MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 2 CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ 2 1.1. Vai trò của hệ thống điều khiển nhiệt độ 2 1.2. Các loại hệ thống điều khiển nhiệt độ hiện nay 2 CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ PLC VÀ PID 2 2.1. Giới thiệu chung về PLC S7-1200 và Phần mềm lập trình TiaPortal 2 2.2. Giao diện dám sát WinCC 2 2.3. Bộ điều khiển PID 2 CHƯƠNG 3 : LẬP TRÌNH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2 3.1. Yêu cầu hệ thống 2 3.2. Lưu đồ thuật toán 2 3.3. Cấu hình PLC và thiết kế giao diện điều khiển giám sát 2 3.3.1.Cấu hình PLC 2 3.3.2.Thiết kế giao diện điều khiển giám sát WinCC 2 3.4. Kết quả thu được 2 KẾT LUẬN 2 TÀI LIỆU THAM KHẢO 2 LỜI NÓI ĐẦU Trong bối cảnh hội nhập và phát triển, việc nâng cao chất lượng và hiệu quả sản xuất là một trong những yếu tố then chốt giúp các doanh nghiệp cạnh tranh và phát triển bền vững. Một trong những yếu tố quan trọng đóng góp vào quá trình này chính là việc áp dụng các hệ thống điều khiển tự động tiên tiến, trong đó, hệ thống điều khiển nhiệt độ đóng vai trò quyết định trong nhiều quy trình công nghiệp như sản xuất thực phẩm, hóa chất, và điện tử. Phương pháp điều khiển PID, với cấu trúc đơn giản nhưng vô cùng hiệu quả, đã được chứng minh là một trong những công cụ mạnh mẽ nhất để điều khiển các hệ thống yêu cầu độ chính xác cao. Bằng cách điều chỉnh ba tham số cơ bản: tỷ lệ (P), tích phân (I), và đạo hàm (D), phương pháp PID có khả năng giảm thiểu sai số, ổn định hệ thống, và tối ưu hóa hiệu suất điều khiển. Để hiện thực hóa phương pháp này trong môi trường thực tế, PLC S7-1200 của Siemens đã được chọn làm nền tảng lập trình và điều khiển. Với khả năng linh hoạt, dễ dàng tích hợp và hiệu suất cao, PLC S7-1200 không chỉ đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật mà còn mang lại giải pháp tối ưu cho việc điều khiển nhiệt độ trong các quy trình công nghiệp. Đề tài "Ứng dụng phương pháp PID xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt độ" được thực hiện nhằm nghiên cứu, thiết kế và triển khai hệ thống điều khiển nhiệt độ ứng dụng phương pháp PID trên nền tảng PLC S7-1200. Quá trình thực hiện đề tài bao gồm các bước từ phân tích yêu cầu hệ thống, thiết kế giải thuật PID, lập trình trên PLC S7-1200, đến việc kiểm tra và đánh giá hiệu suất của hệ thống. Em xin chân thành cảm ơn Thầy Dương Hòa An – người đã tận tình hướng dẫn, hỗ trợ và chia sẻ những kinh nghiệm quý báu trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài này. Sự giúp đỡ của Thầy đã góp phần quan trọng vào thành công của dự án, giúp em hoàn thành nhiệm vụ với kết quả tốt nhất. CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 1.1. Tổng quan về bộ điều khiển PID PID được viết tắt bởi cụm từ Proportional Integral Derivative, có nghĩa là 1 cơ chế phản hồi các vòng điều khiển, chúng được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống điều khiển công nghiệp hiện đại. Bộ điều khiển này sử dụng nhiều trong những hệ thống điều khiển vòng kín có tín hiệu phản hồi. Nhiệm vụ của PID giúp tính toán giá trị sai số là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi với giá trị đặt mong muốn. Bộ thiết bị làm giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào. Để đạt được hiệu quả mong muốn bởi thông số của PID cần phải thực hiện điều chỉnh theo tính chất hệ thống. Việc điều khiển sẽ giống nhau, còn thông số được phụ thuộc vào chính đặc thù của hệ thống đó. 1.1.1. Lịch sử hình thành Hình 1.1 : Biểu đồ bộ điều khiển PID Bộ điều khiển này bắt đầu xuất hiện là vào năm 1890. Ban đầu nó xuất hiện trong các thiết kế của bộ điều tốc. Sau đó được phát triển trên các hệ thống tàu thuyền tự động bằng tên khác là PID Controller. Thiết bị phát triển vào năm 1911 bởi Elmer Sperry[1]. Đến năm 1922, Nicolas Minorsky mới chính thức cho xuất bản tác phẩm lý thuyết bộ PID. Trong sách ông đã đưa ra chi tiết về khái niệm của PID cũng như các kiến thức của bộ điều chỉnh mà đến nay nó vẫn có giá trị hữu dụng. Nicolas Minorsky phát triển lý thuyết dựa vào sự quan sát của bản thân với những hành vi của người lái tàu thủy trong cả một thời gian dài trước khi ông đưa ra lý thuyết chính thức về bộ điều chỉnh. Vì thế, các bộ điều chỉnh về thủy lực, cơ khí, khí nén, hệ thống điện được phát triển mạnh đặc biệt là sau thế chiến thứ 2. Hình 1.2 : Bộ PID đầu tiên của tác giả Nicolas Minorsky 1.1.2 : Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID được sử dụng để kiểm soát nhiệt độ, áp suất, lưu lượng và các thông số quy trình khác. Để giúp tự động điều chỉnh khi có sự thay đổi trong hệ thống, bộ điều khiển PID kết hợp kiểm soát tỉ lệ (P) với điều chỉnh tích phân (I) và đạo hàm (D): • P (Proportional): là phương pháp điều chỉnh tỉ lệ, giúp tạo ra tín hiệu điều chỉnh tỉ lệ với sai lệch đầu vào theo thời gian lấy mẫu. • I (Integral): là tích phân của sai lệch theo thời gian lấy mẫu. Điều khiển tích phân là phương pháp điều chỉnh để tạo ra các tín hiệu điều chỉnh sao cho độ sai lệch giảm về 0. Từ đó cho ta biết tổng sai số tức thời theo thời gian hay sai số tích lũy trong quá khứ. Khi thời gian càng nhỏ thể hiện tác động điều chỉnh tích phân càng mạnh, tương ứng với độ lệch càng nhỏ. • D (Derivative): là vi phân của sai lệch. Điều khiển vi phân tạo ra tín hiệu điều chỉnh sao cho tỉ lệ với tốc độ thay đổi sai lệch đầu vào. Thời gian càng lớn thì phạm vi điều chỉnh vi phân càng mạnh, tương ứng với bộ điều chỉnh đáp ứng với thay đổi đầu vào càng nhanh. Hình 1.3 : Bộ điều khiển PID 1.1.3 : Ứng dụng của bộ điều khiển PID • Điều khiển mực nước bằng bộ PID Bộ điều khiển PID đóng vai trò quan trọng trong việc tự động hóa hệ thống quản lý mực nước, như trong bồn chứa, bể chứa và các ứng dụng xử lý nước khác. Thông qua cảm biến đo mức nước, bộ điều khiển này giúp duy trì mức nước ổn định bằng cách điều khiển bơm hoặc van điều chỉnh một cách tự động. • Điều khiển nhiệt độ bằng bộ PID Trong các ứng dụng công nghiệp như xử lý hóa chất, chế biến thực phẩm và hệ thống HVAC, bộ điều khiển PID chơi một vai trò quan trọng trong việc duy trì và kiểm soát nhiệt độ. Bằng cách sử dụng cảm biến nhiệt độ và thuật toán PID, hệ thống có thể điều chỉnh các thiết bị làm mát hoặc sưởi ấm để duy trì nhiệt độ ổn định. • Điều khiển áp suất bằng bộ PID Trong các hệ thống sản xuất và lưu trữ khí nén, bộ điều khiển PID đảm bảo rằng áp suất trong bình chứa hoặc hệ thống luôn ở mức an toàn và hiệu quả. Bằng cách sử dụng cảm biến áp suất và thuật toán PID, bộ điều khiển này giúp điều chỉnh và duy trì áp suất mong muốn trong các quy trình công nghiệp. Một số ứng dụng khác của bộ PID có thể gặp như: • Điều Khiển Chuyển Động: Bộ điều khiển PID được sử dụng trong các ứng dụng điều khiển chuyển động như hệ thống robot, máy CNC và điều khiển động cơ. Bộ điều khiển đo lường vị trí, tốc độ hoặc gia tốc của hệ thống và điều chỉnh đầu vào để duy trì hành trình chuyển động mong muốn. • Điều Khiển Quy Trình: Bộ điều khiển PID được sử dụng trong các ứng dụng điều khiển quy trình như xử lý hóa chất, phát điện và sản xuất. Bộ điều khiển đo lường các thông số quy trình như lưu lượng, áp suất hoặc mức và điều chỉnh đầu vào để duy trì điều kiện quy trình mong muốn. • Điều Khiển Năng Lượng: Bộ điều khiển PID được sử dụng trong các ứng dụng điều khiển năng lượng như điều chỉnh điện áp, chỉnh hệ số công suất và điều khiển động cơ. Bộ điều khiển đo lường đầu ra năng lượng của hệ thống và điều chỉnh đầu vào để duy trì mức năng lượng mong muốn. Hình 1.4 : Điều khiển mức nước bằng PID CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ PLC VÀ PID 2.1. Giới thiệu chung về PLC Bộ điều khiển logic khả trình (tiếng Anh: Programmable Logic Controller, viết tắt: PLC) hay còn gọi là bộ điều khiển lập trình, là thiết bị điều khiển 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 để 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 thì hay các sự kiện được đếm. PLC dùng để thay thế các mạch relay (rơ 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 sẽ thay đổi theo. Ngôn ngữ lập trình của PLC có thể là Ladder hay State Logic. Hiện nay có nhiều hãng sản xuất ra PLC như Siemens, Allen-Bradley, Mitsubishi Electric, General Electric, Omron, Honeywell, Delta. Một khi sự kiện được kích hoạt thật sự, nó bật ON hay OFF thiết bị điều khiển bên ngoài được gọi là thiết bị vật lý. Một bộ điều khiển 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. Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối (bộ điều khiển bằng Relay) người ta đã chế tạo ra bộ PLC nhằm thỏa mãn các yêu cầu sau: • Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học. • Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa chữa. • Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp. • Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp. • Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng, các môi Modul mở rộng. • Giá cả cá thể 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 bảo đảm 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 các 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, phần 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 chỉ cần thay đổi chương trình bên trong bộ nhớ của PLC. Việc thay đổi 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 Relay. Hình 2.1 : Các loại PLC 2.1.1. Cấu trúc của PLC Thông thường thì một PLC sẽ có các bộ phận chính như sau: • RAM, ROM – là một bộ nhớ chương trình bên trong, ta có thể thêm bộ nhớ bên ngoài EPROM • CPU – là bộ xử lý trung tâm có công giao tiếp dùng cho việc kết nối với PLC • Các module vào – ra Hình 2.2 : Cấu trúc của PLC Tuy nhiên thì với một PLC hoàn chỉnh chúng ta sẽ có thêm một đơn vị lập trình bằng tay hay bằng máy tính. Hầu hết các đơn vị lập trình đơn giản đều có đủ RAM để chứa đựng chương trình dưới dạng hoàn thiện hay bổ sung. Nếu đơn vị lập trình là đơn vị xách tay thì RAM thường là loại CMOS có pin dự phòng, chỉ khi nào chương trình đã được kiểm tra và sẵn sàng sử dụng thì nó mới truyền sang bộ nhớ PLC. 2.1.2. Nguyên lý hoạt động của PLC Các PLC sẽ có nguyên lý vận hành như sau: CPU sẽ điều khiển các hoạt động bên trong PLC. Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra chương trình được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trong chương trình, sẽ đóng hay ngắt các đầu ra. Các trạng thái ngõ ra ấy được phát tới các thiết bị liên kết để thực thi và toàn bộ các hoạt động thực thi đó đều phụ thuộc vào chương trình điều khiển được giữ trong bộ nhớ. Hình 2.3: Nguyên lý hoạt động Hệ thống Bus là bộ phận dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín hiệu song song: • Data Bus: Bus dùng để truyền dữ liệu. • Address Bus: Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến các Modul khác nhau. • Control Bus: Bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thì và điều khiển đồng bộ các hoạt động trong PLC. Trong PLC các số liệu được trao đổi giữa bộ vi xử lý và các modul vào ra thông qua Data Bus. Address Bus và Data Bus gồm 8 đường, ở cùng thời điểm cho phép truyền 8 bit của 1 byte một cách đồng thời hay song song. Nếu một module đầu vào nhận được địa chỉ của nó trên Address Bus, nó sẽ chuyển tất cả trạng thái đầu vào của nó vào Data Bus. Nếu một địa chỉ byte của 8 đầu ra xuất hiện trên Address Bus, modul đầu ra tương ứng sẽ nhận được dữ liệu từ Data bus. Control Bus sẽ chuyển các tín hiệu điều khiển vào theo dõi chu trình hoạt động của PLC. Các địa chỉ và số liệu được chuyển lên các Bus tương ứng trong một thời gian hạn chế. Hệ thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O. Bên cạnh đó thì CPU được cung cấp một xung Clock có tần số từ 1,8 MHz. Xung này quyết định tốc độ hoạt động của PLC và cung cấp các yếu tố về định thời, đồng hồ của hệ thống. 2.1.3. PLC Simens S7-1200 S7-1200 là một dòng của bộ điều khiển logic lập trình (PLC) có thể kiểm soát nhiều ứng dụng tự động hóa. Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, và một tập lệnh mạnh làm cho chúng ta có những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng với S7-1200 S7-1200 bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợp sẵn, các đầu vào/ra (DI/DO). Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU và chương trình điều khiển: +Tất cả các CPU đều cung cấp bảo vệ bằng password chống truy cập vào PLC +Tính năng “know-how protection” để bảo vệ các block đặc biệt của mình S7-1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP. Ngoài ra bạn có thể 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 và SCL. Phần mềm này được tích hợp trong TIA Portal 11 của Siemens. Vậy để làm một dự án với S7-1200 chỉ cần cài TIA Portal vì phần mềm này đã bao gồm cả môi trường lập trình cho PLC và thiết kế giao diện HMI Hình 2.4: PLC S7- 1200 1- Bộ phận kết nối nguồn 2- Khe cắm thẻ nhớ nằm dưới cửa phía trên 3- Các bộ phận kết nối nối dây của ngườidùng có thể tháo được (phía sau các nắp che) 4- Các LED trạng thái dành cho I/O tích hợp 5- Bộ phận kết nối PROFINET (phía trêncủa CPU) 2.1.4. Phân loại PLC S7-1200. Việc phân loại S7-1200 dựa vào loại CPU mà nó trang bị: Các loại PLC thông dụng: CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1214C… Thông thường S7-1200 được phân ra làm 2 loại chính: * Loại cấp điện 220VAC: - Ngõ vào: Kích hoạt mức 1 ở cấp điện áp +24VDC (từ 15VDC - 30VDC). - Ngõ ra: Relay. - Ưu điểm của loại này là dùng ngõ ra Relay. Do đó có thể sử dụng ngõ ra ở nhiều cấp điện áp khác nhau (có thể sử dụng ngõ ra 0V, 24V, 220V) -Tuy nhiên, nhược điểm của nó là do ngõ ra Relay nên thời gian đáp ứng không nhanh cho ứng dụng biến điệu độ rộng xung, hoặc Output t ốc độ cao * Loại cấp điện áp 24VDC: - Ngõ vào: Kích hoạt mức 1 ở cấp điện áp +24VDC (từ 15VDC - 30VDC). - Ngõ ra: Relay. - Ưu điểm của loại này là dùng ngõ ra Relay. Do đó có thể sử dụng ngõ ra ở nhiều cấp điện áp khác nhau (có thể sử dụng ngõ ra 0V, 24V, 220V) -Tuy nhiên, nhược điểm của nó là do ngõ ra Relay nên thời gian đáp ứng không nhanh cho ứng dụng biến điệu độ rộng xung, hoặc Output tốc độ cao. 2.1.5. Cấu trúc PLC S7-1200 Cũng giống như các PLC cùng họ khác, PLC S7-1200 gồm 4 bộ phận cơ bản: bộ xử lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao tiếp xuất / nhập. + Bộ xử lý còn được gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU), chứa bộ vi xử lý, biên dịch các tín hiệu nhập và thực hiện các hoạt động điều khiển theo chương trình được lưu trong bộ nhớ của PLC. Truyền các quyết định dưới dạng tín hiệu hoạt động đến các thiết bị xuất. - Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp DC(24V) cần thiết có bộ vi xử lý và các mạch điện trong các module giao tiếp nhập và xuất hoạt động. - Bộ nhớ là nới lưu trữ chương trình được sử dụng cho các hoạt động điều khiển dưới sự kiểm soát của bộ vi xử lý. + Các thành phần nhập và xuất (input/output) là nơi bộ nhớ nhận thông tin từ các thiết bị ngoại vi và truyền thông tin đến các thiết bị điều khiển. Tín hiệu nhập có thể từ các công tắc, các bộ cảm biến… Các thiết bị xuất có thể là các cuộn dây của bộ khởi động động cơ, các van solenoid… + Chương trình điều khiển được nạp vào bộ nhớ nhờ sự trợ giúp của bộ lập trình hay bằng máy vi tình Hình 2.5: Cấu trúc bên trong CPU 2.1.6. Mở rộng PLC S7-1200 S7-1200 cung cấp một số lượng lớn các module tín hiệu và bảng tín hiệu để mở rộng dung lượng của CPU. Có thể lắp đặt thêm các module truyền thông để hỗ trợ các giao thức truyền thông khác. Bảng 2.1: Các module mở rộng Module Chỉ ngõ vào Chỉ ngõ ra Kết hợp int/out Module tín hiệu (SM) Kiểu số 8xDC 8xDC out 8 relay out 8 x DC In / 8 x DC Out 8 x DC In / 8 x Relay Out 16xDC in 16 x DC Out 16 x Relay Out 16 x DC In / 16 x DC Out 16xDC In/16xRelay Out Kiểu tương tự 4 x Analog In 8 x Analog In 2 x Analog In 4 x Analog In 4 x Analog In /2 x Analog Out Bảng tín hiệu (SB) Kiểu số 2 x DC In / 2 x DC Out Kiểu tương tự 1 x Analog In Module truyền thông (CM) : RS232, RS 485 Một bảng tín hiệu (SB) cho phép người dùng thêm vào I/O cho CPU. Người dùng có thể thêm một SB với cả I/O kiểu số hay kiểu tương tự.SB kết nối vào phía trước của CPU. SB với 4 I/O kiểu số (ngõ vào 2 x DC và ngõ ra 2 x DC) SB với 1 ngõ ra kiểu tương tự. Hình 2.6: Module tín hiệu 1. Các LED trạng thái trên SB. Bộ phận kết nối nối dây của người dùng có thể tháo ra. 2.Các module tín hiệu Người dùng có thể sử dụng các module tín hiệu để thêm vào CPU các chức năng. Các module tín hiệu kết nối vào phía bên phải của CPU Hình 2.7: Module tín hiệu Các LED trạng thái dàn h cho I/O của module tín hiệu. Bộ phận kết nối đường dẫn. Bộ phận kết nối nối dây của người dùng có thể tháo ra 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 Hình 2.8: Module truyền thông Các LED trạng thái dành cho module truyền thông. Bộ phận kết nối truyền thông 2.2. Phần mềm lập trình và giao diện dám sát WinCC 2.2.1. Phần mềm TIA PORTAL Phần mềm SIMATIC TIA Portal STEP7 Basic chạy hệ điều hành Windows, phần mềm làm nhiệm vụ trung gian giữa người lập trình và PLC. Để lập trình SIMATIC S7-1200 từ PC hay Laptop cần một kết nối TCP/IP Để PC và SIMATIC S7-1200 có thể giao tiếp với nhau, điều quan trọng là các địa chỉ IP của cả hai thiết bị phải phù hợp với nhau. Sau đây là cách tạo một project trên Tia portal Bước 1: Từ màn hình desktop nhấp đúp chọn biểu tượng Tia Portal V11 Hình 2.9: Biểu tượng Tia portal V14 Bước 2: Click chuột vào Create new project để tạo dự án Hình 2.10: Tạo dự án Bước 3: Nhập tên dự án vào Project name sau đó nhấn create Hình 2.11: Đặt tên dự án Bước 4: Chọn configure a device Hình 2.12: Cấu hình thiết bị Bước 5: Chọn add new device Hình 2.13: Chọn thiết bị Bước 6: Chọn loại CPU PLC sau đó chọn add Hình 2.14: Chọn CPU Bước 7: Project mới được hiện ra Hình 2.15: Dự án được tạo 2.2.2. Giao diện giám sát WinCC. Hình 2.16: Phần mềm mô phỏng WINCC Wincc (Windows Control Center) là một phần mềm chuyên dụng để xây dựng giao diện điều khiển (Human Machin Interface), xử lý và lưu trữ dữ liệu cho hệ thống SCADA trên nền Windows (WinNT, WinXP, WinVista 32bit ….). WinCC đã thừa hưởng bí quyết của Siemens một công ty hàng đầu trong lĩnh vực tự động hóa quá trình và năng lực của Microsoft công ty hàng đầu trong lĩnh vực phát triển phần mềm cho PC. WinCC có thể dễ dàng tích hợp trong hệ thống có quy mô lớn nhỏ khác nhau và cả hệ thống cấp cao như MES (Manufacturing Excution System – hệ thống quản lý việc thực hiện sản xuất) và ERP (Enterprise Resource Planning). Thực tế thì WinCC đã và đang được ứng dụng trên khắp các hệ thống của Siemens trên toàn cầu WinCC có thể mở rộng một hệ thống đơn giản đến phức tạp một cách linh hoạt, từ hệ thống 1 máy tính giám sát tới hệ thống với nhiều máy tính giám sát hay hệ thống có tính phân tán với nhiều máy chủ. WinCC có hàng loạt các module phần mềm kèm theo giúp định hướng theo từng loại ứng dụng đã được phát triển sẵn để người dùng lựa chọn khi cần. Tích hợp trong các bộ WinCC thường có các hệ quản trị cở sở dữ liệu ODBC/SQL như Sysbase SQL Sever (ví dụ SQL Sever2005 trong WinCC 7), và có thể dễ dàng truy cập tới CSDL của hệ thống bằng ngôn ngữ SQL/ODBC. Tích hợp được các giao diện chuẩn như DDE và OLE …….dùng chuyển đổi các chương trình chạy trền nền Windows. Các tính năng như ActiveX Control và OPC Sever cũng được tích hợp sẵn trong WinCC. Để lập trình sự kiện thì WinCC hỗ trợ ngôn ngữ lập trình chuẩn ANSI- C và VBScripts. Tất cả các module của WinCC giao diện mở cho giao diện lập trình ngôn ngữ C (C- API: Application Progamming Interface). Điều này có nghĩa là có thể tích hợp cả cấu hình của WinCC và cả các hàm thực hiện (runtime) vào một chương trình của người sử dụng. Hỗ trợ đa ngôn ngữ như Anh, Pháp, Đức thậm chí có một số ngôn ngữ châu Á, Mĩ cũng được tích hợp làm ngôn ngữ sử dụng. WinCC hỗ trợ hầu hết các loại PLC do nó đã gắn sẵn các kênh truyền thong giao tiếp các loại PLC của Siemen như S7 cũng như thông qua các giao thức chung như Profibus DP, DDE, OPC. Thêm vào đó các chuẩn thông tin khác cũng có sẵn hay lựa chọn bổ sung. Giao diện WinCC cung cấp các module hàm tích hợp với công nghiệp về Graphic Display, Messages, Archives (văn thư lưu trữ) và Reports. Giao diện điều khiển mạnh, tính cập nhật hình ảnh nhanh chóng và những hàm lưu trữ tin cậy, đảm bảo tính sẵn sang cao. Trong dòng các sản phẩm thiết kế các giao diện phục vụ vận hành giám sát, WinCC thuộc thứ hạng SCADA với những chức năng hữu hiệu cho việc điều khiển. CHƯƠNG 3 : LẬP TRÌNH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3.1. Yêu cầu hệ thống • Yêu cầu về độ chính xác và ổn định : Hệ thống điều khiển nhiệt độ yêu cầu phải đạt được độ chính xác cao trong việc duy trì nhiệt độ ở một giá trị đặt trước (setpoint). Điều này đòi hỏi hệ thống phải có khả năng phản ứng nhanh với các thay đổi đột ngột của môi trường hoặc tải, đồng thời giảm thiểu sai số ổn định và dao động nhiệt độ quanh giá trị đặt. Sự ổn định của hệ thống là yếu tố quan trọng, đảm bảo rằng hệ thống không chỉ đạt được nhiệt độ mong muốn mà còn duy trì nhiệt độ này mà không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố nhiễu hoặc sự thay đổi không mong muốn. • Yêu cầu về tốc độ phản hồi : Một hệ thống điều khiển nhiệt độ hiệu quả phải có tốc độ phản hồi nhanh chóng, đặc biệt khi có sự thay đổi về nhiệt độ hoặc các yếu tố ảnh hưởng khác. Điều này yêu cầu hệ thống điều khiển PID phải được tối ưu hóa để cung cấp phản hồi kịp thời và chính xác, đảm bảo rằng nhiệt độ được điều chỉnh một cách nhanh chóng mà không gây ra hiện tượng vượt quá hoặc dao động mạnh. Sự kết hợp giữa PLC S7-1200 và thuật toán PID cần phải đảm bảo rằng hệ thống có khả năng đáp ứng nhanh với mọi tình huống phát sinh. • Yêu cầu về tính linh hoạt và mở rộng : Hệ thống điều khiển nhiệt độ cần phải có tính linh hoạt cao, cho phép dễ dàng điều chỉnh các tham số điều khiển PID để phù hợp với các ứng dụng và môi trường khác nhau. Đồng thời, hệ thống cần được thiết kế với khả năng mở rộng, cho phép tích hợp thêm các cảm biến, thiết bị điều khiển hoặc kết nối với các hệ thống điều khiển khác trong tương lai. PLC S7-1200 với khả năng lập trình linh hoạt và dễ dàng mở rộng là một lựa chọn phù hợp, giúp đảm bảo hệ thống có thể đáp ứng được yêu cầu này. • Yêu cầu về an toàn và bảo trì : An toàn là yếu tố quan trọng trong bất kỳ hệ thống điều khiển nào, đặc biệt là khi liên quan đến nhiệt độ cao. Hệ thống cần phải được trang bị các biện pháp bảo vệ nhằm ngăn ngừa sự cố quá nhiệt hoặc các tình huống nguy hiểm khác. Ngoài ra, hệ thống cần phải dễ dàng bảo trì và cập nhật, cho phép người vận hành có thể kiểm tra, thay thế hoặc nâng cấp các thành phần của hệ thống một cách thuận tiện mà không gây ảnh hưởng đến hoạt động chung.
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ
Các loại hệ thống điều khiển nhiệt độ hiện nay
2.1 Giới thiệu chung về PLC
Bộ điều khiển logic khả trình (PLC) là thiết bị điều khiển lập trình, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán logic thông qua ngôn ngữ lập trình như Ladder hay State Logic PLC hoạt động bằng cách quét trạng thái đầu vào và điều khiển đầu ra tương ứng, thay thế các mạch relay truyền thống Nhiều hãng sản xuất PLC nổi tiếng như Siemens, Allen-Bradley, Mitsubishi Electric, và Omron.
Bộ điều khiển logic khả trình (PLC) được phát triển để khắc phục hạn chế của hệ thống điều khiển bằng relay, hoạt động bằng cách liên tục lặp chương trình người dùng, chờ tín hiệu vào và xuất tín hiệu ra theo lập trình Sự kiện kích hoạt sẽ bật/tắt thiết bị vật lý bên ngoài.
Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học.
Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa chữa.
Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp.
Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp.
Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng, các môi Modul mở rộng.
Giá cả cá thể cạnh tranh được.
PLC ban đầu được thiết kế để thay thế rơle và logic thời gian, nhưng yêu cầu về dung lượng nhớ, tốc độ xử lý và giá cả hợp lý đã thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của chúng Khả năng xử lý từ các lệnh logic đơn giản đến các phép toán phức tạp trên máy tính lớn, cùng với sự gia tăng dung lượng và số lượng I/O, đã dẫn đến việc PLC được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp.
TỔNG QUAN VỀ PLC VÀ PID
Giới thiệu chung về PLC S7-1200 và Phần mềm lập trình TiaPortal
Bộ điều khiển logic khả trình (PLC) là thiết bị điều khiển lập trình được, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán logic thông qua ngôn ngữ lập trình như Ladder hay State Logic PLC thay thế mạch relay, hoạt động bằng cách quét trạng thái đầu vào và điều khiển đầu ra tương ứng Các hãng sản xuất PLC nổi bật gồm Siemens, Allen-Bradley, Mitsubishi Electric, General Electric, Omron, Honeywell và Delta.
Bộ điều khiển logic khả trình (PLC) được phát triển để khắc phục hạn chế của hệ thống điều khiển bằng Relay, hoạt động bằng cách liên tục lặp chu trình chương trình người dùng đã lập trình sẵn, chờ tín hiệu vào và xuất tín hiệu ra tại các thời điểm được định sẵn Sự kiện kích hoạt sẽ bật hoặc tắt thiết bị vật lý bên ngoài.
Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học.
Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa chữa.
Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp.
Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp.
Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng, các môi Modul mở rộng.
Giá cả cá thể cạnh tranh được.
Thiết kế PLC ban đầu nhằm thay thế relay và logic thời gian, song đòi hỏi dung lượng nhớ lớn, dễ lập trình, tốc độ xử lý cao và giá cả hợp lý Yêu cầu này thúc đẩy ứng dụng PLC rộng rãi trong công nghiệp PLC nhanh chóng phát triển từ các lệnh logic đơn giản đến các chức năng phức tạp như đếm, định thời, xử lý toán học trên máy lớn, dẫn đến sự ra đời của PLC dung lượng lớn và nhiều I/O hơn.
PLC sử dụng CPU và chương trình điều khiển như đơn vị cơ bản Chương trình được lưu trữ trong bộ nhớ PLC, định nghĩa chức năng điều khiển hệ thống Thay đổi chức năng hệ thống chỉ cần chỉnh sửa chương trình, đơn giản hơn nhiều so với thay đổi phần cứng.
Thông thường thì một PLC sẽ có các bộ phận chính như sau:
RAM, ROM – là một bộ nhớ chương trình bên trong, ta có thể thêm bộ nhớ bên ngoài EPROM
CPU – là bộ xử lý trung tâm có công giao tiếp dùng cho việc kết nối với PLC
Hình 2.2 : Cấu trúc của PLC
PLC hoàn chỉnh bao gồm đơn vị lập trình (tay hoặc máy tính) với RAM đủ lưu trữ chương trình Đơn vị lập trình xách tay, thường dùng RAM CMOS có pin, chỉ truyền chương trình sang bộ nhớ PLC sau khi kiểm tra và hoàn thiện.
2.1.2 Nguyên lý hoạt động của PLC
PLC hoạt động dựa trên CPU điều khiển, đọc và thực thi chương trình lưu trữ trong bộ nhớ, đóng/ngắt đầu ra điều khiển thiết bị ngoại vi theo trình tự lệnh đã lập trình Toàn bộ quá trình phụ thuộc hoàn toàn vào chương trình này.
Hình 2.3: Nguyên lý hoạt động
Hệ thống Bus là bộ phận dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín hiệu song song:
Data Bus: Bus dùng để truyền dữ liệu.
Address Bus: Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến các Modul khác nhau.
Control Bus: Bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thì và điều khiển đồng bộ các hoạt động trong PLC.
Trong PLC, bộ vi xử lý giao tiếp với các mô-đun vào/ra qua Data Bus và Address Bus, cả hai đều có 8 đường dẫn, cho phép truyền dữ liệu đồng thời.
PLC xử lý 8 bit của một byte song song Module đầu vào gửi dữ liệu vào Data Bus khi nhận địa chỉ trên Address Bus; tương tự, module đầu ra nhận dữ liệu từ Data Bus khi địa chỉ xuất hiện trên Address Bus Control Bus điều khiển chu trình hoạt động, với tất cả dữ liệu và địa chỉ được truyền trên bus trong thời gian giới hạn.
Hệ thống bus truyền tải dữ liệu giữa CPU, bộ nhớ và I/O CPU hoạt động với xung clock từ 1,8 MHz, điều khiển tốc độ và thời gian của PLC.
PLC S7-1200 của Siemens nổi bật với thiết kế nhỏ gọn, chi phí hợp lý và bộ lệnh mạnh mẽ, là giải pháp tối ưu cho nhiều ứng dụng tự động hóa.
S7-1200 bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợp sẵn, các đầu vào/ra (DI/DO).
Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU và chương trình điều khiển:
+Tất cả các CPU đều cung cấp bảo vệ bằng password chống truy cập vào PLC
+Tính năng “know-how protection” để bảo vệ các block đặc biệt của mình
PLC S7-1200 tích hợp cổng PROFINET, hỗ trợ Ethernet và TCP/IP, đồng thời mở rộng khả năng kết nối với module RS485/RS232.
TIA Portal tích hợp phần mềm Step7 Basic, môi trường lập trình cho PLC S7-1200, hỗ trợ ba ngôn ngữ lập trình: FBD, LAD và SCL.
Chỉ cần cài đặt TIA Portal để lập trình PLC S7-1200 và thiết kế giao diện HMI TIA Portal tích hợp đầy đủ môi trường lập trình cho cả hai phần.
1- Bộ phận kết nối nguồn
2- Khe cắm thẻ nhớ nằm dưới cửa phía trên
3- Các bộ phận kết nối nối dây của ngườidùng có thể tháo được (phía sau các nắp che) 4- Các LED trạng thái dành cho I/O tích hợp
5- Bộ phận kết nối PROFINET (phía trêncủa CPU)
Việc phân loại S7-1200 dựa vào loại CPU mà nó trang bị:
Các loại PLC thông dụng: CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1214C…
Thông thường S7-1200 được phân ra làm 2 loại chính:
- Ngõ vào: Kích hoạt mức 1 ở cấp điện áp +24VDC (từ 15VDC - 30VDC).
Loại này sử dụng ngõ ra Relay, cho phép tương thích với nhiều cấp điện áp khác nhau (0V, 24V, và 220V).
Công nghệ này có nhược điểm về thời gian đáp ứng chậm, không phù hợp với ứng dụng biến điệu độ rộng xung hoặc đầu ra tốc độ cao do sử dụng Relay.
* Loại cấp điện áp 24VDC:
- Ngõ vào: Kích hoạt mức 1 ở cấp điện áp +24VDC (từ 15VDC - 30VDC).
Bộ điều khiển PID
Yêu cầu về độ chính xác và ổn định :
Hệ thống điều khiển nhiệt độ cần độ chính xác cao, phản ứng nhanh với thay đổi môi trường và tải, giảm thiểu sai số và dao động nhiệt độ Sự ổn định của hệ thống đảm bảo duy trì nhiệt độ mong muốn bất chấp nhiễu và thay đổi không mong muốn.
Yêu cầu về tốc độ phản hồi :
Hệ thống điều khiển nhiệt độ hiệu quả cần tốc độ phản hồi nhanh, đặc biệt khi nhiệt độ thay đổi PLC S7-1200 kết hợp thuật toán PID tối ưu giúp điều chỉnh nhiệt độ chính xác, nhanh chóng, tránh hiện tượng vượt quá hoặc dao động mạnh Khả năng đáp ứng tức thời với mọi tình huống là yếu tố then chốt.
Yêu cầu về tính linh hoạt và mở rộng :
Hệ thống điều khiển nhiệt độ cần linh hoạt, dễ điều chỉnh tham số PID và mở rộng tích hợp thêm cảm biến, thiết bị PLC S7-1200, với khả năng lập trình linh hoạt và mở rộng, là giải pháp phù hợp.
Yêu cầu về an toàn và bảo trì :
Hệ thống điều khiển nhiệt độ cao cần đảm bảo an toàn tuyệt đối bằng các biện pháp bảo vệ quá nhiệt và nguy hiểm khác Khả năng bảo trì, cập nhật và thay thế linh kiện dễ dàng là yếu tố then chốt để duy trì hoạt động ổn định.
LẬP TRÌNH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Yêu cầu hệ thống
Yêu cầu về độ chính xác và ổn định :
Hệ thống điều khiển nhiệt độ cần độ chính xác cao, phản ứng nhanh với thay đổi môi trường, giảm thiểu sai số và dao động nhiệt độ Sự ổn định của hệ thống đảm bảo duy trì nhiệt độ mong muốn bất chấp nhiễu và thay đổi không mong muốn.
Yêu cầu về tốc độ phản hồi :
Hệ thống điều khiển nhiệt độ hiệu quả cần tốc độ phản hồi nhanh, đặc biệt khi nhiệt độ thay đổi PLC S7-1200 kết hợp thuật toán PID tối ưu đảm bảo phản hồi chính xác, nhanh chóng và tránh hiện tượng vượt quá hoặc dao động mạnh Khả năng đáp ứng mọi tình huống là yếu tố then chốt.
Yêu cầu về tính linh hoạt và mở rộng :
Hệ thống điều khiển nhiệt độ cần linh hoạt, dễ điều chỉnh tham số PID và mở rộng tích hợp thêm cảm biến, thiết bị PLC S7-1200, với khả năng lập trình linh hoạt và mở rộng, là giải pháp phù hợp.
Yêu cầu về an toàn và bảo trì :
Hệ thống điều khiển nhiệt độ cao cần đảm bảo an toàn tuyệt đối bằng các biện pháp phòng ngừa quá nhiệt và rủi ro khác Khả năng bảo trì, cập nhật và thay thế linh kiện dễ dàng cũng rất quan trọng để duy trì hoạt động ổn định.
Lưu đồ thuật toán
Hình 3.1 : Lưu đồ thuật toán
Cấu hình PLC và thiết kế giao diện điều khiển giám sát
Bước 1 : Tạo khối DB lưu dữ liệu
Hình 3.2 : Khối DB lưu dữ liệu của khối PID Bước 2 : Tạo khối Cyclic interrupt
Bước 3 : Tạo khối PID và chèn dữ liệu vào khối PID
Hình 3.4 : Khối PID Bước 4 : Set các giá trị của khối PID
Hình 3.5 : Chọn kiểu đầu vào và đầu ra
Bước 5 : Chọn kiểu set các biến tính toán của khối PID
Hình 3.6 : Nhập thông số cho khối PIDBước 6 : Ấn Start và Star PID để khởi động hoạt động của khối PID
3.3.2.Thiết kế giao diện điều khiển giám sát WinCC
Kết quả thu được
Màn hình HMI WinCC được thiết kế để đọc giá trị cảm biến nhiệt độ và sử dụng biểu đổ để hiển thị dữ liệu của khối PID