Điều khiển đối tượng nhiệt bằng Module Pid mềm của phần mềm Step 7

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THỊ THÖY ĐIỀU KHIỂN ĐỐI TƢỢNG NHIỆT BẰNG MODULE PID MỀM CỦA PHẦN MỀM STEP7 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA THÁI NGUYÊN - NĂM 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THỊ THÖY ĐIỀU KHIỂN ĐỐI TƢỢNG NHIỆT BẰNG MODULE MỀM CỦA PHẦN MỀM STEP7 CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA MÃ SỐ: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT KHOA CHUYÊN MÔN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TRƢỞNG KHOA GS.TS. PHAN XUẤN MINH PHÕNG QUẢN LÝ ĐT SAU ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN - NĂM 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Nguyễn Thị Thúy Sinh ngày 05 tháng 12 năm 1976 Học viên lớp Cao học khóa 14 - Tự động hóa - Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Hiện đang công tác tại: Trƣờng Cao đẳng nghề Yên Bái Tôi xin cam đoan đây là toàn bộ nội dung luận văn “Điều khiển đối tƣợng nhiệt bằng module PID của phần mềm Step7” đƣợc GS.TS Phan Xuân Minh hƣớng dẫn; các tài liệu tham khảo đã đƣợc chỉ ra trong luận văn. Các số liệu nêu trong luận văn là trung thực. Những kết luận khoa học của luận văn chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào. Tôi xin cam đoan nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm./. Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014 Tác giả Nguyễn Thị Thúy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực hiện luận văn, tác giả đã nhận đƣợc sự quan tâm rất lớn của nhà trƣờng, các khoa, phòng chức năng, các thầy cô giáo và đồng nghiệp. Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng quản lý đào tạo sau đại học, các giảng viên Trƣờng Đại học Công nghiệp Thái Nguyên, đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này. Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến GS.TS Phan Xuân Minh đã tận tình hƣớng dẫn trong quá trình thực hiện luận văn. Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô giáo ở phòng thí nghiệm đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tác giả hoàn thành thí nghiệm trong điều kiện tốt nhất. Mặc dù đã rất cố gắng, song do thời gian nghiên cứu có hạn, nên có thể luận văn vẫn còn những thiếu sót. Rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn đƣợc hoàn thiện và có ý nghĩa ứng dụng trong thực tế. Xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014 Tác giả Nguyễn Thị Thúy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN iv DANH MỤC SƠ ĐỒ, BẢNG BIỂU vii MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1: NHẬN DẠNG HỆ THỐNG GIA NHIỆT 2 1.1. Giới thiệu mô hình hệ thống gia nhiệt 2 1.1.1. Bình gia nhiệt 3 1.1.2. Dây điện trở dùng để gia nhiệt 3 1.1.3. Cảm biến đo nhiệt độ 3 1.1.4. Mạch biến đổi xoay chiều xoay chiều 1 pha 4 1.1.5. Bộ chuyển đổi AD/DA – Dùng cho điều khiển bằng máy tính 5 1.1.6. Máy bơm và hai van điện từ 6 1.2. Quy trình hệ thống gia nhiệt và các yêu cầu 6 1.3. Tìm hiểu Toolbox Identification của Matlab 8 1.4. Nhận dạng hệ thống gia nhiệt sử dụng Toolbox Indenfication 16 1.4.1. Thu thập số liệu 16 1.4.2. Tiến hành nhận dạng sử dụng Toolbox Indenfication 17 Kết luận chƣơng 1 21 CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG GIA NHIỆT 22 2.1. Phƣơng pháp IMC 22 2.2. Phƣơng pháp hằng số thời gian tổng của Kuhn 24 2.3. Phƣơng pháp Ziegler- Nichols 1 25 2.4. Phƣơng pháp tối ƣu mô dun 27 Kết luận chƣơng 2 29 CHƢƠNG 3: TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG GIA NHIỆT 30 BẰNG PLC S7-300 30 3.1. Lựa chọn giải pháp kỹ thuật 30 3.2. Module điều khiển quá trình của phần mềm STEP 7 33 3.2.1 Modul xử lý tín hiệu đo FC105 33 3.2.2 Modul xử lý tín hiệu ra FC106 34 3.2.3 Module điều khiển PID 35 3.3 Lập trình và cài đặt bộ điều khiển PID cho hệ thống gia nhiệt 40 3.3.1. Khởi động phần mền SIMATIC 40 3.3.2 Cài đặt giao thức truyền thông cho PLC 40 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vi 3.3.3. Xây dựng phần cứng cho PLC, cài đặt thời gian chƣơng trình ngắt 41 3.3.4. Định địa chỉ vào ra cho module analog 42 3.3.5. Khởi tạo chƣơng trình chính OB1, chƣơng trình ngắt OB35 . 43 3.3.6. Lập trình chƣơng trình cho OB35 và OB1 46 3.4 Lập trình giao diện ngƣời máy trên nền WinCC 49 3.4.1. Các bƣớc để tạo một Project mới với WinCC 49 3.4.2. Giới thiệu sơ lƣợc các bƣớc 49 3.5 Kết quả thực nghiệm 55 Kết luận chƣơng 3 60 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vii DANH MỤC SƠ ĐỒ, BẢNG BIỂU Hình 1.1: Mô hình hệ thống thí nghiệm điều khiển gia nhiệt CRT 916921 2 Hình 1.2: Bình gia nhiệt……………………………………………………………………… 3 Hình 1.3: Dây điện trở……………………………………………… ………………………3 Hình 1.4: Cảm biến đo nhiệt độ…………………………………………………………… …4 Hình 1.5: Bộ giao tiếp AD/DA 5 Hình 1.6: Mô hình hệ thống gia nhiệt 6 Hình 1.7: Cửa sổ mô hình nhận dạng 8 Hình 1.8 : Nhập đối tƣợng vào công cụ nhận dạng 9 Hình 1.9: Loại bỏ giá trị trung bình 9 Hình 1.10: Di chuyển mô hình iddatad thả vào working data 10 Hình 1.11: Hình vẽ của bộ dữ liệu gốc và mới 10 Hình 1.12: Bộ dữ liệu iddatade 11 Hình 1.13: Mô hình ƣớc lƣợng iddatade 11 Hình 1.14: Hình vẽ bộ dữ liệu iddatade 12 Hình 1.15: Bộ dữ liệu iddatadv 12 Hình 1.16: Mô hình ƣớc lƣợng iddatadv 13 Hình 1.17: Hình vẽ bộ dữ liệu iddatade 13 Hình 1.18: Di chuyển identdata de và identdata dv vào các vùng làm việc 14 Hình 1.19: Ƣớc lƣợng mô hình 14 Hình 1.20: Đáp ứng tần số 15 Hình 1.21: Đồ thị so sánh mô hình ARX ƣớc lƣợng theo phƣơng pháp LSE 15 Hình 1.22: Mô hình toán học của ARX221 16 Hình 2.1. Mô hình điều khiển sử dụng IMC 22 Hình 2.2. Mô hình biến đổi tƣơng đƣơng 23 Hình 2.3: Đặc tính quá độ của hệ thống điều khiển bằng phƣơng pháp IMC 24 Hình 2.4: Đặc tính quá độ của hệ thống điều khiển bằng phƣơng pháp Kuhn 25 Bảng 2.2: Thiết kế bộ điều khiển theo Ziegler- Nichols 1 26 Hình 2.5: Đặc tính quá độ hệ thống điều khiển đối tƣợng gia nhiệt 26 theo Ziegler-Nichols 26 Bảng 2.3: Tổng hợp bộ điều khiển tố ƣu mô dun 27 Hình 2.6: Đặc tính quá độ hệ thống điều khiển 28 đối tƣợng gia nhiệt theo PI 28 Hình 3.1: Mô hình điều khiển hệ thống gia nhiệt sử dụng S7- 300 30 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ viii Hình 3.2.Giao diện WinCC cho hệ thống gia nhiệt sử dụng S7- 300 55 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT PLC Programmable Logic Control ARX Auto Regressive eXternal FLC Fuzzy Logic Controller DCS Distributed Control System MPC Model Based Predictive Controller 1 MỞ ĐẦU 1. Mục tiêu của luận văn Hiện nay, các thiết bị điều khiển quá trình nhƣ các hệ PLC, DCS đƣợc sử dụng rất nhiều trong công nghiệp. Ƣu điểm cơ bản của hệ thống thiết bị này là tính tiện ích trong việc tích hợp hệ thống tự động hóa do ngoài cung cấp các thiết bị phần cứng, các hãng còn cung cấp các phần mềm hỗ trợ cho công việc tích hợp hệ thống. Trong điều khiển quá trình, các hệ thống tự động hóa tích hợp trên cơ sở các thiết bị này có độ bền cao, ít hỏng hóc và khả năng thay đổi chế độ công tác cũng nhƣ các tham số rất linh hoạt. Để giúp cho công tác đào tạo tại Trƣờng Cao đẳng nghề Yên Bái trong lĩnh vực tự động hóa, kết hợp với việc khai thác các thiết bị phục vụ giảng dạy của trƣờng Đại học Công nghiệp Thái Nguyên, học viên chọn đề tài: “Điều khiển đối tượng nhiệt bằng module PID mềm của phần mềm STEP7” Với đề tài này học viên có cơ hội tìm hiểu về thiết bị PLC của hãng Siemens, thực hành thiết kế và lập trình hệ thống điều khiển tự động cho đối tƣợng công nghiệp (cụ thể là đối tƣợng nhiệt) bằng các thiết bị và công cụ phần mềm của Trƣờng Đại học Công nghiệp Thái Nguyên. 2. Mục tiêu nghiên cứu Trang bị cho học viên các kiến thức và phƣơng pháp mô hình hóa đối tƣợng bằng thực nghiệm. Sử dụng thành thạo công cụ nhận dạng hệ thống của phần mềm Matlab Simulink (Identification Tool) để mô hình hóa đối tƣợng điều khiển tuyến tính với độ chính xác tƣơng đối cao. Khai thác sử dụng thành thạo các module điều khiển quá trình của STEP7 và nâng kỹ năng lập trình hệ thống điều khiển. Về lý thuyết trang bị cho học viên các phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển PID, khả năng phân tích và lựa chọn phƣơng pháp thiết kế phù hợp cho đối tƣợng điều khiển. 3. Nội dung luận văn Nội dung luận văn gồm 3 chƣơng: Chƣơng I: Nhận dạng hệ thống gia nhiệt Chƣơng II: Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống gia nhiệt Chƣơng III: Tổng hợp bộ điều khiển cho hệ thống gia nhiệt bằng PLC S7-300 2 CHƢƠNG 1: NHẬN DẠNG HỆ THỐNG GIA NHIỆT 1.1. Giới thiệu mô hình hệ thống gia nhiệt Hệ thống thí nghiệm điều khiển gia nhiệt CRT 916921 đã đƣợc trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên trang bị cho phòng thí nghiệm chuyên ngành điều khiển tự động có cấu tạo nhƣ sau: Hình 1.1: Mô hình hệ thống thí nghiệm điều khiển gia nhiệt CRT 916921 Mô hình bao gồm các khối nhƣ sau: + Bình gia nhiệt + Dây điện trở dùng để gia nhiệt + Cảm biến đo nhiệt độ + Mạch biến đổi điện áp AC/AC + Bộ chuyển đổi AD/DA + Máy bơm + Bồn chứa nƣớc + Hai van điện từ + Màn hình hiển thị nhiệt độ sử dụng LED 7 thanh + Máy tính Trong đó các khối có chức năng nhƣ sau: [...]... Tín hiệu nhiệt độ đặt Đối tượng gia nhiệt Bộ điều khiển PID Tín hiệu điều khiển 0V-5V Nhiễu tải Điện áp 0V- 220 V Nhiệt độ đầu ra của bình gia nhiệt - Biến vào: Nhiệt độ đặt đƣợc quy ra phần trăm từ 0% – 100% - Biến điều khiển: Điện áp điều khiển lấy từ đầu ra của bộ PID có dải từ 0V đến 5V Thông qua bộ chỉnh lƣu AC/AC biến đổi điện áp đặt vào điện trở gia nhiệt có dải từ 0V – 220V - Biến ra: Nhiệt độ... bộ điều khiển theo Kuhn Theo bảng 1, ta có bộ điều khiển PID cho hệ thống gia nhiệt: Gdk ( s)  GPID ( s)  0, 373 9(1  1  62,49s) 2 57, 69s (2.8) Đặc tính quá độ của hệ thống điều khiển thiết kế theo phƣơng pháp tổng Kuhn đƣợc biểu diễn tại (hình 2.4) Hình 2.4: Đặc tính quá độ của hệ thống điều khiển bằng phương pháp Kuhn Từ độ đặc tính quá độ của hệ kín ta xác định đƣợc chất lƣợng của hệ thống điều khiển: ... pháp thiết kế bộ điều khiển mà trong thành phần bộ điều khiển có sự tham gia của mô hình đối tƣợng điều khiển [1] Cấu trúc của hệ thống điều khiển tổng hợp bằng phƣơng pháp IMC (hình 2.1) Trong (hình 2.2) là sự biến đổi sơ đồ cấu trúc trong (hình 2.1) để tách riêng bộ điều khiển và đối tƣợng điều khiển R(t) G IMC ( s ) ĐTĐK G(s) Hình 2.1 Mô hình điều khiển sử dụng IMC 23 G IMC ( s ) ĐTĐK G(s) Hình 2.2... hiệu nhiệt độ đặt (được quy đổi từ 0% đến 100%), sai lệch tín hiệu điều khiển đƣợc đƣa đến bộ điều khiển PID, dựa trên thuật toán của bộ điều khiển, sẽ xuất ra tín hiệu điều khiển tƣơng ứng có dải từ 0V đến 5V đƣa đến bộ biến đổi AC/AC, bộ biến đổi sẽ biến đổi điện áp từ 0 đến 220V tùy theo độ lớn của tín hiệu điều khiển, nếu tín hiệu điều khiển là 0V thì điện áp đầu ra tƣơng ứng 220V và nếu tín hiệu điều. .. ta đƣợc tham số của bộ điều khiển PID cho hệ thống gia nhiệt: Gdk ( s)  GPID ( s)  469 ,72 92(1  1  0,1542s) 0 ,77 08s (2.9) Đặc tính quá độ của hệ đƣợc biểu diễn ở hình 2.5 Hình 2.5: Đặc tính quá độ hệ thống điều khiển đối tượng gia nhiệt theo Ziegler-Nichols 27 Cũng giống nhƣ phƣơng pháp IMC, vì thời gian chậm trễ quá nhỏ nên phƣơng pháp thiết kế này không phù hợp Bộ điều khiển và các tham số lựa... Nhiễu tải Đối tượng gia nhiệt Tín hiệu điều khiển 0V-5V Điện áp 0V- 220 V Nhiệt độ đầu ra của bình gia nhiệt Do ta có thể tách riêng phần điều khiển và đối tƣợng gia nhiệt Vì vậy mà dữ liệu sẽ đƣợc thu thập theo phƣơng pháp nhận dạng trực tiếp vòng hở Việc thu thập dữ liệu bắt đầu bằng việc thay đổi điểm đặt của tín hiệu điều khiển một cách ngẫu nhiên và các thay đổi của biến đầu ra đƣợc ghi nhận với chu... KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG GIA NHIỆT Trong chƣơng 1, mô hình toán học của thiết bị gia nhiệt đã đƣợc xác định bằng phƣơng pháp thực nghiệm và đƣợc biểu diễn bằng mô hình hàm truyền sau đây: 2, 674 8 G( s)  e0.3083s (2.1) 322,8051s  1 Đó là lớp đối tƣợng quán tính bậc 1 có trễ Trong chƣơng này, một số phƣơng pháp tổng hợp bộ điều khiển cho lớp đối tƣợng này sẽ đƣợc quan tâm nghiên cứu Bộ điều khiển. .. điều khiển là 5V thì điện áp đầu ra là 0V Dây điện trở gia nhiệt nhận điện áp từ bộ biến đổi xoay chiều xoay chiều để đốt nóng và làm cho nhiệt độ bình chứa tăng Trong quá trình gia nhiệt thì nƣớc lạnh từ bồn chứa (coi là nhiễu phụ tải) đƣợc bơm vào trong bình gia nhiệt thông qua máy bơm nƣớc đƣợc điều khiển ON/OFF bằng tay Lƣu lƣợng nƣớc vào đƣợc điều khiển thông qua 2 7 van điện từ 1 và 2 Bình gia nhiệt. .. G-1(s)GLOC(s) Áp dụng cho hệ thống gia nhiệt với đối tƣợng xấp xỉ về dạng 2, 674 8 G( s)  (1  322,8051s)(1  0,3083s) Ta có bộ điều khiển GIMC(s) theo công thức (2.3): (1  322,8051s) GIMC ( s)  G 1 ( s)GLOC ( s)   GPD ( s) 2, 674 8 (2.2) (2.3) (2.4) (2.5) Và bộ điều khiển của hệ thống gia nhiệt theo công thức (2.2): Gdk ( s)  GIMC ( s).G ( s) 1  391,805(1   0,31s)  GPID ( s) 1  GIMC ( s).G ( s) 323.11s... biết chính xác mô hình đối tƣợng, thay vào đó là ta phải xác định đƣợc các tham số đặc trƣng của đối tƣợng điều khiển bằng phƣơng pháp thực nghiệm Các tham số cần xác định từ thực nghiệm là: Hệ số khuếch đại của đối tƣợng K, hằng số thời gian tổng nhỏ nhất Ts Nếu có mô hình hàm truyền của đối tƣợng, ta có thể xác định các tham số này từ mô hình với m Ts  T Dj j 1 n T   i 1 (2 .7) i Trong đó, TDj . NGUYỄN THỊ THÖY ĐIỀU KHIỂN ĐỐI TƢỢNG NHIỆT BẰNG MODULE PID MỀM CỦA PHẦN MỀM STEP7 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA . các thiết bị phục vụ giảng dạy của trƣờng Đại học Công nghiệp Thái Nguyên, học viên chọn đề tài: Điều khiển đối tượng nhiệt bằng module PID mềm của phần mềm STEP7 ” Với đề tài này học viên có. THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THỊ THÖY ĐIỀU KHIỂN ĐỐI TƢỢNG NHIỆT BẰNG MODULE MỀM CỦA PHẦN MỀM STEP7 CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA MÃ SỐ: 60520216 LUẬN