích trong mọi khía cạnh của tự động hóa vì nó cho phép chúng ta thu thập những dữ liệu hữu ích Dữ liệu này không chỉ có thể giúp chúng ta giảm chi phí sản xuất mà còn có thể giúp chúng ta cải thiện hiệu quả của quá trình sản xuất và giảm chi phí bảo trì SCADA cung cấp cho chúng ta dữ liệu để phân tích.
Nhiều ngành công nghiệp đang sử dụng một số loạt ứng dụng của SCADA để giám sát điều khiển các quy trình của họ Tuy nhiên, mỗi ngành có những yêu cầu khác nhau về những gì cần thiết phải được giám sát và điều khiển.
Hệ thống SCADA dành cho ngành dầu khí có thể hoàn toàn khác với hệ thống SCADA cho hệ thống điện hoặc nhà máy điện.
Có thể liệt kê một số lĩnh vực, ngành công nghiệp đang sử dụng hệ thống SCADA rất nhiều như:
- Nhà máy xử lý nước, nước thải
- Thực phẩm và đồ uống
Giới thiệu phần mềm thiết kế lập trình Tia Portal V16
Được giới thiệu lần đầu vào tháng 3/2019, và ra mắt bản cài đặt vào tháng 11/2019, TIA Portal V16 là phiên bản chương trình tích hợp toàn diện mạnh mẽ nhất của Siemens Ngoài việc hỗ trợ các phần cứng PLC mới, TIA V16 còn tích hợp các công cụ để tạo nền tảng cho việc số hóa
TIA Portal – cái tên rất quen thuộc trong lĩnh vực tự động hóa Đúng như tên gọi TIA Portal: Total Intergrated Automation Portal, là phần mềm cơ sở tích hợp tất cả các phần mềm cấu hình, lập trình cho các hệ tự động hóa và truyền động điện: PLC, HMI, Inverter của Siemens.
- Ưu điểm: tích hợp tất cả trong 1 phần mềm, 1 giao diện, tạo ra sự nhất quán trong việc cấu hình hệ thống.
- Nhược điểm: dung lượng phần mềm lớn, yêu cầu cấu hình máy tính cao, ban đầu khó làm quen đối với người mới học.
Các gói phần mềm có trong TIA Portal:
Hình 4.49: Phần mềm TIA PORTAL V16
- SIMATIC STEP7 Professional và SIMATIC STEP7 PLCSIM: dùng để lập trình và mô phỏng PLC S7-1200, S7-1500, S7-300, S7-400,
- SIMATIC WinCC Professional: Lập trình giao diện HMI và giao diện SCADA
- SIMATIC Start Driver: Cấu hình biến tần Siemens.
Ngoài lập trình cơ bản TIA Portal còn hỗ trợ một số tính năng nổi bật như:
- Hỗ trợ lập trình truyền thông trực tiếp trên phần mềm : giao diện HMI, Wincc, truyền thông profibus với giao diện và tập lệnh dễ sử dụng.
- Dễ dàng thiết lập cấu hình kết nối giữa các thiết bị trong mạng truyền thông
- Hỗ trợ mô phỏng một cách trực quan các dòng PLC mới nhất của Siemens với PLCSIM.
Có thể nói TIA Portal là phần mềm được Siemens phát triển nhằm thay thế các phần mềm chuyên dụng khác cho các dòng PLC của hãng Siemens.
Thiết kế chương trình điều khiển
Trước khi lập trình điều khiển và giám sát hệ thống ta cần lấy các thiết bị và kết nối chúng với nhau.
Hình 4.50: Lấy CPU 1212 DC/DC/DC để lập trình
Hình 4.51: Sử dụng WinCC RT Advanted để thiết kế giao diện SCADA
Hình 4.52: Kết nối PLC và PC System bằng dây Ethernet
Hình 4.53: Lấy thêm board AQ SB 1232
Lấy thêm board AQ SB 1232 để xuất tín hiệu điện áp đến module Triac. 4.4.2 Chương trình điều khiển
Em sử dụng hàm Main OB để viết chương trình chính
Network 1 : có chức năng bật tắt hệ thống, và chọn chế độ điều khiển tự động cho hàm PID.
Network 2 : có chức năng đọc tín hiệu điện từ module chuyển đổi tín hiệu 4-20mA sang 0-10V , sau đó biến đổi thành tín hiệu vật lý là tín hiệu nhiệt độ trong khoảng từ 0-100 độ C.
Network 3 : có chức năng hiển thị công suất hiện tại của đèn Halogen.
Network 4 : có chức năng xuất tín hiệu ra module AQ Khi hệ thống RUN thì tín hiệu chạy theo tín hiệu của OUTPUT PER PID Khi hệ thống dừng thì giá trị xuất ra bằng 0.
Hình 4.54: Thêm block để viết chương trình PID
Hình 4.55: Hàm PID điều khiển hệ thống
Hàm PID_Compact hoạt động khi hệ thống RUN Giá trị Setpoint là giá trị nhiệt độ đặt Tín hiệu phản hồi Input là tín hiệu nhiệt độ trả từ cảm biến Tín hiệu xuất ra là Output Per đến board AQ.
Hình 4.56: Cấu hình hàm PID điều khiển theo kiểu nhiệt độ
Hình 4.58: Cài đặt giá trị min và max của nhiệt độHình 4.57: Cấu hình tín hiệu Input và Output của PID
Hình 4.59: Các tag lưu trong PLC tags
Thiết kế giao diện điều khiển
Hình 4.61: Điều khiển giám sát hệ thống trên WinCC
Hình 4.60: Cài đặt kích cỡ màn hình