Luận văn thạc sĩ kỹ thuật: Nghiên cứu ứng dụng PLC S7-1200 điều khiển mức chất lỏng trong dây chuyền sản xuất hóa chất công nghiệp

BỘ 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

BỘ 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

LỜI 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 một nguồn nào và dưới bat kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.

Tác giả luận văn

Trần Ngọc Thưởng

LỜI 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 mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý Thay Cô dé dé tài của em được hoàn thiện hon

Em xin chân thành cảm ơn!

li

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HINH ẢNH -2- 2-52 ££SE+EE‡EEEEEEEEEEEEEEEEEE2E121 21.2111 eU Vv DANH MỤC BANG BIEBU eesssssessessessssssessessecssessessecsessusssessecsessussisssessesssssisssesseesueases vii DANH 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 x CHƯƠNG 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 : 1 1.2 Phương pháp sản xuất hóa chất công nghiệp 1 c.cccccsseesessessesssessessesseesesseeees 2 1.3 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 18 3.2 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 22 3.2.2 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

3.2.5 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, 25 CHUONG 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 30 CHUGNG5 THIẾT KE GIAO DIEN GIAM SAT HMI . -5:-5 45

5.1 Giới thiệu về giao điện giám sát HMI . -¿-©5¿2c+++xevzxesrxesrseee 45 5.2 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 52 6.2 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

Hình 1.1:

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Bình chứa đựng hố chat trong cơng nghiỆp - 2 2 2s s2 s+£z+£+2 e2 1 Hình 1.2: Trung tâm van hành dây chuyền sản xuất hĩa chất - 2: 5 s52 2 Hình 1.3: Sơ đồ dây chuyền sản xuất hĩa chat trong cơng nghiệp - 3 Hình 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 9 Hình 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 18 Hình 3.2: Bộ điều khién PID phụ thuộc -2- 2 2 + 5x£2E£2£++E+££Etzx+zzeerxerxrres 19 Hình 3.3: Bơng thức xác định giá trị các hệ số Ki, Kp, Kd ¿s2 5+: 21 Hình 3.4: Mơ hình bộ điều khiển mức chat 1Ong c.ccsccsssessessssssessesseesessessessessseeseeseees 22 Hình 3.5: Mơ hình hàm truyền đạtt ¿2-52 5S2E£+EE+EE£EEtEEEEEEEEEEEEErErrkrrkerkrres 23 Hình 3.6: Sơ đồ khối mơ hình tốn học bộ điều khiển mức chất lỏng 25 Hình 3.7: Dap ứng ngõ ra ứng với hệ số Ku = 0.043, Ki=Kp=0 - 26 Hình 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 27Hình 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 29 Hình 4.2: Khối PID trong S7-12200 - -:- 2 2 £+E£2E£+E£EE£EESEEEEEEEEEEEEEEEEEEEerkrrrrrkee 30 Hình 4.3: Bang cài đặt thơng số PID -2- 2 2 £+S£+E£EE£EE#EEEEEEEEEEEEEEEEEEEerkrrkrrree 31 Hình 4.4: Bảng nhập thơng số PID - 2-2-2 2 £+E£+E£EE£EE#EEEEEEEEEEEEEEEEEEerkrrkrrree 32 Hình 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 53 Hình 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 54Hình 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 55 Hình 6.8: Bộ PID đang hoạt động khi cĩ hĩa CẮT Set SE ESESEEEEESEEEEkrkrrrrrree 56 Hình 6.9: Bộ PID đang hoạt động khi đủ mức hĩa ChẤT - 5c StctcteESEeEekerkerrrxee 56

Hình 6.10: Mô phỏng ở chế độ tay khi nhân BƠM 5

Mi

DANH MỤC BANG BIEU

Bang 1: Định nghĩa các biến vào ra sử dụng trong bài ¿5-5 s+cscs+ẻ 32 Chương trình điều khiến - 2-2 2 2S £EE£EE£EE+EE2EE£EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEkerkrrkee 45

vil

DANH 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

MO 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 đời sông 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 nghiên cứu phát triển, như điều khiển mờ và thích nghi, điều khiển PID Trong việc điều khiển 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 điều khiển quá trình như : Điều khiển mức, điều khiển lưu lượng, điều khiển vận tốc, điều khiến 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

“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

- 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.

CHƯƠNG 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 cả các ngành kinh tế kỹ thuật Từ đó ngành công nghiệp này có thê khai thác mọi thế mạnh tài nguyên của đất nước từ khoáng san, dầu khí tới sản phẩm, phụ phẩm và thậm chí 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 về nguyên 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 DỤNG PLC S7-1200 DIEU KHIEN MỨC CHAT LONG TRONG DAY CHUYEN SAN XUẤT HOA CHAT CÔNG NGHIỆP” làm đề tai nghiên cứu của mình.

1.2 Phương pháp sản xuất hóa chất công nghiệp :

Trong ngành công nghiệp nói chung và ngành đặc thù công nghiệp hoá chất nói riêng thì 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 tiếp tham gia tay chân hay tham gia được để đảm bảo an toàn lao động, quy trình là hoàn

toàn khép kín.

1.3 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 trạng đầy 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 với nhau 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

sang 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

- Động cơ bơm 5 hoạt động bơm chất lỏng sang bình chứa 4 Động cơ bơm 5 ngừng hoạt 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 bớt chat 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 khiển nhiệt 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.

Hình 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 hoặc xuống, 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

Bộ điều khiến tích hợp các công tắc chọn chế độ thường đóng và thường mở, chế độ dừng 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.

e Độ am: 5~95%.

e IP: 54.

e Hành trình: 20mm hoặc 40mm.

Thiét bị do mức : là cam biến siêu âm có phạm vi hoạt động từ 350mm đến 6000mm, phạm vi hoạt động có thể thay đổi dễ dàng thông qua chức năng Teach-in trên nút nhắn (phạm vi từ 400mm đến 500mm, 1000mm đến 3000mm tương ứng với ngõ ra

4-20mA 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 của ngành 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 đến dang chất lỏng nào hay chất rắn nào Khi khoảng cách so với mặt phang thay đối thi tín hiệu ngõ ra cũng thay đổi theo từ 4-20mA hoặc 0-10VDC, lúc này ta sử dụng tín

hiệu ngõ ra của cảm biến để quy về thể tích, khối lượng, khoảng cách thông qua PLC 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, dây đen 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 biến xuống 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.

CHƯƠNG 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 một ngôn 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 thức quét các trạng thái trên đầu ra và đầu vào Khi có sự thay đổi ở đầu vào thì đầu ra cũng thay đổi theo.

Ngôn ngữ lập trình của PLC có thể là Ladder hay State Logic Hiện nay có rất nhiều hãng 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 trong chương trình do người sử dụng lập ra chờ tín hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ ra tại các thời điểm đã lập trình.

Đề khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây kết nối (bộ điều khiển bang 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.

- 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 mở rộng chức năng của quy trình công nghệ, ta chi cần thay đổi chương trình bên trong của bộ nhớ PLC Việc thay đôi hay mở rộng chức năng sẽ được thực hiện một cách dễ dàng mà không cần một sự can thiệp vật lý nào so với sử dụng các bộ dây nối hay rơ

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).

—OO—TT Central

"| | Processing

Hình 2.1: Sơ đồ khối của hệ thống điều khién lập trình

Khối điều khiển trung tâm (CPU) gồm ba phần: bộ xử lý, hệ thống bộ nhớ và hệ thống

nguôn cung cap.

Về 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 từ các 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 khiển qua 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 tín hiệu 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

trình), 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 tiếp điểm) 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 phụ thuộc 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 cơ khí nếu có tốc độ quét như trên có thé đáp ứng được các chức năng của dây chuyền san

Đề khắc phục thời gian quét dài, ảnh hưởng đến chu trình sản xuất các nhà thiết kế còn thiết kế hệ thống PLC cập nhật tức thời, các hệ thống này thường được áp dụng cho

các PLC lớn có số lượng I/O nhiều, truy cập và xử lý lượng thông tin lớn.

2.2 Giới thiệu PLC S7-1200 :

s* Tổng quan về S7-1200 :

Năm 2009, siemens đã ra dòng sản phẩm S7-1200 dùng đề thay thé dần cho S7-200 và S7-300 ; So với s7-200 và S7-300 thì S7-1200 có những tính năng nỗi trội:

- §7-1200 là một dòng của bộ điều khiến logic lập trình (PLC) có thé kiểm soát nhiều ứng dụng tự động hóa Thiết kế nhỏ gon, chi phí thap, và một tập lệnh mạnh làm cho

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 hoạt sẵn, 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

+ 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 ngôn ngữ 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 bao gồm cả môi trường lập trình cho PLC và thiết kế giao điện HMI.

12

- 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 4 công 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

Các 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 rộng dung 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

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 nối dây người dùng có thé tháo ra.

s* Các module tín hiệu :

Người dùng có thé sử dụng các module tín hiệu dé thêm vào CPU các chức năng Cac module tín hiệu kết nối vào phía bên phải của CPU

1 Các LED trạng thái dành cho I/O của module tín hiệu

2 Bộ phận kết nối đường dẫn

3 Bộ phận kết nối dây của người dùng có thé tháo ra

14

2.2.1.2 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 hợp các 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 các màn hình HMI và chạy Scada trên máy tính, giúp tăng năng suất và hiệu quả làm việc.

— |Totally Integrated Automation

Open existing projectRecently used

Hinh 2.5: Giao dién lam viéc cua TIA Portal

15

TIA Portal giúp cho các phần mềm này chia sẻ cùng một cơ sở đữ liệu, tạo nên sự thống 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, các tính 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 cácgiao 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 thế các mạch ro-le và contactor đơn giản đến các mạch điều khiển tự động hóa phức tạp trong 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 thống năng thủy lực; hệ thống băng tải; công nghiệp thực phẩm; phòng thí nghiệm; Các ứng dụng 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 điều khiển an ninh/ vào ra; hệ thống điều khiển gia nhiét/lam mát; điều khiển nhiệt độ

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 thông qua mạng Ethernet công nghiệp nhưng khoảng cách tối đa là 100m.

16

- Điều khiển truy cập vào S7-1200 từ xa thông qua Internet và web server Có thé truy cập vào PLC thông qua trình duyệt Web, tuy nhiên PLC trong trường hợp này cần đặt một 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 với WinCC 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 8 module 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 hiện hầu 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 va dựa trên TCP/IP, S7-1200 có khả năng kết nối rất mạnh và linh hoạt với các thiết bị khác như kết nối với máy tinh cá nhân PC, kết nối với HMI, kết nối với PLC khác, khả năng điều khiển PLC từ xa thông qua mạng truyền thông, mạng không dây được tăng

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 qua các trang web, các thiết bị đi động, hết sức thuận lợi cho việc điều khiến, giám sát, vận hành hệ thống từ xa.

S7-1200 có thé làm việc ở những môi trường làm việc nguy hiểm độc hại cho con người, những môi trường khắc nghiệt như nhà máy luyện thép

17

CHƯƠNG 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 (đạo hàm) 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

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 điều khiển Có hai dang PID được sử dụng phô biến là

—Setpoint Output —»

18

=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 ý tưởng 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 (Propotional gain), e là sai số cần điều khiển Mục tiêu điều khiến là đưa e (sai số) tiến về 0 càng nhanh 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 gian liên 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 của lực F (vì e đang giảm nhanh dần) Nếu sử dụng đạo hàm làm thành phần “thắng” thì có thể 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

Sự 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 đổi chiều, “thang” (hãm tốc) lại, yếu tố cần điều khién (ví dụ vận tốc, vị trí ) của vat thé giảm mạnh ở gần vi trí cân bằng Một van dé nảy sinh là nếu thành phần D quá lớn so với 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 khiển mới sẽ “cộng dồn” sai số theo thời gian và làm tăng lực F theo thời gian Đến một lúc nào đó, lực F đủ lớn để thắng ma sát tĩnh và đây vật tiến tiếp về điểm cân băng Thành phần “cộng dồn” này chính là thành phan I (Integral - tích phân) trong bộ điều khiển

Vì chúng ta điều biết, tích phân một đại lượng theo thời gian chính là tổng của đại lượng 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

s* 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 giảm steady 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

3.2 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 bìnhH 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

Mô hình hàm truyền đạt:

3.2.2 Đối tượng van tuyến tính:

Hàm truyền van tuyến tính có dang bậc nhất: