mô hình ổn định áp suất dùng plc siemens s7 200 và hệ thống giám sát bằng wincc kết hợp webserver

hghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhoh

Trang 1

III

Lời mở đầu

Toàn cầu hóa đang diễn ra mạnh mẽ và là một xu thế tất yếu đối với sự phát triển của thế giới ngày nay Vai trò của nó đang ngày càng được khẳng định trong việc thúc đẩy sự giao lưu kinh tế, văn hóa xã hội… và đặc biệt là trong lĩnh vực khoa học và công nghệ Trong tiến trình phát triển kinh tế thế giới, khoa học và công nghệ luôn đóng một vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng suất lao động và hiệu quả sản xuất; hiển nhiên trong bối cảnh toàn cầu hóa lĩnh vực này cũng chịu những ảnh hưởng không nhỏ, nhất là ở các nước đang phát triển như Việt Nam Trong sự phát triển của khoa học công nghệ ngành tự động hóa là một trong những ngành nghề đang được ưu tiên phát triển hàng đầu tại Việt Nam và đã đạt được nhiều thành tựu ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau Bao gồm cơ khí, thủy lực, y tế, công nghiệp, điện, điện tử Chẳng hạn như điều khiển tự động các hệ thống bơm tự động, thống xy lanh thủy lực, các dây chuyền sản xuất, gia công, lắp ráp Chính vì thế nên không khó để tìm thấy các thiết bị tự động hóa như PLC, biến tần… được ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất và nhiều hệ thống tự động khác Bên cạnh đó, việc giá thành của các thiết bị như PLC, biến tần,…đang ngày càng trở nên dễ tiếp cận hơn, việc áp dụng chúng vào thực tế cuộc sống là điều hoàn toàn có thể

Từ những thực tế đó, với mong muốn được nghiên cứu và tìm hiểu mô hình tự động hóa đặc biệt là PLC đã thôi thúc chúng em lên dự định để thực hiện một đề tài liên quan đến PLC Với những kiến thức được học khi còn ngồi tại ghế nhà trường và những hiểu biết nhất định cộng với sự đam mê nghiên cứu các thiết bị mới chúng em đã quyết định chọn đề tài “MÔ HÌNH ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT DÙNG PLC SIEMENS S7-1200 VÀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT BẰNG WINCC KẾT HỢP WEBSERVER” làm chuyên đề khóa luận tốt nghiệp của chúng em Trong quá trình thực hiện khóa luận không tránh khỏi những thiếu sót kính mong quý thầy cô góp ý để chúng em được hoàn thiện hơn hghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuy

752413069:29:48 PM9:29:48 PM752413069:29:48 PM9:29:48 PM752413069:29:48 PM9:29:48 PM

hghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuy

hghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuy

75Thursday, June 13, 20249:29:48 PM9:29:48 PM75Thursday, June 13, 20249:29:48 PM9:29:48 PM75Thursday, June 13, 20249:29:48 PM9:29:48 PM

hghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuy

75hghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyThursday, June 13, 2024

Trang 2

1.3 Mục tiêu của đề tài 2

1.4 Mô tả hoạt động của hệ thống 2

1.5 Giới hạn đề tài thực hiện 3

1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 4

1.7 Nội dung đề tài 4

CHƯƠNG 2 5

TRẠM BƠM CẤP NƯỚC 5

2.1 Giới thiệu 5

2.2 Thực trạng và nhu cầu 5

2.3 Vấn đề điều khiển lưu lượng 6

2.4 Điều khiển áp suất đường ống thông qua biến tần 7

Trang 3

V

3.3 Cấu trúc phần cứng 11

3.3.1 Bộ điều khiển lập trình (PLC) 11

3.3.2 Các thành phần CPU 12

3.3.3 Kết nối và điều khiển 13

3.3.4 Truyền thông của PLC 16

CHƯƠNG 4 17

CÁCH SỬ DỤNG PHẦN MỀM LẬP TRÌNH 17

4.1 Giới thiệu về các công cụ phần mềm lập trình 17

4.2 Cách tạo một dự án đơn giản 17

4.3 Cách download/ upload chương trình giữa PLC và thiết bị lập trình 21

4.3.1 Cách download chương trình từ máy tính xuống PLC 21

4.3.2 Cách upload chương trình từ PLC xuống máy tính 21

5.1 Hệ thống điều khiển giám sát bằng WinCC 32

5.1.1 Giới thiệu 32

5.1.2 Phương pháp kết nối và cách thức hoạt động, điều khiển và giám sát 33

5.1.3 Ứng dụng và ưu điểm của hệ thống WinCC 35

5.2 Webserver User-defined web pages 36

5.2.1 Giới thiệu về User-defined web pages 36

5.2.2 Cách kết nối và đăng nhập 36hghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuy752413069:29:48 PM9:29:48 PM752413069:29:48 PM9:29:48 PM752413069:29:48 PM9:29:48 PM

Trang 4

7.1.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của mô hình 44

7.1.2 Lưu đồ điều khiển 46

7.2 Tính toán lựa chọn thiết bị 48

7.2.1 Tính toán chọn bơm 48

7.2.2 Tính toán chọn CB 51

7.3 Thi công mô hình 51

7.3.1 Tính toán khối lượng thiết bị 51

7.3.2 Thi công mô hình 53

7.3.3 Lập trình điều khiển 56

7.3.4 Giám sát hệ thống bằng WinCC Runtime 58

7.3.5 Điều khiển giám sát hệ thống bằng Webserver 59

Trang 5

VII

Phụ lục 66 Tài liệu tham khảo 67 Lời cảm ơn 68

123docz.net - File bi loi xin lienhe: lethikim34079@hotmail.com

hghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuy752413069:29:48 PM9:29:48 PM752413069:29:48 PM9:29:48 PM752413069:29:48 PM9:29:48 PM

Trang 6

Hình 3 4 Phương thức cấp nguồn cho PLC 13

Hình 3 5 Kết nối ngõ vào cho PLC 14

Hình 3 6 Các ngõ ra trên chân PLC 15

Hình 5 1 Giám sát bằng Wincc Runtime 32

Hình 5 2 Kết nối giữa PLC và HIM 33

Hình 5 3 Truyền thông giữa PLC với các thiết bị ngoại vi 34

Hình 5 4 Tạo kết nối giữa PLC và HMI 35

Hình 5 5 Thiết kế màng hình hiển thị Screen với công cụ Toolbox 36

Hình 5 6 Kết nối các trạm PLC với điện thoại thông qua cổng Ethernet 37

Hình 5 7 Giao diện đăng nhập ban đầu 38

Hình 5 8 Giao diện User-defined pages sau khi đăng nhập 38

Hình 5 9 Lập trình HTML 39

Hình 6 1 Biến tần Emerson M200 40

Hình 6 2 Mã ghi trên biến tần 40

Hình 6 3 Sơ đồ đấu nối biến tần 41

Hình 7 1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của mô hình 44

Hình 7 2 Lưu đồ điều khiển 47

Hình 7 3 Bơm hãng Ebara 48

Hình 7 4 Hình tra đồ thị chọn bơm hãng Ebara 49

Hình 7 5 Trạm bơm PCCC 50

Hình 7 6 Mô hình bơm nước khi hoàn thiện hệ ống 53

Hình 7 7 Đấu nối các thiết bị trong tủ 54

Hình 7 8 Sơ đồ đấu dây các thiết bị trong tủ 54

Hình 7 9 Mô hình sau khi gắn tất cả thiết bị lên 55

Hình 7 10 Điều khiển giám sát hệ thống bằng Wincc Runtime 59

Hình 7 11 Điều khiển giám sát hệ thống bằng Webserver 59123docz.net - File bi loi xin lienhe: lethikim34079@hotmail.com

Trang 7

Bảng 4 6 Bảng ý nghĩa các thông số PID 25

Bảng 4 7 Đáp ứng điều chỉnh khi tăng các thông số PID 29

Bảng 4 8 Bộ thông số PID theo phương pháp Zieger- Nichols thứ nhất 30

Bảng 4 9 Bộ thông số PID theo phương pháp Zieger- Nichols thứ hai 30

Bảng 6 1 Mô tả các thông số cơ bản 43

Bảng 7 1 Bảng thiết bị sử dụng cho mô hình 51hghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuy752413069:29:48 PM9:29:48 PM752413069:29:48 PM9:29:48 PM752413069:29:48 PM9:29:48 PM

Trang 8

PLC ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực tự động hóa, góp phần quan trọng vào sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước Hiện nay, ở Việt Nam tồn tại sự có mặt của hầu hết các hãng cung cấp PLC lớn như: Siemens, Rockwell Automation, Omron, Panasonic, Mitsubisi…

Biến tần (Inverter, Variable Speed Drive – VSD) là thiết bị dùng để điều khiển tốc độ động cơ dựa trên sự thay đổi tần số làm việc Trên thế giới hiện nay, biến tần được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp Ngoài ý nghĩa về mặt điều khiển, nó còn có nhiều chức năng khác như khởi động mềm, hãm, đảo chiều, điều khiển thông minh… Trong đa số trường hợp, việc sử dụng biến tần còn mang lại hiệu quả kinh tế (tiết kiệm điện năng tiêu thụ) Biến tần được ứng dụng nhiều cho các động cơ có yêu cầu về thay đổi tốc độ như: bơm, quạt, băng tải, thang máy…Hiện nay có rất nhiều hãng sản xuất biến tần với nhiều loại khác nhau (1pha, 3 pha) có nhiều dải công suất khác nhau

Ngày nay, công nghệ biến tần đã cho chúng ta rất nhiều lựa chọn về giải pháp tiết kiệm bởi nhữngyếu tố như sau:

 Khả năng thay đổi tốc độ: Tiết kiệm rất lớn lượng điện năng tiêu thụ so với khi chưa gắn.Hệ số công suất ngõ ra rất lớn: 0.98 so với hệ số công suất thực tế tại các nhà máy hiện nay chỉ đạt khoảng 0.75-0.85

 Hệ thống khởi động êm hơn, dòng khởi động nhỏ, moment khởi động lớn, bảo vệ sụt áp, quá áp, quá dòng, quá tải, tăng moment, vượt tốc và đặc biệt là kéo dài tuổi thọ động cơ và hệ thống

Trang 9

2

Internet là một hệ thống thông tin toàn cầu có thể được truy nhập công cộng gồm các mạng máy tính được liên kết với nhau Hệ thống này truyền thông tin theo kiểu nối chuyển gói dữ liệu (packet switching) dựa trên một giao thức liên mạng đã được chuẩn hóa (giao thức IP) Hệ thống này bao gồm hàng ngàn mạng máy tính nhỏ hơn của các doanh nghiệp, của các viện nghiên cứu và các trường đại học, của người dùng cá nhân và các chính phủ trên toàn cầu Sự phát triển nhanh của internet và đặt biệt là điện thoại thông minh đã cho ta thêm giải pháp điều khiển và giám sát thông minh từ xa

Wi-Fi viết tắt từ Wireless Fidelity hay mạng 802.11 là hệ thống mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến, giống như điện thoại di động, truyền hình và radio

1.2 Lí do chọn đề tài

Các trạm bơm cung cấp nước với công suất lớn thường được sử dụng trong khu công nghiệp, khu dân cư, các chung cư, khách sạn và tòa nhà cao tầng, hệ thống phân phối nước sạch trong mạng lưới cấp nước sinh hoạt, các trạm cấp nước nông thôn… Các trạm bơm nước phổ biến hiện nay đều được thiết kế theo phương pháp truyền thống với đặc điểm là các bơm được khởi động trực tiếp Y/∆ và tất cả các động cơ đều hoạt động ở tốc độ định mức Phương pháp này có nhược điểm chính là tổn hao điện năng lớn và khó kiểm soát được áp suất trong đường ống nước

Trên cơ sở những kiến thức được trang bị trên ghế nhà trường, dựa vào những tính năng ưu việt của PLC và biến tần em sẽ tìm hiểu và ứng dụng PLC S7-1200, Win CC, hệ thống điều khiển không dây và biến tần trong điều khiển và giám sát tốc độ động cơ tiết kiệm năng lượng cho các máy bơm nước và ổn định áp suất trong đường ống cấp nước

1.3 Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu của đề tài là ổn định áp suất trong đường ống ở một ngưỡng đặt trước thông qua sự điều khiển của PLC đối với biến tần, hệ thống bơm dựa trên tín hiệu mà cảm biến áp suất trong đường ống đưa về

Sử dụng ứng dụng WinCC của siemens hỗ trợ để điều khiển giám sát quá trình hoạt động của hệ thống bằng máy tính

Ứng dụng mạng không dây Wifi và internet để điều khiển và giám sát hệ thống bằng điện thoại

1.4 Mô tả hoạt động của hệ thống

Trang 10

3

Trong hệ thống có tất cả là 2 máy bơm: một máy bơm 1 pha và một máy bơm 3 pha Biến tần sẽ điều khiển trực tiếp máy bơm 3 pha, một máy bơm 1 pha sẽ được điều khiển trực tiếp bằng điện lưới 220V để duy trì áp suất trong đường ống

Khi khởi động hệ thống lên thì máy bơm 3 pha được điều khiển bằng biến tần sẽ được khởi động chạy cho tới khi đạt được áp suất đặt, khi áp suất trong đường ống đã bằng áp suất đặt thì biến tần sẽ giữ ổn định tốc độ của máy bơm này Trường hợp tải thay đổi tức là áp suất thay đổi, tùy theo tải tăng hay giảm thì biến tần sẽ điều khiển máy bơm chạy nhanh hay chạy chậm

Khi tải tăng tức là áp suất sẽ giảm, lúc này muốn ổn định áp suất thì biến tần sẽ điều khiển máy bơm chạy nhanh hơn (tức là tăng tần số của máy bơm 3 pha) cho tới khi đạt được áp suất đặt

Ngược lại, khi tải giảm thì biến tần sẽ giảm tần số của máy bơm xuống cho tới khi đạt được áp suất đặt

Hệ thống cứ hoạt động liên tục như vậy, áp suất trong đường ống luôn luôn ổn định tránh tình trạng áp suất tăng quá cao sẽ gây vỡ đường ống cấp nước

Trường hợp bị hết nước đột ngột thì bộ điều khiển có nhiệm vụ ngắt các máy bơm bảo vệ hệ thống không bị hỏng

1.5 Giới hạn đề tài thực hiện

Do kiến thức có hạn, kinh nghiệm thực tế cũng như chi phí còn hạn chế nên đề tài chỉ được thực hiện dưới dạng một mô hình thí nghiệm với 2 bơm có công suất nhỏ, áp suất đặt trong đường ống không lớn (0 – 1 par) Một số công việc thực hiện trong đồ án:

 Tìm hiểu mô hình bơm cấp nước hoạt động trong thực tế

 Tìm hiểu và nghiên cứu PLC S7 –1200 cùng một số module xử lý tín hiệu analog  Lựa chọn máy bơm và biến tần có công suất hợp lý

 Tìm hiểu về biến tần sử dụng

 Nắm rõ trình tự điều khiển từng máy bơm  Tìm hiểu về giao tiếp PLC với biến tần  Lập trình PLC

 Tìm hiểu về khối chức năng và hệ thống giám sát thông qua WinCC  Lập trình Webserver để điều khiển từ xa thông qua mạng Wifi

Trang 11

4

1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Điều khiển tự động là xu thế phát triển tất yếu trong các lĩnh vực công nghiệp cũng như sinh hoạt bởi những ưu điểm vượt trội của nó Ở các hệ thống điều khiển tự động có quy mô vừa và lớn thì PLC được sử dụng làm thiết bị điều khiển cho toàn hệ thống Thiết bị điện tử công suất ngày càng được quan tâm nhờ khả năng linh hoạt trong điều khiển, hiệu suất làm việc cao, công suất tiêu thụ thấp… Hiện nay, công nghệ biến tần được sử dụng nhiều trong công nghiệp, trong các hệ thống làm lạnh thế hệ mới… Kết hợp xây dựng một hệ thống điều khiển tự động với các thiết bị điện tử công suất có ý nghĩa khoa học lớn trong việc xây dựng một hệ thống tự động hoàn chỉnh cả về chức năng lẫn hiệu quả kinh tế Về mặt thực tiễn, đề tài đi theo hướng phát triển cho các hệ thống cung cấp nước cho các tòa nhà, khu dân cư, trạm tưới phục vụ nông nghiệp…, khắc phục được các nhược điểm trong hệ thống cung cấp nước cũ

1.7 Nội dung đề tài

Phần còn lại của đề tài bao gồm các chương sau:

 Chương 2: Trạm bơm cấp nước, chương này giới thiệu về hệ thống trạm bơm cấp nước ổn định áp suất sử dụng trên thực tế cho các tòa nhà, xí nghiệp, nhà máy sản xuất  Chương 3: Tìm hiểu về PLC S7-1200 và một số module analog Chương này em sẽ tìm hiểu về cách kết nối phần cứng PLC với các thiết bị output, input; tập lệnh cơ bản để viết chương trinh; một số chức năng nâng cao của PLC S7-1200 như hàm phát xung tốc độ cao, High Speed Counter (HSC); các module xử lý tín hiệu analog cùng với một số cách thiết lặp của nó

 Chương 4: Cách sử dụng phần mềm lập trình TIAPortal V14 và các tập lệnh  Chương 5: Hê thống giám bằng WinCC và ứng dụng điều khiển từ xa bằng khối chức năng Webserver do Siemens hỗ trợ

 Chương 6: Tìm hiểu về biến tần Emerson M200 Chương này em chỉ tìm hiểu cơ bản sơ đồ đấu nối dây, các chú ý sử dụng, tập lệnh cơ bản để biết cách cài đặt khi sử dụng vào đề tài

 Chương 7: Thiết kế và thi công mô hình trạm bơm cấp nước ổn định áp suất Ở phần này em sẽ phân tích nguyên lý hoạt động của mô hình, phân chia thành các khối cụ thể, sau đó là đưa ra sơ đồ giải thuật, viết chương trình điều khiển

Chương 8: Đưa ra kết luận và hướng phát triển của đề tài

Trang 12

Việc nghiên cứu sử dụng hiểu quả nguồn điện năng cung cấp cho một nhóm phụ tải công suất lớn và có đặc tính dao động như vậy được quan tâm rất nhiều, nhất là trong bối cảnh hiện nay khi tiêu chí tiết kiệm điện năng luôn được đề cập đến trong các dự án lớn

2.2 Thực trạng và nhu cầu

Do nhu cầu sử dụng nước của các hộ tiêu thụ nước (cơ quan, gia đình, nhà hàng, khách sạn,…) rất khác nhau trong những thời điểm của ngày (cao điểm và thấp điểm tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng nước của hộ tiêu thụ), yêu cầu đặt ra là phải giải quyết được việc tự động ổn định áp suất trên đường ống cấp nước và tiết kiệm năng lượng cho hệ thống

Hình 2 1 Một trạm bơm cấp nước

Trang 13

6

Để đáp ứng nhu cầu áp lực nước trong hệ thống luôn đủ khi nhu cầu sử dụng nước thay đổi bất thường, các bơm trong hệ thống luôn làm việc liên tục ở chế độ đầy tải Tuy nhiên điều này dẫn đến một số bất lợi sau:

 Áp lực nước trong hệ thống đôi khi tăng quá cao không cần thiết, một số thời điểm nhu cầu sử dụng nước giảm xuống nhưng hệ thống bơm vẫn chạy đầy tải Điều này gây lãng phí năng lượng rất lớn

 Các bơm phải chạy liên tục dẫn đến giảm tuổi thọ cơ khí

2.3 Vấn đề điều khiển lưu lượng

Các trạm bơm nước phổ biến hiện nay đều được thiết kế theo phương pháp truyền thống với những đặc điểm chính:

 Trạm thường có tối thiểu 2 bơm, cùng cấp nước vào một đường ống chính  Các bơm được khởi động trực tiếp hoặc sao/tam giác và tất cả các động cơ đều hoạt động ở tốc độ định mức

 Trong quá trình trạm bơm hoạt động, thường luôn luôn để một bơm ở chế độ dừng (mang tính dự phòng)

 Thay đổi góc mở các van (van tay hoặc van điện) trong trường hợp sự thay đổi áp lực ở khoảng cho phép

 Trường hợp áp lực vẫn thiếu hoặc thừa ta có thể ngắt hoặc đóng thêm bơm (có thể là một hoặc nhiều bơm)

Việc thay đổi áp suất trên đường ống bằng valve hay tắt/mở các bơm có các nhược điểm:

 Các bơm vẫn chạy đầy tải và liên tục, điều này gây lãng phí năng lượng điện vì có những thời điểm nhu cầu sử dụng nước giảm xuống thì bơm chỉ cần chạy 50 ÷ 60 % công suất là đã đáp ứng được

 Việc vận hành khó khăn và tốn chi phí nhân công vì phải cần công nhân vận hành trực tiếp điều khiển góc mở valve hoặc tắt mở bơm

 Các bơm phải chạy liên tục dẫn đến giảm tuổi thọ phần cơ khí

 Khi thay đổi hệ thống hoặc nhu cầu sử dụng nước tăng lên, chi phí đầu tư sẽ tăng lên do phải tăng số lượng bơm

 Khó kiểm soát áp lực nước làm ảnh hưởng tuổi thọ của đường ống, ảnh hưởng tuổi thọ các mối nối

Trang 14

7

2.4 Điều khiển áp suất đường ống thông qua biến tần

Để đáp ứng được những yêu cầu về cấp nước với áp suất không đổi trong công nghiệp cũng như trong dân dụng, hiện nay trên thị trường xuất hiện một số dòng biến tần được thiết kế đặc biệt như CHV 160 (hãng INVT), AVT61 (hãng Altivar), Emerson …

2.4.1.Nguyên lý làm việc

 Quá trình điều khiển chủ yếu được thực hiện từ PLC, PLC nhận tín hiệu analog (dạng điện áp 0 – 10V) từ cảm biến áp suất (được gắn trên đường ống chính) đưa về, PLC sẽ ra quyết định điều khiển biến tần bằng tín hiệu analog ở ngõ ra; biến tần sẽ tự động thay đổi tần số theo tín hiệu analog đó, từ đó thay đổi tốc độ bơm, vì thế việc khống chế áp lực trên đường ống trở nên dễ dàng hơn nhiều

 Khi nhu cầu sử dụng nước cao, thì biến tần sẽ tự động điều khiển động cơ quay ở tốc độ cao để duy trì áp suất Ngược lại khi nhu cầu sử dụng nước thấp, cần áp lực thấp, biến tần sẽ điều khiển động cơ giảm tốc độ xuống hoặc dừng hẳn Khi đó năng lượng điện được tiết kiệm

2.4.2.Ưu điểm của phương pháp dùng biến tần

So với phương pháp truyền thống, phương pháp dùng biến tần cho hệ thống bơm điều áp có những ưu điểm:

 Việc điều chỉnh áp lực trên đường ống hoàn toàn tự động, tiết kiệm được chi phí nhân công

 Hệ thống bơm được điều khiển hoàn toàn tự động, tốc độ bơm có thể thay đổi một cách linh hoạt

 Áp suất toàn hệ thống không đổi với mọi lưu lượng

 Dòng khởi động được hạn chế sẽ không gây sụt áp khi khởi động, giảm tổn hại cho động cơ về mặt cơ khí, cho hệ thống truyền động cũng như về mặt điện

 Tiết kiệm năng lượng khi nhu cầu sử dụng thay đổi nhiều

Trang 15

Được sáng tạo từ những ý tưởng ban đầu của một nhóm kỹ sư thuộc hãng General Motor vào năm 1968 Trong những năm gần đây, bộ điều khiển lập trình được sử dụng ngày càng rộng rãi trong công nghiệp của nước ta như là một giải pháp lý tưởng cho việc tự động tự động hóa các quá trình sản xuất Cùng với sự phát triển công nghệ máy tính hiện nay, bộ điều khiển lập trình đạt được những ưu thế cơ bản trong ứng dụng điều khiển công nghiệp

Như vậy, PLC là một máy tính thu nhỏ nhưng với các tiêu chuẩn công nghiệp cao và khả năng lập trình logic mạnh PLC là đầu não quan trọng và linh hoạt trong điều khiển tự động hóa

3.2 Quá trình phát triển của kỹ thuật điều khiển 3.2.1 Hệ thống điều khiển là gì?

Hệ thống điều khiển là tập hợp các thiết bị và dụng cụ điện tử Nó dùng để vận

hành một quá trình một cách ổn định, chính xác và thông suốt

3.2.2 Hệ thống điều khiển dùng rơle điện

Sự bắt đầu về cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật đặc biệt vào những năm 60 và 70, những máy móc tự động được điều khiển bằng những rơle điện từ như các bộ định thời, tiếp điểm, bộ đếm, relay điện từ Những thiết bị này được liên kết với nhau để trở thành một hệ thống hoàn chỉnh bằng vô số các dây điện bố trí chằng chịt bên trong panel điện ( tủ điều khiển)

Như vậy, với 1 hệ thống có nhiều trạm làm việc và nhiều tín hiệu vào/ra thì tủ điều khiển rất lớn Điều đó dẫn đến hệ thống cồng kềnh, sửa chữa khi hư hỏng rất phức hghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuy

752413069:29:48 PM9:29:48 PM752413069:29:48 PM9:29:48 PM752413069:29:48 PM9:29:48 PM

Trang 16

3.2.4 Điều khiển dùng PLC

*Các khối chức năng

Một PLC có khối Module Input, khối CPU (Central Processing Unit) và khối Module Output Khối Module Input có chức năng thu nhận các dữ liệu digital, analog và chuyển thành các tín hiệu cấp vào CPU Khối CPU quyết định và thực hiện chương trình điều khiển thông qua chương trình chứa trong bộ nhớ Khối Module Output chuyển các tín hiệu điều khiển từ CPU thành dữ liệu analog, digital thực hiện điều khiển các đối tượng

Hình 3 1 PLC S7-1200 1211C DCDCDC

Trang 17

10 *Các chủng loại PLC

Hiện nay, một số PLC được sử dụng trên thịt rường Việt Nam:

 Mỹ:Allen Bradley, General Electric, Square D, Texas Instruments, Cutter Hammer,…

 Đức: Siemens, Boost, Festo…  Hàn Quốc: LG

 Nhật: Mitsubishi, Omron, Panasonci, Fanuc, Mashushita,Fuzi, Koyo,… Và nhiều chủng loại khác Các sản phẩm như: Logo!, Easy, Zen, … cũng được chế tạo ra để đáp ứng những yêu cầu điều khiển đơn giản

*Ưu thế của hệ thống điều khiển dùng PLC

 Nhỏ gọn, tích hợp nhiều chức năng của các thiết bị rời dưới dạng ngôn ngữ lập trình

 Khả năng điều khiển các hệ thống từ đơn giản đến phức tạp trong công nghiệp  Khả năng hoạt động ổn định, nhanh nhạy, chính xác, ổn định

 Dễ dàng thay đổi thuật toán điều khiển theo yêu cầu công nghệ  Dễ dàng nâng cấp, mở rộng dự án

 Khả năng giám sát, điều khiển trong mạng truyền thông

*Hạn chế

 Giá thành cao (tùy theo yêu cầu máy)

 Cần một chuyên viên để thiết kế chương trình cho PLC hoạt động

Hình 3 2 Sơ đồ điều khiển của PLC

Trang 18

11

 Các yêu cầu cố định, đơn giản thì không cần dùng PLC

 PLC sẽ bị ảnh hưởng khi hoạt động ở môi trường có nhiệt độ cao, độ rung mạnh

*Các ứng dụng của PLC

Trong lĩnh vực công nghiệp và nông nghiệp hiện nay, ứng dụng của PLC vào các hệ thống máy móc là vô cùng cần thiết và đã trở nên ngày càng phổ biến Hầu hết các máy móc thiết bị, các dây chuyền sản xuất đều có ứng dụng của PLC cụ thể như:

 Điều khiển các quá trình sản xuất: giấy, ximăng, nước giải khát, linh kiện điện tử, xe hơi, bao bì, đóng gói,…

 Rửa xe ôtô tự động  Thiết bị khai thác

 Giám sát hệ thống, an toàn nhà xưởng  Hệ thống báo động

 Điều khiển thang máy  Điều khiển động cơ  Chiếu sang

 Cửa công nghiệp, tự động  Bơm nước

 PLC của Siemens hiện có các loại sau: S7- 200, S7- 300, S7- 400, S7 – 1500, S7 -1500 Riêng S7- 1200 có các loại CPU sau: CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1214C, CPU 1215C, CPU 1217C … Ngoài ra còn có các board tín hiệu và truyền thông như: hghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuy

752413069:29:48 PM9:29:48 PM752413069:29:48 PM9:29:48 PM752413069:29:48 PM9:29:48 PM

Trang 19

12

SB 1221 DC 200 kHz, SB 1222 DC 200 kHz, SB 1223 DC/DC, SB 1231 AI, SB 1232 AO…Còn có các dòng modules tín hiệu, module truyền thông…

Trong đề tài này em trình bày cấu trúc chung họ S7 – 1200, CPU 1211C

 Có 6 ngõ vào DI, 2 ngõ vào AI và 4 ngõ ra DO

 Có thể thêm vào modul mở rộng kể cả modul Analog  Tốc độ xử lý một lệnh logic Boolean 0.08 µs

 Tốc độ xử lý phép toán thực 2.3 µs

 Có 256 timer , 256 counter, các hàm số học trên số nguyên và số thực  Có 6 bộ đếm tốc độ cao, tần số đếm 100 KHz

 Tích hợp 1 cổng Profinet

 Các ngắt: phần cứng, theo thời gian, truyền thông,…

 Đồng hồ lưu trữ thời gian thực 20 ngày/ nhỏ nhất 12 ngày tại 40 độ C  Chương trình được bảo vệ bằng Password

*Các đèn báo trên CPU S7-1200 1211C

 ERROR: đèn báo hiệu hệ thống bị hỏng (đèn đỏ)  RUN: PLC đang ở chế độ làm việc (đèn xanh)  STOP: PLC đang ở chế độ dừng (đèn vàng)

 I x.x, Q x.x: chỉ định trạng thái tức thời cổng (đèn xanh).*Module mở rộng

Hình 3 3 Module mở rộng SB 1232 AO

Trang 20

13 Đặc điểm:

 1 ngõ vào AO 1 x 12 bits ±10VDC hay 0 – 20 mA  Mã 6ES7 232-4HA30-0XB0

3.3.3 Kết nối và điều khiển

*Xác định các đặc điểm của PLC seimens thông qua mã CPU

 Ngoài ra còn có các CPU sử dụng nguồn cấp AC, tín hiệu ngõ ra là RLY

*Cấp nguồn cho PLC hoạt động

Chú ý phân biệt loại cấp nguồn nuôi cho PLC:  Loại DC nguồn nuôi có kí hiệu là M, L+  Loại AC nguồn nuôi có kí hiệu là N, L1

* Kết nối các ngõ vào, ra cho PLC

 Kết nối ngõ vào:

Hình 3 4 Phương thức cấp nguồn cho PLC.

Trang 21

 Chân 1L, 2L nối vào nguồn dương

 Từng ngõ ra từ PLC nối vào 1 đầu của tải, đầu còn lại của tải nối vào nguồn âm

Hình 3 5 Kết nối ngõ vào cho PLC.

Trang 22

15 Các ngõ vào thường dùng là:

 Các thiết bị được điều khiển ở ngỏ ra:  Động cơ DC

 Động cơ AC 1 pha và 3 pha  Van khí nén

 Van thuỷ lực  Van solenoid

 Đèn báo, đèn chiếu sáng  Chuông báo giờ

 Động cơ Step Servo  Biến tần

 Quạt thông gió  Máy lạnh

Hình 3 6 Các ngõ ra trên chân PLC

Trang 23

16  Động cơ phát điện

3.3.4 Truyền thông của PLC

Bộ điều khiển tích hợp với giao diện PROFINET I/O điều khiển để giao tiếp giữa bộ điều khiển SIMATIC , HMI , thiết bị lập trình hoặc các thành phần tự động hóa khác Các dòng sản phẩm CPU 1211C, 1212C,1214C chỉ có một cổng mạng, cho nên chỉ có thể kết nối được với từng máy tính lập trình, HIM, CPU khác tại một thời điểm Để có thể kết nối cùng lúc nhiều thiết bị người dùng phải sử dụng Ethernet switching ( Hub mạng)

Trang 24

17

CHƯƠNG 4

CÁCH SỬ DỤNG PHẦN MỀM LẬP TRÌNH

4.1 Giới thiệu về các công cụ phần mềm lập trình

Ngày nay với hàng loạt các dòng PLC ra đời thì các công cụ kèm theo cũng vô cùng phong phú Ứng với mỗi loại PLC thì sẽ có những phần mềm đi kèm Các phần mềm ngày càng mạnh và hỗ trợ người sử dụng một cách tốt nhất Seimens là một trong những hãng đi đầu về việc sử dụng các phần mềm của mình Hiện nay có rất nhiều phần mềm hỗ trợ lập trình cho PLC Seimens cụ thể như:

4.2 Cách tạo một dự án đơn giản

Mỗi người lập trình sẽ có những cách tạo và cấu hình phần mềm khác nhau, do đó sẽ có những cách cấu hình khác nhau tùy thuộc vào hệ thống mà chúng ta đang làm

Để tạo một dự án đơn giản ta sẽ tiến hành thực hiện các bước như trong hình hghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuy

752413069:29:48 PM9:29:48 PM752413069:29:48 PM9:29:48 PM752413069:29:48 PM9:29:48 PM

Trang 25

18  Khởi động phầm mềm

 Chọn Create new project để bắt đầu một dự án mới

Hình 4 1 Giao diện sau khi khởi tạo chương trình TIA Portal V14

Hình 4 2 Tạo project mới

Trang 26

Hình 4 3 Thiết lập phần cứng hệ thống PLC

Hình 4 4 Thiết lập địa chỉ IP cho PLC

Trang 27

20

 Sau khi cấu hình xong thiết bị ta tiến hành tạo tag cho chương trình điều khiển PLC Lấy địa chỉ ngõ vào ngõ ra cho PLC tương ứng với các chân trên PLC

Hình 4 5 Tạo tag trong chương trình PLC

 Vào khối main tiến hành lập trình chương trình điều khiển cho PLC

 Ta tiến hành lập trình hệ trình hệ thống bằng cách chọn đối tượng và kéo thả vào vùng lập trình phù hợp, đồng thời đặt tên theo địa chỉ

Hình 4 6 Viết chương trình điều khiển cho PLC

Trang 28

 Cửa sổ giao diện Extended download to device hiển thị, người dùng chọn Type ò PG/PC interface là PE/IE, PG/PC interface là cạc mạng máy tính (RJ45) Trong một số trường hợp máy tính không tìm thấy device thì người dùng nên check vào show all compatible devices

Hình 4 7 Giao diện khi download chương trình vào PLC

 Chọn Load để tiếp tục quá trình download xuống PLC Cửa sổ giao diện Load results hiện lên chọn Start all rồi chọn Finish để kết thúc quá trình

4.3.2 Cách upload chương trình từ PLC xuống máy tính

 Tương tự như download chương trình từ PC xuống PLC ta click chuột vào biểu tượng upload chương trình trên thanh công cụ để upload chương trình vào PLC Thực hiện thao tác upload chương trình: Menu→ Continue→ Upload from device

 Cửa sổ giao diện upload preview để người dùng chọn tiếp tục upload chương trình cần thực hiện các thao tác sao: Upload preview→ Continue→ Upload from device

4.4 Ngôn ngữ lập trình của PLC

Trang 29

22

4.4.1 Các loại ngôn ngữ lập trình PLC

Để có thể lập trình với PLC ta có nhiều loại ngôn ngữ để lập trình, tùy thuộc vào yêu cầu của hệ thống và độ phức tạp của chương trình mà ứng dụng những ngôn ngữ sao cho phù hợp nhất Các loại ngôn ngữ trong lập trình PLC S7-1200 bao gồm: Ladder Logic (LAD), Statement Lits(STL), Function Block Diagram (FBD),S7 Graph, Structure Control Language (SCL)

Ngôn ngữ lập trình LAD là ngôn ngữ thông dụng và hay sử dụng trong S7-1200 và các dòng PLC khác Ngôn ngữ này dựa trên nền tảng các kiến thức về khí cụ điện Chính vì những ưu điểm trên nên trong mô hình điều khiển giám sát được chúng em ứng dụng và lập trình điều khiển PLC S7 1200 để điều khiển hệ thống

Việc chuyển đổi các tập lệnh thành những hình ảnh trực quan giúp cho người lập trình dễ dàng tiếp cận với ngôn ngữ lập trình, rất thích hợp với người quen thiết kế mạch điều khiển logic, tuy nhiên cũng có nhược điểm vì vậy cũng cần có các ngôn ngữ khác để bổ sung cho ngôn ngữ này

4.4.2 Các lệnh lập trình cho PLC S7

*Các lệnh logic của PLC

Bảng 4 2 Các lệnh logic thường dùng trong PLC Semeins

Số thứ tự Ý nghĩa

1 Tiếp điểm thường hở

2 Tiếp điểm thường đóng

3 Chuyển đổi tín hiệu ngõ vào

4 Điều khiển các ngõ ra

5 Chức năng thay đổi giá trị

10 Tín hiệu xung cạnh xuống dung cuộn coil

11 Tín hiệu xung cạnh xuống dung cuộn coil

12 Lưu lại dữ liệu ngõ ra

13 Tín hiệu xung cạnh xuống dùng khối FBD

14 Tín hiệu xung cạnh lên dùng khối FBD

Trang 30

23

*Nhóm các lệnh relay

Bất kỳ các loại PLC nào cũng bao gồm các lệnh relay bên trong nó, ứng với mỗi PLC sẽ có những cách sử sụng khác nhau Các relay ký hiệu chung là M, chương trình ứng dụng sử dụng các biến này để lưu giữ các thông số cần thiết và có thể truy cập nó theo Bit, Byte, Word, Double Word

 Timer xung ON DELAY có nhớ (S_ODTS)  Timer xung OFF DELAY (S_OFFDT)

*Nhóm các lệnh counter

 Lệnh đếm lên, xuống S_CUD  Lệnh đếm lên S_CU

 Lệnh đếm xuống S_CD  Lệnh Set Counter  Lệnh đếm tốc độ cao

*Nhóm lệnh điều khiển chương trình

Ta có thể sử dụng lệnh nhảy trong tất cả các khối logic, khối tổ chức (OBS), khối chức năng (FBS), và các chức năng (FCS) Lệnh nhảy thực hiện các chức năng sau: hghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuyhghieh euu moi puch he giuc thue vat va uhohg thuy uhg duhg thue vat trohg hha o theo uhohg thuy

752413069:29:48 PM9:29:48 PM752413069:29:48 PM9:29:48 PM752413069:29:48 PM9:29:48 PM

Trang 31

24

Bảng 4 4 Bảng các lệnh điều khiển chương trình

Số thứ tự Tên lệnh Ý nghĩa

4 CALL Lệnh dung để gọi một FC hoặc một SFC mà không có thông số thông qua

 Lệnh so sánh bằng với số interger EQ_I

 Lệnh so sánh không bằng với số interger NQ_I  Lệnh so sánh lớn hơn với số interger GT_I  Lệnh so sánh nhỏ hơn với số LT_I

 Lệnh so sánh lớn hơn hoặc bằng với số interger GE_I  Lệnh so sánh nhỏ hơn hoặc bằng với số interger LE_I  Lệnh so sánh bằng với số Double interger EQ_D  Lệnh so sánh bằng với số real EQ_D

752413069:29:48 PM9:29:48 PM752413069:29:48 PM9:29:48 PM752413069:29:48 PM9:29:48 PM

Trang 32

25

có hai trạng thái thì không thể phản ánh được hết chế độ hoạt động của thiết bị chính vì thế nên S7 1200 được hỗ trợ lập trình giải quyết vấn đề này với lệnh NORM và SCALE

4.4.4 Bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID (Proportional Integral Derivative) là bộ điều khiển theo cơ chế phản hồi vòng được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp Bộ điều khiển PID tính toán một giá trị sai số là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển PID sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào Trong trường hợp không có kiến thức cơ bản về quá trình thì bộ điều khiển PID là bộ điều khiển tốt nhất

Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID gồm ba thông số riêng biệt, do đó đôi khi nó còn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm, viết tắt là PID

Bảng 4 6 Bảng ý nghĩa các thông số PID

STT Tên khâu Ý nghĩa

1 P Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại

2 I Giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ

3 D Giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số

*Khâu tỉ lệ P

Khâu tỉ lệ P hay còn gọi lad độ lợi làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trị sai số hiện tại Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó với một hằng số Kp, được gọi là độ lợi tỉ lệ

Khâu tỉ lệ được cho bởi:

Hình 4 8 Bộ điều khiển PID

Trang 33

26 Pout=Kp*e(t) Trong đó:

 Pout: Thừa số tỉ lệ đầu ra

 Kp: Độ lợi tỉ lệ, thông số điều chỉnh  e: Sai số = SP-PV

 T: Thời gian hay thời gian tức thời (hiện tại)

Độ lợi của khâu tỉ lệ lớn là do thay đổi lớn ở đầu ra mà sai số thay đổi nhỏ Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định Ngược lại, độ lợi nhỏ là do đáp ứng đầu ra nhỏ trong khi sai số đầu vào lớn, và làm cho bộ điều khiển kém nhạy hoặc đáp ứng chậm Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá thấp tác động điều khiển có thể sẽ quá bé khi đáp ứng với các nhiễu của hệ thống

Hình 4 9 Đáp ứng hệ thống của khâu P

Trang 34

27

*Khâu tích phân I

Phân phối của khâu tích phân tỉ lệ thuận với cả biên độ sai số lẫn quảng thời gian xảy ra sai số Tổng sai số tức thời theo thời gian (tích phân sai số) cho ta tích lũy bù đã được hiệu chỉnh trước đó Tích lũy sai số sau đó được nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển Biên độ phân phối của khâu tích phân trên tất cả các tác động điều chỉnh được xác định bởi độ lợi tích phân Ki

Thừa số tích phân được cho bởi:

Iout= Ki∫0𝑡𝑒(𝜏)∗ 𝑑𝑡Trong đó:

 Iout: Thừa số tích phân đầu ra  Ki: Độ lợi tích phân

Hình 4 10 Đáp ứng hệ thống khi thay đổi khâu I

Trang 35

28

*Khâu vi phân D

Tốc độ thay đổi của sai số quá trình được tính toán bằng các xác định độ dốc của sai số theo thời gian (tức là đạo hàm bậc một theo thời gian) và nhân tốc độ này tỉ lệ với độ lợi Kd Biên độ của phân phối khâu vi phân ( đôi khi còn được goi là tốc độ) trên tất cả hành vi điều khiển được giới hạn bởi độ lợi vi phân Kd

Thừa số vi phân được cho bởi:

Dout=Kd*𝑑𝑡𝑑 𝑒(𝑡) Trong đó:

 Dout: Thừa số vi phân của đầu ra  Kd: Độ lợi vi phân

 e: Sai số=SP-PV

 t: Thời gian hay thời gian tức thời (hiện tại)

Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển và đặc tính này là đang chú ý nhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều khiển Từ đó, điều khiển vi phân được sử dụng để làm giảm biên độ vọt lố được tạo ra bởi thành phần tích phân và tăng cường độ ổn định của bộ điều khiển hỗn hợp Tuy nhiên, phép vi phân của một tín hiệu sẽ khuếch đại nhiễu và do đó khâu này sẽ nhạy hơn đối với nhiễu trong sai số, và có thể khiến quá trình trở nên không ổn định nếu nhiễu và độ lợi vi phân đủ lớn

Hình 4 11 Đáp ứng của hệ thống khi thay đổi khâu D.

Trang 36

29

Khâu tỉ lệ , tích phân, vi phân được cộng lại với nhau để tính toán đầu ra của bộ điều khiển PID Định nghĩa rằng u(t) là đầu ra của bộ điều khiển, biểu thức cuối cùng của bộ điều khiển PID là:

u(t)= MV(t) = Kp*e(t) + Ki*∫0𝑡𝑒(𝜏)𝑑𝜏 + Kd*𝑑

𝑑𝑡∗ 𝑒(𝑡) Trong đó các thông số được điểu chỉnh theo bảng dưới đây:

Bảng 4 7 Đáp ứng điều chỉnh khi tăng các thông số PID

Đáp ứng vòng kín Thời gian lên Vọt lố Thời gian xác lập Sai số xác lập

*Chỉ định tham số bộ điều khiển PID

Có nhiều phương pháp để lựa chọn tham số cho bộ điều khiển PID:

*Phương pháp thử sai phải dựa vào kinh nghiệm của những người chỉnh định nên mất khá nhiều thời gian và công sức Sau đây là một vài kinh nghiệm cơ bản chọn thông số PID:

 Chọn Kp trước: thử bộ điều khiển P với đối tượng, điều chỉnh Kp sao cho thời gian đáp ứng đủ nhanh, chấp nhận vọt lố nhỏ

 Thêm thành phần Kd để loại vọt lố, tăng Kd từ từ, thử nghiệm và chọn giá trị thích hợp Sai số xác lập có thể sẽ xuất hiện

 Thêm thành phần Ki để giảm sai số xác lập Nên tăng Ki từ bé đến lớn để giảm sai số xác lập đồng thời không để cho vọt lố xuất hiện trở lại

*Phương pháp Ziegler – Nichols

Ziegler – Nichols đưa ra hai phương pháp thực nghiệm để xác định tham số bộ điều khiển PID Phương pháp thứ nhất dùng mô hình quán tính bậc nhất của đối tượng điều khiển Phương pháp thứ hai không cần đến mô hình toán học của đối tượng nhưng chỉ áp dụng cho một số lớp đối tượng nhất định

Trang 37

Bảng 4 9 Bộ thông số PID theo phương pháp Zieger- Nichols thứ hai

*Những khối lệnh xử lý thuật toán PID trong PLC S7 1200

Trong phần mềm TIA Portal được tích hợp sẵn một số khối hàm/lệnh xử lý thuật toán PID Tất cả những khối hàm này nằm trong các tập lệnh ứng dụng kỹ thuật Technology→ PID control→ Compact PID