nghiên cứu khai thác một số module điều khiển quá trình của hệ simatic s7-300

môC LôC MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 KHÁI QUÁT VỀ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN 1.2. THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN KHẢ TRÌNH (PLC) 1.3 Hệ SIMATIC PLC S7-300. 1.3.1 PLC là gì? 1.3.2. Nguyên lý chung và cấu trúc bộ PLC. 1.3.3. Hệ PLC S7-300. 1.3.4. Các modul của PLC S7-300. 1.3.4.1. Modul CPU 1.3.4.2 Modul mở rộng. 1.4 PHẦN MỀM STEP – 7 1.4.2 Bộ chương trình STEP7 chuẩn (STEP7 Standard Package) Chức năng quản lý (SIMATIC Manager) Chức năng sắp xếp biểu tượng (Symbol Editor). Chuẩn đoán lỗi phần cứng. Ngôn ngữ lập trình. Đặt cấu hình phần cứng (Hardware Configuration). CHƯƠNG II: MODULE ĐIỀU KHIỂN MỀM TRONG STEP 7. 2.1 MODUL ĐIỀU KHIỂN LIÊN TỤC VỚI FB41 “CONT_C”. 2.1.1 Giới thiệu chung về khối FB41. 2.1.2.Tham biến hình thức đầu vào của FB 41. 2.1.3. Tham biến đầu ra của FB41 “CON_C” 2.1.2 Khai báo tham số cho bộ điều khiển PID. 1 1 Dead Band Tham số bộ PID (PID Parameter) Manipulative Variable 2.2 MODUL ĐIỀU KHIỂN BƯỚC FB42 “CONT_S”. 2.2.1 Giới thiệu chung về FB42. Sơ đồ cấu trúc khối FB42. Thuật điều khiển PI bước. Khởi động và thông báo lỗi. Tham biến hình thức đầu vào của FB42. 2.3 KHỐI TẠO HÀM XUNG: FB43 “ PULSEGEN”. 2.3.1 Giới thiệu chung về khối FB43. 2.3.2. Mô tả FB43 Chế độ “Three step control” - Điều khiển 3 vị trí Minimum Pulse or Minimum Break Time. Điều khiển 3 vị trí không đối xứng. Chế độ “Two step control”- Điều khiển 2 vị trí. Chế độ bằng tay trong điều khiển 2/3 vị trí Complete restart/ Restart. Báo lỗi trong FB43 2.3.4 Tham biến hình thức đầu ra 2.4 MỘT SỐ CHÚ Ý KHI SỬ DỤNG MODUL MỀM PID. 2.4.1. Với khối hàm FB 41 “CONT_C”. 2.4.2. Với khối hàm FB 43 “FULSEGEN”. CHƯƠNG III: XÂY DỰNG MỘT SỐ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH TRÊN CƠ SỞ CÁC MODULE MỀM TRONG HỆ SIMATIC S7-300. 3.1 CƠ SỞ THỰC HIỆN THUẬT TOÁN. 2 2 3.1.1 Bộ điều khiển PID. 3.1.3 Một số phương pháp chọn tham số bộ điều khiển PID. 3.1.3.1. Thiết kế bộ điều khiển dựa trên cơ sở thực nghiệm. A. Phương pháp thứ 1 của Zeigler- Nichols. B. Phương pháp thứ 2 của Zeigler- Nichols. Nguyên lý chung của phương pháp. C. Phương pháp Chien- Hrones- Reswick. C. Phương pháp bù hằng số thời gian tổng của Kuhn 3.1.3.2. Thiết kế bộ điều khiển dựa trên miền tần số 3.2. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID BẰNG MODULE MỀM TRONG HỆ SIMATIC S7-300 3.2.1. Các khối hàm đọc tín hiệu tương tự (Analog) 3.2.1.1 Khối đọc giá trị tương tự FB 105 Mô tả và chỉ dẫn. Xử lý sự cố 3.2.1.2 Khối đọc giá trị tương tự FB 106 Ký hiệu Kích thước Mô tả và chỉ dẫn Xử lý sự cố 3.2.1.3 Khối đọc giá trị tương tự FB 107 Ký hiệu Kích thước Mô tả và chỉ dẫn. Xử lý sự cố 3.2.2 Thiết kế bộ điều khiển PID bằng module mềm FB 41 “CONT_C” 3.3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID TRÊN CƠ SỞ HỆ LOGIC MỜ 3 3 3.2.1. Bộ điều khiển mờ 3.2.1.1. Cấu trúc bộ điều khiển mờ 3.2.1.2. Các bước thiết kế bộ điều khiển mờ. A. Bộ điều khiển mờ tĩnh B. Bộ điều khiển mờ động. 3.2.2. Chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID. 3.2.2.1. Phương pháp Zhao, Tomizuka và Isaka. 3.2.2.2. Ví dụ về bộ điều khiển PID có tham số chỉnh định trên cơ sở hệ logic mờ. 3.2.3. Thiết kế bộ điều khiển PID có tham số chỉnh định trên cơ sở hệ logic mờ (FPID) cho lò điện trở. CHƯƠNG IV. ỨNG DỤNG THÍ NGHIỆM TRÊN LÒ NHIỆT ĐIỆN TRỞ 2,3 KVA VÀ BÀN THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN MỨC. 4.1. ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN TRÊN LÒ ĐIỆN TRỞ. 4.1.1. Đặc điểm bộ thí nghiệm điều khiển lò điện trở. 4.1.1.1 Sơ đồ thí nghiệm 4.1.1.2 Các thành phần trong sơ đồ thí nghiệm. 4.1.2 Chọn tham số bộ điều khiển PID cho lò điện trở 4.1.2.1 Mô hình hóa lò điện trở bằng công cụ System Identifcation Toolbox trong MATLAB. 3.1.4.2. Chọn tham số bộ điều khiển PID cho lò điện trở 4.1.2.2 Kết quả thí nghiệm điều khiển lò nhiệt sử dụng bộ điều khiển PID trên cơ sở các module mềm trong STEP7. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO 4 4 MỞ ĐẦU Hiện nay với sự phát triển mạnh mẽ của các bộ điều khiển hiện đại nhưng nhiều hệ thống điều khiển trong công nghiệp vẫn dùng bộ điều khiển PID bởi vì nó là bộ điều khiển chuẩn và luật điều khiển của nó rất dễ hiểu. Một trong những ứng dụng của bộ điều khiển PID trong điều khiển thích nghi và điều khiển mờ là thường xuyên phải chỉnh định lại các tham số của nó để phù hợp với sự thay đổi không biết trước của đối tượng cũng như của môi trường nhằm đảm bảo được các chỉ tiêu chất lượng đã đề ra cho hệ thống. Đặc biệt các thiết bị điều khiển logic khả trình PLC của hãng SIEMENS hiện nay đang được dùng khá phổ biến ở nước ta hiện nay. Việc nghiên cứu khai thác triệt để những tính năng của chúng trong kỹ thuật điều khiển là rất cần thiết, nó cho phép chúng ta thực hiện được nhiều bài toán điều khiển mà không cần tăng thêm chi phí đầu tư cho thiết bị. Nội dung đề tài đề cập vào một số vấn đề sau: • Nghiên cứu thiết bị điều khiển logic khả trình PLC và phần mềm STEP7 của hệ PLC SIMATIC S7-300 (Chương I). • Nghiên cứu đặc điểm, cấu trúc, nguyên lý làm việc, các tham số đầu vào đầu ra của các module mềm PID controller tích hợp sẵn trong STEP7: FB41, FB42, FB43 (chương II). • Nghiên cứu cơ sở thuật toán để thiết kế một số thuật toán điều khiển quá trình trên cơ sở các module mềm trong hệ SIMATIC S7-300: Bộ điều khiển PID với khối FB41, bộ điều khiển PID với khối FB43 (chương III). • Thí nghiệm kiểm chứng trên bộ thí nghiệm điều khiển lò điện trở, so sanh với một số bộ điều khiển khác. Từ đó rút ra kết luận thực tiễn và những đề xuất kiến nghị (chương IV). 5 5 CHƯƠNG I: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 KHÁI QUÁT VỀ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN Điều khiển trong kỹ thuật được hiểu là khoa học nghiên cứu về quá trình thu thập, xử lý tín hiệu và điều khiển các quá trình và hệ thống thiết bị kỹ thuật. Hệ thống điều khiển mà không có sự tham gia trực tiếp của con người được gọi là hệ thống điều khiển tự động. Điều khiển quá trình được hiểu là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và đảm bảo an toàn cho con người, máy móc và môi trường. Một hệ thống điều khiển (Controll System) là một liên kết của nhiều thành phần, tạo nên một cấu hình hệ thống có khả năng đáp ứng một nhu cầu nhất định. Một thành phần hay một quá trình (Process) cần được điều khiển được gọi là đối tượng điều khiển (ĐT ĐK), được biểu diễn bằng một khối có đầu vào và đầu ra. ĐT ĐK vào ra Hình 1.1 Quá trình cần điều khiển Một hệ thống điều khiển đơn giản nhất bao gồm một bộ điều khiển tác động lên một đối tượng điều khiển và được gọi là hệ thống điều khiển vòng hở (open loop). Đáp ứng mong muốn ra ĐT ĐK 6 6 Bộ điều khiển Hình 1.2 Hệ thống điều khiển vòng hở Đối tượng điều khiển (ĐTĐK) là thành phần tồn tại khách quan. Thiết bị điều khiển (TBĐK) là tập hợp tất cả các thiết bị của hệ thống nhằm tạo ra tín hiệu điều khiển tác động lên đối tượng điều khiển. Hệ thống điều khiển vòng kín (closed loop) được sử dụng thêm một giá trị đo của tín hiệu ra thực sự để so sánh với đáp ứng đầu ra. Giá trị đo này được gọi là tín hiệu phản hồi (feedback signal). Đáp ứng mong muốn ra Quá trình Bộ điều khiển So sánh Hệ đo ra Hình 1.3 Hệ thống điều khiển vòng kín Những năm 1940 của thế kỷ XX, cơ sở lý thuyết điều khiển tự động được hình thành. Khi đó, các phương pháp khảo sát hệ “một đầu vào, một đầu ra - SISO”. Vào cuối những năm 1940 và đầu những năm 1950 phương pháp đồ thị nghiệm của Evans đã được hoàn thiện. Giai đoạn này được coi là “điều khiển cổ điển”. Đến những năm 1960, là giai đoạn phát triển của kỹ thuật điều khiển được gọi là “điều khiển hiện đại” (Modern Control). Hệ kỹ thuật ngày càng trở nên phức tạp, có “nhiều đầu vào, nhiều đầu ra - MIMO”. Bắt đầu từ những năm 1980, xuất hiện “kỹ thuật điều khiển bền vững hệ đa biến” . Trong hai thập kỷ cuối, nhiều nhánh mới về điều khiển cũng đã hình thành, đó là: thích nghi, phi tuyến, hổn hợp, mờ và neural. 7 7 1.2. THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN KHẢ TRÌNH (PLC) Ngày nay, các hệ thống điều khiển tự động sử dụng thiết bị điều khiển khả trình (Programable Logic Controller- PLC) ngày càng phổ biến. Với những tính năng ưu việt như: cấu trúc nhỏ gọn, tốc độ xử lý thời gian thực cao, nhiều chức năng điều khiển, có độ mềm dẻo sử dụng rất cao, cộng với khả năng kết nối với các thiết bị điều khiển, theo dõi giám sát… đã tạo cho PLC một khả năng làm việc linh họat và hiệu quả. 1.3 Hệ SIMATIC PLC S7-300. 1.3.1 PLC là gì? PLC (Programable Logic Controller) là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình thay cho việc phải thể hiện thuật toán đó bằng mạch số. 1.3.2. Nguyên lý chung và cấu trúc bộ PLC. * Sơ đồ khối của PLC Hình 1.4 Sơ đồ khối của PLC * Nguyên ký chung về cấu trúc bộ PLC. Timer Counter 8 8 Flag bit Cổng ngắt và đếm tốc độ cao Cổng vào ra on boad Quản lý ghép nối Bus PLC Bộ nhớ chương trình CPU Bộ đệm Vào ra Khối xứ lý trung tâm + Hệ điều hành 9 9 Hình 1.5 Nguyên lý chung về cấu trúc PLC Thành phần của PLC bao gồm: CPU (Central Preccesing Unit), RAM (Random-Access Memory), các bộ xử lý vào/ra, các bộ xử lý toán học và các thành phần khác được chế tạo đặc thù thích nghi với sử dụng vận hành trong môi trường công nghiệp. Một hệ thống có thể có 1 PLC hoặc gồm nhiều PLC kết qua MPI bus Hình 1.6 Hệ thống điều khiển có một PLC 1.3.3. Hệ PLC S7-300. Dòng Simatic S7 được sử dụng nhiều nhất trong các nhà máy xí nghiệp trong nước. Các họ PLC của dòng simatic S7 bao gồm: S7-200, S7-300, S7- 400. Module PS 10 10 [...]... lập của quá trình điều chỉnh là yêu cầu về độ chính xác của quá trình điều chỉnh Chỉ tiêu này được đánh giá thông qua giá trị đo được là sai lệch tĩnh của quá trình điều chỉnh ký hiệu là δ * Chỉ tiêu trạng thái quá độ Trạng thái quá độ được đánh giá bằng hai chỉ tiêu là thời gian điều chỉnh và tính chất dao động của quá trình điều chỉnh Độ quá điều chỉnh (overshoot) σ% là chỉ số về mức độ dao động của. .. số của nó để phù hợp với sự thay đổi không biết trước của đối tượng cũng như của môi trường nhằm đảm bảo được các chỉ tiêu chất lượng đã đề ra cho hệ thống 3.1.2 Một số chỉ tiêu chất lượng của quá trình điều chỉnh * Tiêu chuẩn ổn định của hệ thống Ổn định là điều kiện cần thiết đầu tiên của một hệ thống điều khiển Điều kiện ổn định của một hệ thống điều chỉnh tự động là: lim e(t ) = const t →∞ (3.7).. .Module CPU Module SM Module CP Hình 1.8 SIMATIC S7 300/ của SIEMENS 1.3.4 Các module của PLC S7-300 Để tăng tính sử dụng mềm dẻo trong ứng dụng thực tế, hê SIMATIC S7300 được chia nhỏ thành các module Do vậy số module được sử dụng nhiều hay ít tùy thuộc vào bài toán điều khiển Tất các các module được gắn trên các thanh ray (rack) 1.3.4.1 module CPU 1.3.4.2 module mở rộng Các module mở rộng... đầu ra của FB41 “CON_C” FB 41 có 9 tham biến hình tức đầu ra 2.1.4 Khai báo tham số cho bộ điều khiển PID Phần mềm STEP cung cấp một giao diện hỗ trợ cho người sử dụng trong việc khai báo tham số cho bộ điều khiển PID.Tạo khối DB (Data Block) cho bộ điều khiển sử dụng giao diện của module điều khiển PID bằng cách gõ lệnh: Start/ Simatic/ Step7/ PID Control Paramester Assignment Ví dụ: Ta sẽ tạo một Data... trị của a và b ta có bốn yêu cầu chất lượng để xác định tham số bộ điều khiển : Yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín không có độ quá điều chỉnh Yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín có độ quá điều chỉnh ∆h không vượt quá 25% so với h∞ Yêu cầu tối ưu theo tín hiệu đặt trước (giảm sai lệch bám) và hệ kín có độ quá điều chỉnh ∆h không vượt quá 20% so với h∞ 31 31 C Phương pháp bù hằng số thời gian tổng của. .. TD P ) p T1* p (3.3) Chất lượng của hệ thống phụ thuộc vào các tham số Kp, T1, TD của bộ điều khiển Muốn hệ thống có chất lượng như mong muốn ta phải phân tích đối tượng rồi trên cơ sở đó lựa chọn bộ tham số thích hợp Bộ điều khiển PID Đối tượng w(t) e(t) u(t) y(t) Hình 3.2 Hệ thống với bộ điều khiển PID Hiện nay có rất nhiều phương pháp xác định tham số cho bộ điều khiển PID, song phổ biến hơn cả... tích hợp sẵn trong phần mềm STEP7 FB42 “CON_S” được sử dụng trên cơ sở Simatic- 300/400 để điều khiển các đối tượng kỹ thuật với đầu ra của bộ điều khiển tín hiệu số Một phần trong các chức năng của modul mềm này là đóng vai trò của một bộ điều khiển PI có các giá trị và tín hiệu đầu ra số đặt bằng tay Làm việc ở chế độ này bộ điều khiển bước không cần đến tín hiệu hồi tiếp Sơ đồ cấu trúc khối FB42 19... năng 11 11 STEP7 là một bộ chương trình phần mềm chuẩn sử dụng để đặt cấu hình và lập trình cho SIMATIC PLC Nó là một phần mềm công nghiệp có các version STEP7 Micro/ DOS, STEP7 Micro/Win cho S7-200; STEP7 cho S7-300 1.4.2 Bộ chương trình STEP7 chuẩn (STEP7 Standard Package) Bộ chương trình STEP7 chuẩn hỗ trợ nhiều chức năng trong toàn bộ các mặt của một quá trình tạo một nhiệm vụ điều khiển tự động Chức... hằng số thời gian tổng của Kuhn * Phương pháp tối ưu độ lớn và tối ưu đối xứng Bộ PID số được mô tả qua phương trình sai phân sau: uk= uk-1+roek+r1ek-1+r2ek-2 Hoặc là bằng hàm truyền đạt gián đoạn 26 26 (3.5) r0 + r1 z −1 + r2 z −2 W(z) = 1 + z −1 (3.6) Một trong những ứng dụng của bộ điều khiển PID trong điều khiển thích nghi và điều khiển mờ là thường xuyên phải chỉnh định lại cá tham số của nó... không có độ quá điều chỉnh, hàm h(t) của nó đi từ 0 và có dạng chữ S Các đối tượng có thể được mô tả một cách tổng quát bởi hàm truyền đạt Wd ( p ) = k (1 + T1l p )(1 + T2l p ) ( 1 +T mlp ) e − pT m m m (1 + T1 p) + (1 + T2 p) + + (1 + Tn p) với m . người được gọi là hệ thống điều khiển tự động. Điều khiển quá trình được hiểu là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ, nhằm đảm bảo. gồm một bộ điều khiển tác động lên một đối tượng điều khiển và được gọi là hệ thống điều khiển vòng hở (open loop). Đáp ứng mong muốn ra ĐT ĐK 6 6 Bộ điều khiển Hình 1.2 Hệ thống điều khiển. bị. Nội dung đề tài đề cập vào một số vấn đề sau: • Nghiên cứu thiết bị điều khiển logic khả trình PLC và phần mềm STEP7 của hệ PLC SIMATIC S7-300 (Chương I). • Nghiên cứu đặc điểm, cấu trúc, nguyên