Một bộ điều khiến lập trình sẽ liên tục lặp trongchương trình do người sử dụng lập ra chờ tín hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ ratại các thời điểm đã lập trình.. Trong suốt quá trìn
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
TRAN NGOC THUONG
NGHIÊN CUU UNG DUNG PLC S7-1200 DIEU KHIEN MUC CHAT LONG TRONG DAY CHUYEN SAN XUAT HOA CHAT
CONG NGHIEP
LUẬN VAN THẠC SĨ
NINH THUẬN, NĂM 2017
Trang 2BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
TRAN NGOC THUONG
NGHIÊN CUU UNG DUNG PLC S7-1200 DIEU KHIEN MUC
CHAT LONG TRONG DAY CHUYEN SAN XUAT HOA CHAT
CONG NGHIEP
Chuyén nganh: Kỹ Thuật Điện
Mã số: 60520202
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Vũ Minh Quang
NINH THUẬN, NĂM 2017
Trang 3LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả
nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ mộtnguồn nào và dưới bat kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đãđược thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định
Tác giả luận văn
Trần Ngọc Thưởng
Trang 4LỜI CÁM ƠN
Trong quá trình thực hiện đề tài em gặp không ít những khó khăn, nhưng với sự hướng
dẫn tận tình của thầy hướng dẫn cùng các thầy cô trong khoa đến nay đề tài của em đã
hoàn thành đúng thời gian quy định.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Vũ Minh Quang, giảng viên bộ môn “ Kĩ
thuật điện ” Khoa Năng Lượng — Trường DH Thủy Lợi, người đã tận tình chỉ bảo
hướng dẫn em trong quá trình làm luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô trường ĐH Thủy Lợi, gia đình và bạn bè,những người đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá
trình học tập và hoàn thành luận văn.
Dù đã cố gắng nhưng đề tài cũng không thể tránh khỏi những khiếm khuyết, rất mongnhận được sự đóng góp ý kiến của quý Thay Cô dé dé tài của em được hoàn thiện hon
nữa.
Em xin chân thành cảm ơn!
li
Trang 5MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HINH ẢNH -2- 2-52 ££SE+EE‡EEEEEEEEEEEEEEEEEE2E121 21.2111 eU VvDANH MỤC BANG BIEBU eesssssessessessssssessessecssessessecsessusssessecsessussisssessesssssisssesseesueases viiDANH MỤC CÁC TU VIET TẮTT - 2© £+S£+SE+EE+EE2EE£EE£EEEEEEEEEEEtrkrrkerrerrkee viii
MG DAUD 0757 ::‹::Ốa ix
1 Tính cấp thiết của Dé tải: ¿- ¿St St CS E1 11211 2112111111111211 111.11 1111111.1X
2 Mục đích của Dé tài: - ¿2-52-5221 EE21121127171121121121111111 211111121111 c1 xCHƯƠNG 1 TONG QUAN VE DAY CHUYEN CUNG CAP VA SAN XUAT
HOA CHAT TRONG CONG NGHIEP ccsscssssssessesssssessessssscsssssessesscsusssessecsessueesessess 1
1.1 Giới thiệu về dây chuyền sản xuất và cung cấp hoá chat công nghiệp : 11.2 Phương pháp sản xuất hóa chất công nghiệp 1 c.cccccsseesessessesssessessesseesesseeees 21.3 Dây chuyên sản xuất hóa chat trong công nghiệp điển hình 3
1.3.1 Sơđồ: cS 2H HE HH H2 1211211 ereree 3
1.3.2 Nguyên lí làm vIỆC : .- c 1v 3
CHƯƠNG2_ GIỚI THIỆU PLC S7 — 120( -¿-¿©++++E+£+£+++z++rxe+rxezrxez 8
2.1 Giới thiệu tong quan về PLC 2 ooecceccccccssesssessessesssessessessesssessessesssssessessecsessseeseeses 8
2.1.1 Khái niệm về PLC 2 ooeccceccccscsssesssesssssssessecssecsssssesssecssessusssecssecsesssesssecseessesens 8
2.2 Giới thiệu PLC S7-1200 : oecceccccccssesseessessessesssessessesssssessessesssssessessessessseeseesess li
2.2.1 Phần cứng PLC S7-120( -¿- 2 ©E+SE+2EE2EE£EEEEEEEE2E1E71712211 21x21 rxe 13
2.3 Phần mềm điều khiển và lập trình : 2- + 2 2 ++E££E££Eezxerxerxrrszrs 15
2.3.1 Giới thiệu: -c- S22 2T TH E2 T211 110111 xe 15
2.3.2 Ứng dụng : c-Sk2k E2 EE12111211211211 1121121111112 16
2.3.3 Khả năng làm VIỆC : - -.- SG 111393199 11191111 1111 11 11 g1 1H ng rưưn 17
CHƯƠNG3 XÂY DỰNG BO DIEU KHIÉN 2-2 25£2£++£e+zxezxzes 18
3.1 Xây dựng mô hình toán học bộ điều khiển mức chat lỏng 18
3.1.1 Định nghĩa về các bộ điều chỉnh PID - 2 5¿52x2s+zcs+scse2 183.2 Mô hình toán học bộ điều khiển mức chất 01 22
3.2.1 Mô hình bộ điều khiển mức chất lỏng - 2 2 2+ z+s+£+z£s+csez 223.2.2 Đối tượng van tuyến tính: - 2 2 +keEk£EE+EE£EEEEE2EEEEEEerkerkerkerkee 23
3.2.3 Đối tượng bình mứC: - 2 <©E++E2EE+EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEkrrkerree 23
3.2.4 Đối tượng cảm biến siêu âm: - 2 ¿+ E+SE+E++EE+EzEerEerkerkersereee 25
1H
Trang 63.2.5 Sơ đồ mô hình toán học bộ điều khiển mức chất lỏng . 25
3.2.6 Tim thông số PID - ¿ -©E9SE+EE+EE+EE2E2EEEEEEEEEEEE1211211212 212111 xe, 25CHUONG 4 LẬP TRÌNH DIEU KHIỂN -22 222 E+£EzE++ze+rxrrxezes 28
4.1 Biểu đồ chức năng - 2-2 E1 EEEEE21121121111211211211 112111111 ce.28
4.2 _ Chương trình điều khiỂn: -¿- 2 2 + £+E+E£EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEkerkerkrree 30CHUGNG5 THIẾT KE GIAO DIEN GIAM SAT HMI . -5:-5 45
5.1 Giới thiệu về giao điện giám sát HMI . -¿-©5¿2c+++xevzxesrxesrseee 455.2 Giới thiệu về Wincc Professional -¿- - 5s s+x+E£Et+k+EvEEEeEeEerkekerererkerereree 47
5.2.1 Tổng quan về Win CC: -¿ 2¿©-+¿++++2k+2EE2EEE2EE221E2212EEE2E.erkerkee 47
5.2.2 Chức năng phô biến của Win CCoo.eeeecceccecsessessesssessessecseessessessessesseeseeaee 48
5.3 Thiết kế giao điện - - tt SE E1 1211211211111111111 1111.11.11 111111 c0 50
CHUONG 6 MÔ PHONG VÀ KET LUẬN -2 ¿¿22++2++zx++rxzrxeee 52
6.1 Mô phỏng ở chế độ tự động -¿- 2 2+ SEeEESEEEEEEEEEEE2E21121 217121 xe 526.2 Mô phỏng ở chế độ Tay: ccceccsccscsessesssessessessesssessessesssssessessesssssessessessessseeseesess 57
6.3 Kết atrecccecccccccsscessesssesssesssessesssecssessusssesssessusssssssessuessssssesssessusssesesesssesseeseesses 58
TAI LIEU THAM KHẢO - ¿22-52 SS£2S£2EE+EE£EEEEEEEEEEEEEEEEEE2E127171211211 2121 59
iv
Trang 7Hình 1.1:
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Bình chứa đựng hố chat trong cơng nghiỆp - 2 2 2s s2 s+£z+£+2 e2 1Hình 1.2: Trung tâm van hành dây chuyền sản xuất hĩa chất - 2: 5 s52 2Hình 1.3: Sơ đồ dây chuyền sản xuất hĩa chat trong cơng nghiệp - 3Hình 1.4: Van điều khiến tuyến tính băng điện Ginice Korea . -:5+- 5
Hình 1.5: Cảm Biến siêu Am seeccsssesscssssescssssescessnessesssneeseessnecessneeeesnneeseesnneseesnnness 6
Hình 2.1: Sơ đồ khối của hệ thống điều khién lập trình -2- 2 2s s2 s+<£zzs+2 9Hình 2.2: Sơ đồ khối tổng quát của CPU ¿ 2¿++22++2+++£x++Extzxxerxesrxerrxees 10
Himh 2.3: PLC S7 772/00 h 13
Hình 2.4: PLC S7 - 1200 nhìn từ phía tTƯỚC - - 5 + 1k SH ni, 14
Hình 2.5: Giao điện làm việc của TIA POFTẠL cc S511 8111155 se 15
Hình 3.1: Bộ điều khiển PID khơng phụ thuộc - 2-2 2 +2 22 2+E££++£x+z++ceez 18Hình 3.2: Bộ điều khién PID phụ thuộc -2- 2 2 + 5x£2E£2£++E+££Etzx+zzeerxerxrres 19Hình 3.3: Bơng thức xác định giá trị các hệ số Ki, Kp, Kd ¿s2 5+: 21Hình 3.4: Mơ hình bộ điều khiển mức chat 1Ong c.ccsccsssessessssssessesseesessessessessseeseeseees 22Hình 3.5: Mơ hình hàm truyền đạtt ¿2-52 5S2E£+EE+EE£EEtEEEEEEEEEEEEErErrkrrkerkrres 23Hình 3.6: Sơ đồ khối mơ hình tốn học bộ điều khiển mức chất lỏng 25Hình 3.7: Dap ứng ngõ ra ứng với hệ số Ku = 0.043, Ki=Kp=0 - 26Hình 3.8: Đáp ứng ngõ ra ứng khi xác định được thơng số PID - 26
Hình 3.9: Dap ứng ngõ ra khi ngõ vào tăng Bia fTỊ -. c5 Scc + sseseereesereesers 27 Hình 3.10: Dap ứng ngõ ra khi ngõ vào g1ảm glá fTỊ sét seeeeeeersersee 27
Hình 4.1: Biểu đồ chức năng 2-22 5¿+S+t2EE+EE+£EE+2EEE2EEE21E221E221 21121 221ecrxee 29Hình 4.2: Khối PID trong S7-12200 - -:- 2 2 £+E£2E£+E£EE£EESEEEEEEEEEEEEEEEEEEEerkrrrrrkee 30Hình 4.3: Bang cài đặt thơng số PID -2- 2 2 £+S£+E£EE£EE#EEEEEEEEEEEEEEEEEEEerkrrkrrree 31Hình 4.4: Bảng nhập thơng số PID - 2-2-2 2 £+E£+E£EE£EE#EEEEEEEEEEEEEEEEEEerkrrkrrree 32Hình 5.1: Kiểm tra lỗi sai sĩt khi thiết kế HMI . -cccccccccsccxerrrrrerrerrrerrre 46
Hình 5.2: Tao và gan thuộc tính cho nút S”TOP - s +k* + svgseee 50
Hình 5.3: Tạo va gan thuộc tính cho động cơ Pump Ì -«- «<< <<ss+sc+sx++ 50
Hình 5.4: Tạo và gan thuộc tính cho W/O field 5+ +++*++£+skrseeeerseereerees 51
Hình 5.5: Tao va gan thuộc tinh cho Biểu G6 eccccecccseccssececsessessssecscsecesscersecersecaveeeaveess 51
Hình 6.1: Bom 1 và 2 dang Chạy - - G1111 TH TH TH TH ng kg 52
Hình 6.2: Bình 1 đầy mà bình 2 chưa đâầy -¿- 2 2 + +k+EE£EE+EE+EE2EEEerkerkerkereee 53Hình 6.3: Hệ thong gia nhiệt hoạt động - - Ăn HS HH HH HH ệt 53
Hình 6.4: Gia đủ nhiệt, bom 3 bom 4 hoạt động - c1 skEsessirserses 54
Hình 6.5: Khi bom 3, 4 ngừng bom, khuấy hoạt động 90S c ceccesceesseeseeseeseeseeseseeeees 54 Hình 6.6: Bơm 5 hoạt động đây sản phẩm vào bình chứa 4 -2- 2-5: 55
Hình 6.7: Van tuyến tính đang TmỞ - 2-2-5 S£+S£2E£2E£EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEerkrrkrrree 55Hình 6.8: Bộ PID đang hoạt động khi cĩ hĩa CẮT Set SE ESESEEEEESEEEEkrkrrrrrree 56Hình 6.9: Bộ PID đang hoạt động khi đủ mức hĩa ChẤT - 5c StctcteESEeEekerkerrrxee 56
Trang 8Hình 6.10: Mô phỏng ở chế độ tay khi nhân BƠM 5
Mi
Trang 9DANH MỤC BANG BIEU
Bang 1: Định nghĩa các biến vào ra sử dụng trong bài ¿5-5 s+cscs+ẻ 32Chương trình điều khiến - 2-2 2 2S £EE£EE£EE+EE2EE£EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEkerkrrkee 45
vil
Trang 10DANH MỤC CÁC TU VIET TAT
(Xếp theo thứ tự A,B,C của chữ cái đầu viết tắt)
DHTL Đại học Thủy lợi
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers
LVThS Luan van Thac si
vill
Trang 11MO DAU:
1 Tinh cấp thiết của Đề tai:
Trong thời đại ngày nay khi công nghệ thông tin ngày càng phát triển, cùng hoà nhập
với chủ trương công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước, ngành kỹ thuật điều khiển va
Tự Động Hóa là ngành khoa học phát triển cực kỳ mạnh mẽ, ở mọi lĩnh vực của đờisông gần như tự động hóa đã giúp cho chúng ta rất nhiều ngành nghề khác nhau Hiện
nay, PLC là thiết bị tự động hóa được sử dụng phổ biến.
Trong thực tế, van đề điều khiển mức chiếm một tỷ lệ rất lớn trong các lĩnh vực về dau
mỏ, hóa chất, công nghiệp thực phẩm khi thực hiện pha chế theo một tỷ lệ nhất
định nào đó Và van đề điều khiển đối tượng chính xác là rất cần thiết Các thiết bị
càng ngày càng hiện đại và kích thước cũng nhỏ hơn nên các thao tác trong quá trình
sản xuất đòi hỏi độ chính xác cao Một sai sót nhỏ có thể ảnh hưởng xấu đến toàn bộ
sản phẩm Do đó, ngày càng nhiều phương pháp điều khiển chính xác được nghiêncứu phát triển, như điều khiển mờ và thích nghi, điều khiển PID Trong việc điềukhiển mức chat lỏng thì thuật toán điều khién PID là phù hợp
Hệ thống điều khiển dùng giải thuật PID ứng dụng một trong những thuật toán điềukhiển quá trình như : Điều khiển mức, điều khiển lưu lượng, điều khiển vận tốc, điềukhiến vị trí Việc ứng dụng giải thuật điều khiển chính xác này vào thực tế nhằm làm
giảm sai số trong kết quả điều khiển Với việc chiếm tỷ lệ cao so với các giải thuật
điều khiển khác (> 80%), giải thuật điều khiển PID chiếm một vi trí vô cùng quan
trọng trong các giải thuật điều khiển dùng trong công nghiệp bởi yêu cầu chính xác(accurate), đáp ứng nhanh (fast response), ôn định (small overshot)
Hiện nay, PLC S7-1200 có thêm chức năng truyền thông và giám sát qua mạng nên
việc việc kết nối mở rộng chức năng giám sát từ xa dễ dang hơn va dan thay thế cho
PLC S7-200, 57-300.
Với những tinh năng vượt trội so với PLC S7-200 và S7-300 nên đề tài em chon là
1X
Trang 12“NGHIÊN CUU UNG DUNG PLC S7-1200 DIEU KHIỂN MUC CHAT LONG
TRONG DAY CHUYEN SAN XUAT HOA CHAT CONG NGHIEP ”
2 Mục đích của Dé tài:
- Tìm hiểu và ứng dụng phương pháp điều khiển PID trong PLC $7-1200 điều khiển
và giám sát mức chất lỏng trong dây chuyền sản xuất hóa chất công nghiệp
- Củng cố và vận dụng kiến thức đã học dé áp dụng vào mô hình thực tế
3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Phần mềm lập trình TIA PORTAL cho PLC S7-1200 và mô hình điều khiển giám sát
mức chất lỏng
- Hiệu quả của việc sử dụng phương pháp điều khiển PID trong phần mềm TIA
PORTAL cho PLC S7-1200 điều khiến mức chat lỏng
4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:
- Nghiên cứu mô hình điều khiển giám sát mức chat lỏng bằng máy tinh va PLC
S7-1200.
- Nghiên cứu việc sử dụng WinCC trong điều khién giám sát
- Nghiên cứu việc điều khiển mức chất lỏng sử dụng bộ điều khiển kinh điển PID
- Giảm sát được trên giao diện Win CC.
Trang 13CHƯƠNG 1 TONG QUAN VE DAY CHUYEN CUNG CAP VÀ SAN XUAT HOA CHAT TRONG CONG NGHIEP
1.1 Giới thiệu về dây chuyền san xuất va cung cấp hoá chat công nghiệp :
Đặc điểm của ngành công nghiệp hóa chất là đa đạng về sản phẩm phục vụ cho tất cảcác ngành kinh tế kỹ thuật Từ đó ngành công nghiệp này có thê khai thác mọi thếmạnh tài nguyên của đất nước từ khoáng san, dầu khí tới sản phẩm, phụ phẩm và thậmchí cả phế thải của công nghiệp, nông nghiệp Công nghiệp hoá chất đóng vai trò cực
kỳ quan trọng trong nền kinh tế của một nước Đó là một ngành kinh tế — kỹ thuật chủ
lực của đất nước Việt Nam thực hiện công cuộc đôi mới, những cải cách kinh tế đã
thúc đây sự tăng trưởng kinh tế, phát triển công nghiệp - nông nghiệp Nhu cầu vềnguyên liệu hóa chất cũng ngày càng tăng với tốc độ tăng trưởng sản xuất hóa chat
hằng năm là 15% Từ thực tiễn đó, em chọn đề tài “NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNGPLC S7-1200 DIEU KHIEN MỨC CHAT LONG TRONG DAY CHUYEN SANXUẤT HOA CHAT CÔNG NGHIỆP” làm đề tai nghiên cứu của mình
Trang 141.2 Phương pháp sản xuất hóa chất công nghiệp :
Trong ngành công nghiệp nói chung và ngành đặc thù công nghiệp hoá chất nói riêngthì trộn là một khâu rất quan trọng dé tạo ra sản phẩm Trộn hai hay nhiều chất đề tạo
thành hỗn hợp đòi hỏi một tỉ lệ chuẩn nhất định và nghiêm ngặt trong quá trình vận
hành, không dé có sự sai sót Và nhất là có những quá trình con người không trực tiếptham gia tay chân hay tham gia được để đảm bảo an toàn lao động, quy trình là hoàn
toàn khép kín.
Trang 151.3 Dây chuyền sản xuất hóa chat trong công nghiệp điển hình
Hình 1.4 mô tả dây chuyền sản xuất theo mẻ bao gồm 5 bình chứa và các bơm luân
chuyền dung dịch trong hệ thống Mỗi bình chứa đều có cảm biến phát hiện tình trạngđầy và cạn trong bình chứa Bình chứa 2 có thêm bộ phận gia nhiệt và cảm biến nhiệt.Bình chứa 3 có bộ phận khuấy dé trộn hai chất lỏng được bom từ bình chứa 1 và 2 vớinhau Bình chứa 3 và 4 có dung tích gấp đôi bình chứa 1 và 2
Hoạt động của hệ thống như sau:
- Bình chứa 1 và 2 được cấp đồng thời alkali va polymer bằng các động co bơm Bơm
1 và 2 ngừng hoạt động khi cảm biến đầy phát hiện trạng thái đầy của bình chứa
- Bộ phận gia nhiệt ở bình chứa 2 hoạt động, tăng nhiệt cho polymer tới 60°C, ngừng
gia nhiệt khi cảm biến nhiệt tác động Sau đó bơm 3 và 4 hoạt động bơm chất lỏng
Trang 16sang bình chứa 3 Khi có chất lỏng trong bình chứa 3, bộ phận khuấy hoạt động Động
cơ bơm 3 ngừng hoạt động khi bình chứa 3 đầy hoặc bình chứa 1 cạn
- Tương tự, động cơ bơm 4 ngừng hoạt động khi bình chứa 3 đầy hoặc bình chứa 2
cạn Động cơ khấy ngừng hoạt động sau khi ngừng động cơ 3 và 4 một khoảng là 90
giây.
- Động cơ bơm 5 hoạt động bơm chất lỏng sang bình chứa 4 Động cơ bơm 5 ngừnghoạt động khi bình chứa 4 đầy hoặc bình chứa 3 cạn
- Chat lỏng được đưa vào bình chứa 4 dé cung cấp nguyên liệu cho quá trình làm việc
để đảm bảo bình chứa T-304 luôn có nguyên liệu hoạt động
- Mức chất lỏng luôn cai đặt trước một giá tri nhất định Mức chất lỏng trong bình
chứa 5 vào thời điểm hiện tại sẽ được gửi về PLC S7-1200 bằng tín hiệu analog PLC
sẽ so sánh mức chất long với giá tri đặt trước, và khi có sự sai lệch, PLC sẽ điều khiển
đóng mở Van tuyến tính bằng phương pháp PID để cân bằng sai lệch
- Khi giá trị Setpoint thấp hơn giá trị mức hiện tại, Van xa sẽ được kích hoạt dé xả bớtchat lỏng ra ngoải
- Hệ thống hoạt động tự động lặp lại, bình chứa T304 lúc nào cũng có nguyên liệu dé
hoat dong.
Van XV303 là van điều khiến tuyến tinh — van analog, van được thiết kế dé điều khiểnnhiệt độ, ap suất, lưu lượng trong đường ống Được sử dụng nhiều trong các lò sấy,say cám, say trâu, seo giấy, sấy dừa Van điều khiển tuyến tính hoạt động ổn định,
chính xác và độ bên cao.
Trang 17Hình 1.4: Van điều khiến tuyến tinh bằng điện Ginice Korea.
Bộ điều khiển van tuyến tinh là loại điều khiển bằng motor sẽ kéo cần van lên hoặcxuống, nhận tín hiệu điều khiển từ đồng hồ điều khiển (4-20mA, 0-10Vdc, on/off).Tùy vào kích thước van và áp suất hoạt động sẽ chọn bộ điều khiển có lực kéo thích
hợp.
Bộ điều khiến tích hợp các công tắc chọn chế độ thường đóng và thường mở, chế độdừng tại chỗ khi mat tín hiệu điều khiển hoặc tự động đóng van
Tích hợp cần quay tay khi van có sự có, có thể điều chỉnh đóng mở mà không cần tin
hiệu điện Bộ kéo van với lực kéo 2000N và 3500N.
Thông số kỹ thuật bộ điều khiến van tuyến tinh, Actuator
Model: GEA-20P, GEA-35P, GEA-20A, GEA-35A, GEA-15P, GEA-15A.
e Lực kéo: 2000N (GEA-20P), 3500N (GEA-35P).
e_ Điều khiển: Tuyến tính hoặc ON-OFF (GEA-20A, GEA-35A).
e© Nguồn cấp: 110~220VAC hoặc 24VAC
e Tín hiệu điều khiển: 4-20mA hoặc 0-10VDC
e Tín hiệu output: 4-20mA, làm tín hiệu hiển thị hành trình hoặc đưa về PLC xử lý
e Thời gian hành trình: 50 giây (GEA-20P), 100 giây (GEA-35P).
e Nhiệt độ hoạt động: -15~60 độ C.
Trang 1820mA hoặc 0-10Vdc hoặc 20-4mA, 10-0Vdc, và cũng có thể tùy chọn phạm vi sử
dụng bắt kỳ miễn là trong giới hạn hoạt động của cảm biến
Cảm biến siêu âm UA30CAD60PGTI
Hình 1.5: Cảm Biên siêu âm
Dùng để đo mức nước, đo mức chất lỏng, báo mức chất rắn, kiếm soát level,
đo khoảng cách, thể tích, khối lượng là những nhu cầu vô hạn và ngày càng tăng củangành công nghiệp, thậm chí là các nhu cầu dân dụng, cuộc sống hằng ngày, hệ thống
thủy lợi, thủy điện
Cảm biên siêu âm có thê đáp ứng được các nhu câu nêu trên, với nguyên tắc hoạt động
là phát ra sóng siêu âm tác động lên vật cản và nhận tín hiệu hôi tiêp vê đê biệt được
khoảng cách so với vật (chính xác là mặt phẳng)
Với nguyên tắc phát hiện bề mặt không cần tiếp xúc nên cảm biến không quan tâm đếndang chất lỏng nào hay chất rắn nào Khi khoảng cách so với mặt phang thay đối thitín hiệu ngõ ra cũng thay đổi theo từ 4-20mA hoặc 0-10VDC, lúc này ta sử dụng tín
Trang 19hiệu ngõ ra của cảm biến để quy về thể tích, khối lượng, khoảng cách thông quaPLC hay một đồng hồ hiển thị (có thé tham khảo thêm đồng hồ hiển thị tại đây của
Shihlin Taiwan).
Thông số kỹ thuật Cảm biến siêu âm UA30CAD60PGTI
e Nguồn cap cho cảm biến : 15-30VDC
e Output: 4-20mm hoặc 0-10VDC, tích hợp thêm ngõ ra NPN/PNP.
e IP: 67.
e Cap kết nối với cảm biến mặc định: dai 2m PVC
e Thời gian đáp ứng: Nhỏ hơn 500ms
Nút cài đặt được tích hợp trên thân cảm biến, với những thao tác đơn giản là có thể
chọn được phạm vi hoạt động thích hợp cho ứng dụng của minh.
Đầu tiên là cấp nguồn từ 10-30VDC cho cảm biến (dây xanh âm, dây nâu dương, dâyđen 4-20mA hoặc 0-10V, dây trắng output PNP hoặc NPN)
Chọn phạm vi hoạt động cho cảm biến, ví dụ 400mm đến 800mm
Đặt cảm biến vuông góc với mặt phảng thật lớn có bán kính 500mm trở lên và không
có bat kỳ vật cản trên đường đi của sóng với ngưỡng xa trước 800mm (rat quan trọng)
Nhấn nút một cái rồi thả ra, lúc này hai đèn trên cảm biến sẽ chớp liên tục (ngưỡng xa
đã OK), kéo cảm biến lại gần với khoảng cáchlà 400mm (nhanh nhất là quay cảm biếnxuống đất phăng với khoảng cách là 400mm, kéo tới, kéo lui mất công) nhắn nút một
cái rồi thả ra, hai đèn đang chớp sẽ tắt và chớp 5 lần nữa rồi tắt lại vậy là OK cho
ngưỡng gần.
Trang 20CHƯƠNG 2 GIỚI THIEU PLC S7 - 1200
2.1 Giới thiệu tong quan về PLC :
2.1.1 Khái niệm về PLC:
PLC viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiét bi diéu khién lập trình được(khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua mộtngôn ngữ lập trình Người sử dụng có thể lập trình dé thực hiện một loạt trình tự các sự
kiện Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích( ngõ vào) tác động vào
PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định thời hay các sự kiện được đếm
PLC dùng dé thay thé các mach ro le trong thực tế PLC hoạt động theo phương thứcquét các trạng thái trên đầu ra và đầu vào Khi có sự thay đổi ở đầu vào thì đầu ra cũngthay đổi theo
Ngôn ngữ lập trình của PLC có thể là Ladder hay State Logic Hiện nay có rất nhiềuhãng sản xuất ra PLC như Siemens, Allen-Bradley, Mitsubishi Electric, General
Electric, Omron
Một khi sự kiện được kích hoạt thực sự, nó bat ON hay OFF thiết bi điều khiển bên
ngoài được gọi là thiết bi vật lý Một bộ điều khiến lập trình sẽ liên tục lặp trongchương trình do người sử dụng lập ra chờ tín hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ ratại các thời điểm đã lập trình
Đề khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây kết nối (bộ điều khiểnbang Relay) người ta đã chế tạo ra bộ PLC nhằm thỏa mãn các yêu cau sau:
- Lập trình dé dàng, ngôn ngữ lập trình dé học.
- Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa chữa.
- Dung lượng bộ nhớ lớn dé có thể chứa được những chương trình phức tạp
- Hoàn toan tin cậy trong môi trường công nghiệp.
- GIao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng, các Modul
mở rộng.
Trang 21- Giá cả có thé cạnh tranh được.
Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay thế cho các phần cứng Relay dây nối và các Logic
thời gian Tuy nhiên, bên cạnh đó việc đòi hỏi tăng cường dung lượng nhớ và tính dễ
dàng cho PLC mà vẫn đảm bảo tốc độ xử lý cũng như giá cả Chính điều này đã gây
ra sự quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC trong công nghiệp Các tập lệnh nhanh
chóng đi từ các lệnh logic đơn giản đến các lệnh đếm, định thời, thanh ghi dịch sau
đó là các chức năng làm toán trên máy lớn Sự phát triển các máy tính dẫn đến các bộ
PLC có dung lượng lớn, số lượng I/O nhiều hơn
Trong PLC, phan cứng CPU và chương trình là đơn vị cơ bản cho quá trình điều khiển
hoặc xử lý hệ thống Chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện sẽ được xác định bởi
một chương trình Chương trình này được nạp sẵn vào bộ nhớ của PLC, PLC sẽ thực
hiện việc điều khiển dựa vào chương trình này Như vậy nếu muốn thay đổi hay mởrộng chức năng của quy trình công nghệ, ta chi cần thay đổi chương trình bên trongcủa bộ nhớ PLC Việc thay đôi hay mở rộng chức năng sẽ được thực hiện một cách dễdàng mà không cần một sự can thiệp vật lý nào so với sử dụng các bộ dây nối hay rơ
le.
s* Cấu trúc chung của PLC :
Một hệ thống điều khiển lập trình cơ bản phải gồm có hai phần: khối xử lý trung tâm
(CPU: Central Processing Unit) và hệ thống giao tiếp vao/ra(I/O)
Trang 22Về cơ bản hoạt động của một PLC cũng khá đơn giản Đầu tiên, hệ thống các cổng
vào/ra ( Input/Output, còn gọi là các Module xuất/nhập) dùng dé đưa các tín hiệu từcác thiết bị ngoại vi vào CPU ( như các sensor, công tắc, tín hiệu từ động co )
Sau khi nhận được tín hiệu ở ngõ vào thì CPU sẽ xử lý và đưa các tín hiệu điều khiểnqua Module xuất ra các thiết bị được điều khiến Trong suốt quá trình hoạt động, CPU
đọc hoặc quét( scan) dữ liệu hoặc trạng thái của thiết bị ngoại vi thông qua ngõ vào,
sau đó thực hiện các chương trình trong bộ nhớ như sau:
Một bộ đếm chương trình sẽ nhặt lệnh từ bộ nhớ chương trình đưa ra thanh ghi lệnh dé
thi hanh.
Chương trình ở dạng STL (StatemenList — Dang lệnh liệt kê) sẽ được dich ra ngôn ngữ
máy cất trong bộ nhớ chương trình
Sau khi thực hiện xong chương trình, CPU sẽ gửi hoặc cập nhật(Update) tới các thiết
bị, được thực hiện thông qua module xuất
Một chu kỳ gồm đọc tín hiệu ở ngõ vào, thực hiện chương trình và cập nhập tín hiệu ở
ngõ ra được gọi là một chu kỳ quét.
Thực tế khi PLC thực hiện chương trình, PLC khi cập nhập tín hiệu ngõ vào, các tínhiệu hiện nay không được truy xuất tức thời để đưa ra ở ngõ ra mà quá trình cập nhập
tín hiệu ở ngõ ra phải theo hai bước: khi xử lý thực hiện chương trình, vi xử lý sé
chuyên đổi các bước logic tương ứng ở ngõ ra trong chương trình nội( đã được lập
10
Trang 23trình), các bước lập trình này sẽ chuyên đổi ON/OFF Tuy nhiên lúc này các tín hiệu ở
ngõ ra( tức tín hiệu được đưa ra tại module out) vẫn chưa được đưa ra.
Khi xử lý kết thúc chương trình xử lý, việc chuyển đổi các mức logic (của các tiếpđiểm) đã hoàn thành thì việc cập nhật các tín hiệu ở ngõ ra mới thực sự tác động lên
ngõ ra dé điều khiển các thiết bị ở ngõ ra Thường việc thực thi một vòng quét xảy ra
với một thời gian rất ngắn, một vòng quét đơn (single scan) có thời gian thực hiện một
vòng quét từ Ims tới 100ms Việc thực hiện một chu kỳ quét dai hay ngắn còn phụthuộc vào độ dài của chương trình và cả mức độ giao tiếp giữa PLC với các thiết bị
ngoại vi (màn hình hiền thị )
VỊ xử lý có thể đọc được tín hiệu ở ngõ vào chỉ khi nào tín hiệu này tác động với
khoảng thời gian lớn hơn một chu kỳ quét thì vi xử lý coi như không có tín hiệu này.
Tuy nhiên trong thực tế sản xuất, thường các hệ thống chấp hành là các hệ thống cơkhí nếu có tốc độ quét như trên có thé đáp ứng được các chức năng của dây chuyền san
xuât.
Đề khắc phục thời gian quét dài, ảnh hưởng đến chu trình sản xuất các nhà thiết kế cònthiết kế hệ thống PLC cập nhật tức thời, các hệ thống này thường được áp dụng chocác PLC lớn có số lượng I/O nhiều, truy cập và xử lý lượng thông tin lớn.
chúng ta có những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng với 1200 -
S7-1200 bao gồm một bộ vi xử lý (microprocessor), một nguồn cung cấp được kích hoạtsẵn, các đầu vao/ra (DI/DO)
- Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU và chương trình
điêu khiên:
11
Trang 24+ Tắt cả các CPU đều cung cấp bảo vệ bằng password chống truy cập vào PLC.
+ Tính nang “know-how protection” dé bao vệ các block đặc biệt của mình
- §7-1200 cung cấp một công PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet va TCP/IP:
+ Dùng để kết nối máy tính, với màn hình HMI hay truyền thông PLC-PLC
+ Dùng kết nối với các thiết bị khác có hỗ trợ chuẩn ethernet mở
+ Đầu nối RJ45 với tính năng tự động chuyên đổi đấu chéo
+ Tốc độ truyền 10-100 Mbits/s
+ Hỗ trợ 16 kết nối Ethernet
+ TCP/IP, ISO on TCP, và S7 protocol.
- Các tinh năng về đo lường, điều khiến 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
+ 2 ngõ PTO 100kHz dé điều khiến tốc độ và vị trí động cơ bước hay bộ tải servo +
Ngõ ra điều rộng xung PWM, điều khiển tốc độ động cơ, vi tri valve, hay điều khiển
nhiệt độ
+ 16 bộ điều khiển PID với tính năng tự động xác định thông số điều khiển Ngoài ra
bạn có thé dùng các module truyền thông mở rộng kết nối bằng RS485 hoặc RS232
- Phần mềm dùng để lập trình cho S7-1200 là Step7 Basic Step7 Basic hỗ trợ ba ngônngữ lập trình là FBD, LAD va SCL Phần mềm này được tích hợp trong TIA Portal 11
cua Siemens.
- Vậy dé lam một dự án với S7-1200 chi cần cai TIA Portal vi phan mềm nay đã baogồm cả môi trường lập trình cho PLC và thiết kế giao điện HMI
12
Trang 25- 3 bộ điều khiển nhỏ gọn với sự phân loại trong các phiên bản khác nhau giống như
điều khién AC hoặc DC phạm vi rộng
- 2 mạch tương tự và số mở rộng điều khiển modum trực tiếp trên CPU làm giảm chi
phí sản phẩm
- 13 module tín hiệu số và tương tự khác nhau
- 2 module giao tiếp RS232/RS485 dé giao tiếp thông qua kết nối PTP - Bồ sung 4công Ethernet
- Module nguồn PS 1207 ôn định, dòng điện áp 115/230 VAC và điện áp 24VDC
s* Cầu tạo của CPU :
1 Bộ phận kết nối nguồn.
2 Các bộ phận kết nối nói dây của người dùng có thé tháo được(phía sau các nắp che).Khe cắm thẻ nhớ nằm dưới cửa phía trên
3 Các LED trạng thái dành cho I/O tích hợp.
4 Bộ phận kết nói PROFINET(phia trên của CPU)
13
Trang 26Các kiều CPU khác nhau cung cấp một sự đa dang các tính năng và dung lượng giúp
cho người dùng tạo ra các giải pháp có hiệu quả cho nhiều ứng dụng khác nhau
S7-1200 cung cấp một số dung lượng lớn các module tín hiệu và bảng tín hiệu dé mở rộngdung lượng của CPU Người dùng còn có thé lắp đặt thêm các module truyền thông dé
hỗ trợ các giao thức truyền thông khác
s* Cac bang tín hiệu :
Một bảng tín hiệu (SB) cho phép người dùng thêm vào I/O cho CPU Người dùng có
thé thêm một số SB với ca I/O kiểu số hay kiểu tương tự SB kết nối vào phía trước của
CPU.
Hình 2.4: PLC S7 - 1200 nhìn từ phía trước
SB với 4 I/O kiểu số( ngõ vào 2 xDC và ngõ ra 2 x DC)
+ SB với 1 ngõ ra kiểu tương tự 1 Các LED trạng thái trên SB 2 Bộ phận kết nối nốidây người dùng có thé tháo ra
Trang 272.2.1.2 Các module truyền thông :
Họ S7-1200 cung cấp các module truyền thông(CM) dành cho các tính năng bổ sung
vào hệ thống Có 2 module truyền thông RS232 và RS485:
+ CPU hỗ trợ tối đa 3 module truyền thông
+ Mỗi CM kết nối vào phía bên trái của CPU( hay về phía bên trái của một CM khác)
2.3 Phần mềm điều khiến và lập trình :
2.3.1 Giới thiệu:
Phần mềm dùng dé điều khiến và lập trình cho PLC S7-1200 là TIA Portal TIA Portal
( Totally Intergrated Automation Portal ) là phần mềm cơ sở tích hợp tat cả các phan
mềm lập trình cho các hệ thống tự động hóa và truyền động điện Phần mềm tích hợpcác sản phẩm SIMATIC khác nhau trong một phần mềm ứng dụng ví du Simatic Step
7 V13 dé lập trình các bộ điều khiển Simatic Simatic WinCC V13 dé cấu hình cácmàn hình HMI và chạy Scada trên máy tính, giúp tăng năng suất và hiệu quả làm việc
— | Totally Integrated Automation
Open existing project Recently used
Hinh 2.5: Giao dién lam viéc cua TIA Portal
15
Trang 28TIA Portal giúp cho các phần mềm này chia sẻ cùng một cơ sở đữ liệu, tạo nên sựthống nhất trong giao diện và tính toàn vẹn cho ứng dụng Ví dụ, tất cả các thiết bị và
mạng truyền thông bây giờ đã có thê được cấu hình trên cùng một cửa số Hướng ứng
dụng, các khái niệm về thư viện, quản lý dữ liệu, lưu trữ dự án, chuẩn đoán lỗi, cáctính năng online là những đặc điểm rất có ích cho người sử dụng khi sử dụng chung cơ
sở dữ liệu TIA Portal.
TIA Portal cung cấp một hệ thống kĩ thuật mới thông minh và trực quan hơn, với các giao diện trực quan, dễ nhìn, tính năng “ kéo-thả” đơn giản, thuận tiện cho việc lập
trình Hai phần mềm quan trọng trong TIA Portal là Simatic Step 7 va Simatic WinCC
2.3.2 Ứng dung:
PLC S7-1200 là bộ điều khiển dùng trong các nhiệm vụ điều khiển vòng hở và vòng
kín Nó kết hợp mức độ tự động hóa tối đa với giá thành thấp nhất
Với hiệu năng sử dụng cao, phạm vi sử dụng của S7-1200 trải rộng từ việc thay thếcác mạch ro-le và contactor đơn giản đến các mạch điều khiển tự động hóa phức tạptrong mạch hoặc giữa các thiết bị phân tán Các ứng dụng phổ biến của nó ví dụ như
sau: Đóng gói bao bì; trạm trộn xi măng va vữa; quạt thông gió cho các nhà máy, xí
nghiệp; hệ thống bôi tron tập trung; máy gia công gỗ; điều khiến cửa tự động; hệ thốngnăng thủy lực; hệ thống băng tải; công nghiệp thực phẩm; phòng thí nghiệm; Các ứngdụng điều biến; lắp ráp thiết bị điện; giám sát, bảo vệ hệ thống điều khiến; điều khiển
hệ thống ánh sáng; điều khiển hệ thống bơm; hệ thống phòng cháy; hệ thống điềukhiển an ninh/ vào ra; hệ thống điều khiển gia nhiét/lam mát; điều khiển nhiệt độ
phòng.
Ngoài ra, S7-1200 có các ứng dụng mới như :
- Điều khiển từ xa thông qua mạng Profinet, Internet, Modbus, qua hệ thông mạng
không dây.
- PLC kết nối với PLC thông qua Internet và mạng nội bộ Có thê truyền thông thôngqua mạng Ethernet công nghiệp nhưng khoảng cách tối đa là 100m
16
Trang 29- Điều khiển truy cập vào S7-1200 từ xa thông qua Internet và web server Có thé truycập vào PLC thông qua trình duyệt Web, tuy nhiên PLC trong trường hợp này cần đặtmột IP tĩnh dé có thé kết nối.
- Đặc biệt S7-1200 cung cấp các giải pháp để điều khiển từ xa qua mạng Ethernet,Profinet, qua hệ thống mạng không dây Ngoài ra còn các ứng dụng như giao tiếp vớiWinCC xuất dữ liệu Excel, truyền thông mang Profibus với PLC, bién tan Siemens,truyền thông Profinet giữa PLC với PLC Khả năng mở rộng S7-1200 hỗ trợ tối da 8module mở rộng tín hiệu vào/ra(SM) và 3 module truyền thông
2.3.3 Kha năng làm việc :
PLC S7-1200 có thé được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực sản xuất, có thể thực hiệnhầu hết các công việc mà các PLC có thể đảm nhiệm với năng suất và hiệu quả cao.Với việc tích hợp PROFINET, hỗ trợ truyền thông tiêu chuẩn truyền thông Ethernet vadựa trên TCP/IP, S7-1200 có khả năng kết nối rất mạnh và linh hoạt với các thiết bịkhác như kết nối với máy tinh cá nhân PC, kết nối với HMI, kết nối với PLC khác, khảnăng điều khiển PLC từ xa thông qua mạng truyền thông, mạng không dây được tăng
Cường.
Thông qua mạng Internet hoặc mạng cục bộ, ta có thể điều khiến và giám sát S7-1200
từ khoảng cách xa, thậm chí với Webserver, ta có thé kết nối với S7-1200 thông quacác trang web, các thiết bị đi động, hết sức thuận lợi cho việc điều khiến, giám sát, vậnhành hệ thống từ xa
S7-1200 có thé làm việc ở những môi trường làm việc nguy hiểm độc hại cho conngười, những môi trường khắc nghiệt như nhà máy luyện thép
17
Trang 30CHƯƠNG 3 XÂY DUNG BO DIEU KHIEN
3.1 Xây dung mô hình toán hoc bộ điều khiển mức chat long
3.1.1 Định nghĩa về các bộ điều chỉnh PID
PID là cách viết tắc của các từ Propotional (tỉ lệ), Integral (tích phân), Derivative (đạohàm) và là giải thuật điều khiển được dùng nhiều nhất trong các ứng dụng điều
khiến tự động với yêu cầu chính xác (accurate), nhanh (fast response), ôn định (small
overshot).
Bộ điều khiển PID, là một kỹ thuật điều khiển quá trình tham gia vào các hành động
xử lý về Tích phân Tỷ lệ và Vi phân, theo đó các tín hiệu sai số xảy đến được làm
giảm đến mức tối thiểu bởi ảnh hưởng của tác động ty lệ, ảnh hưởng của tác động tích
phân và được làm rõ bởi một toc độ đạt được với tac động vi phân sô liệu trước đó.
Hoạt động của PID được dựa trên mô hình toán học đối với kết quả phản hồi của một
quá trình vòng lặp được điều khiển Hay nó gọi là một cơ chế phản hồi vòng điềukhiển Có hai dang PID được sử dụng phô biến là
—Setpoint Output —»
18
Trang 31=Setpoint Output —»
« Kp — hằng số điều khiến tỷ lệ
« Ki— hằng số điều khiển tích phân
¢ Kd— hằng số điều khiển vi phân
Một điều rất tự nhiên, với yêu cầu nhanh thì một cách đơn giản để công thức hóa ýtưởng này là dùng quan hệ tuyến tính: F=Kp*e
Trong đó Kp là một hằng số dương nào đó mà chúng ta gọi là hệ số P (Propotionalgain), e là sai số cần điều khiển Mục tiêu điều khiến là đưa e (sai số) tiến về 0 càngnhanh càng tốt Rõ ràng nếu Kp lớn thì tác động nhanh của điều khiển cũng càng lớn
Tuy nhiên, do quán tính mà việc điều khiển càng nhanh càng gây ra tính mất ôn định(do lực quán tính và lực điều khiến tạo ra cặp đối lực xuất hiện ở hai khoảng thời gianliên tiếp nhau => chúng tạo ra dao động không kiểm soát được)
Như vậy, ta sẽ sử dụng đạo ham của sai số e dé làm tăng giá trị nhưng ngược chiều củalực F (vì e đang giảm nhanh dần) Nếu sử dụng đạo hàm làm thành phần “thắng” thì cóthể giảm được overshot của xe Thành phần “thắng” này chính là thành phần D(Derivative) trong bộ điều khién PID ma chúng ta đang khảo sát Thêm thành phần D
này vao bộ điều khiển P hiện tai, chúng ta thu được bộ điều khiển PD như sau:
F=Kp*e + Kd*(de/dt)
Trong đó (de/dt) là vận tốc thay đổi của sai số e và Kd là một hang số không âm gọi là
hệ số D (Derivative gain)
19
Trang 32Sự hiện diện của thành phần D làm giảm overshot vật thể điều khiển khi nó tiến gần về
vị trí cân bang (vi trí ôn định), lực F gồm 2 thành phần Kp*e > =0 (P) và Kd*(de/dt)
<=0 (D).
Trong một số trường hợp thành phần D có giá trị lớn hơn thành phần P và lực F đổichiều, “thang” (hãm tốc) lại, yếu tố cần điều khién (ví dụ vận tốc, vị trí ) của vat thégiảm mạnh ở gần vi trí cân bằng Một van dé nảy sinh là nếu thành phần D quá lớn sovới thành phần P hoặc bản thân thành phần P nhỏ thì khi tiến gần điểm cân bằng (chưa
thật sự đến vi trí này), vật thé có thé dừng han, thành phần D băng 0 (vi sai số e không
thay đôi nữa), lực F = Kp*e
Trong khi Kp và e lúc này đều nhỏ nên lực F cũng nhỏ và có thể không thắng được lực
ma sát tĩnh Sai số e trong tình huống này gọi là steady state error (tạm dịch là sai số
trạng thái tĩnh) Đề tránh steady state error, người ta thêm vào bộ điều khiển một thành
phân có chức năng “cộng đôn” sai sô.
Khi steady state error xảy ra, 2 thành phần P và D mất tác dụng, thành phần điều khiểnmới sẽ “cộng dồn” sai số theo thời gian và làm tăng lực F theo thời gian Đến một lúcnào đó, lực F đủ lớn để thắng ma sát tĩnh và đây vật tiến tiếp về điểm cân băng Thànhphần “cộng dồn” này chính là thành phan I (Integral - tích phân) trong bộ điều khiển
PID.
Vì chúng ta điều biết, tích phân một đại lượng theo thời gian chính là tổng của đạilượng đó theo thời gian Bộ điều khiển đến thời điểm này đã đầy đủ là PID:
F=Kp*e + Kd*(de/dt)+Ki*ledt (3-1)
Như vậy, chức năng của từng thành phần trong bộ điều khiển PID giờ đã rõ Tùy vào
mục đích và đối tượng điều khiển mà bộ điều khiển PID có thể được lượt bớt dé trở
thành bộ điều khiển P, PI hoặc PD Công việc chính của người thiết kế bộ điều khiển
PID là chọn các hệ số Kp, Kd và Ki sao cho bộ điều khiển hoạt động tốt và 6n định
(quá trình này gọi là PID gain tuning) Đây không phải là việc dễ dàng vi nó phụ thuộc
vào nhiêu yêu tô.
20
Trang 33s* Phương pháp chọn các hệ số cho PID như sau:
- Chon Kp trước: thử bộ điều khiến P với đối tượng thật (hoặc mô phỏng), điều chỉnh
Kp sao cho thời gian dap ứng đủ nhanh chấp nhận overshot nhỏ
- Thêm thành phần D để loại overshot, tăng Kd từ từ, thử nghiệm và chọn giá trị thích
hợp Steady state error có thể sẽ xuất hiện
- Thêm thành phan I để giảm steady state error Nên tăng Ki từ bé đến lớn dé giảmsteady state error đồng thời không dé cho overshot xuất hiện trở lại
Phương pháp Ziegler—Nichols
Là một phương pháp điều chỉnh bộ điều khiển PID được phát triển bởi John G Ziegler
và Nathaniel B Nichols Phương pháp này được thực hiện bằng cách thiết lập thông số
độ lợi khâu 7 (tích phân) và khâu D (vi phân) về không (0,zero) Độ lợi khâu P (tỷ lệ,khuếch đại), độ loi Kp được tăng lên từ không (0) cho đến khi nó đạt đến độ lợi Ku tối
đa, mà đầu ra của vòng điều khiển dao động với biên độ không đổi Ku và chu kỳ dao
động Tu được sử dụng dé thiết lập độ lợi P, J, và D tùy thuộc vào loại điều khiển được
-Hình 3.3: Công thức xác định giá tri các hệ số Ki, Kp, Kd
Hiện nay hầu hết các bộ điều chỉnh mới sản xuất có chức năng tự động xác định tham
số PID Chức năng tự động nay làm việc rất tốt với các hệ thống điều chỉnh nhiệt độ và
tốc độ động cơ
Các hệ thống lớn không có chức năng tự động xác định thông số nhưng được trang bị
hệ thong vẽ đồ thi tín hiệu do được của biến qua trình (proces value- PV) va bién dau
ra của bộ điều khiển (manipulated value-MV)
21
Trang 343.2 Mô hình toán học bộ điều khiển mức chat lỏng
3.2.1 Mô hình bộ điều khiển mức chất lỏng
Van tuyến tinh
k-Hình 3.4: Mô hình bộ điều khiển mức chat lỏng
Qi Luu lượng nước chảy vào bình
Qimax Lưu lượng nước chảy vào bình max
Qo Lưu lượng nước chảy ra khỏi bình
H Mức nước trong bình
Ho Mức nước trong bình ban đầu
h mức nước ứng với lượng nước chảy vào bình
Hmax Mức nước cao nhất trong bình
Trang 35Mô hình hàm truyền đạt:
3.2.2 Đối tượng van tuyến tính:
Hàm truyền van tuyến tính có dang bậc nhất: