LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN ĐỐI TƯỢNG NHIỆT BẰNG MODULE MỀMC ỦA PHẦN MỀM STEP7

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THỊ THÚY ĐIỀU KHIỂN ĐỐI TƯỢNG NHIỆT BẰNG MODULE MỀM CỦA PHẦN MỀM STEP7 CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HOÁ MÃ SỐ: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN – NĂM 2014 Luận văn được hoàn thành tại: Trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên Người hướng dẫn khoa học: GS.TS. PHAN XUÂN MINH Phản biện 1:……………………………. Phản biện 2:……………………………. Luận văn sẽ được bảo vệ tại hội đồng chấm luận văn họp tại Trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái nguyên Vào ngày…. Tháng… năm… 1 MỞ ĐẦU 1. Mục tiêu của luận văn Hiện nay, các thiết bị điều khiển quá trình như các hệ PLC, DCS được sử dụng rất nhiều trong công nghiệp. Ưu 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 như các tham số rất linh hoạt. Để giúp cho công tác đào tạo tại Trường 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 trường 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 tượng công nghiệp (cụ thể là đối tượng nhiệt) bằng các thiết bị và công cụ phần mềm của Trường Đại học Công nghiệp Thái Nguyên. 2. Mục tiêu nghiên cứu Trang bị cho học viên các kiến thức và phương pháp mô hình hóa đối tượng 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 tượng điều khiển tuyến tính với độ chính xác tương 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 phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID, khả năng phân tích và lựa chọn phương pháp thiết kế phù hợp cho đối tượng điều khiển. 2 CHƯƠNG 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 được trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên trang bị cho phòng thí nghiệm chuyên ngành điều khiển tự động có cấu tạo như sau: Hình 1.1: Mô hình hệ thống thí nghiệm điều khiển gia nhiệt CRT 916921 Mô hình bao gồm các khối: + Bình gia nhiệt: dùng để chứa nước sau khi gia nhiệt + Dây điện trở dùng để gia nhiệt: Dây điện trở nhận điện áp từ mạch công suất có dải trong khoảng từ 0V đến 220V, nó sẽ đốt nóng và làm cho nước trong bình gia nhiệt tăng lên theo yêu cầu của bài toán. + Cảm biến đo nhiệt độ: Để đo nhiệt độ, dùng cảm biến PT 100 (RTD) được cấu tạo từ kim loại Platinum và quấn tùy theo hình dáng của đầu dò nhiệt có giá trị điện trở khi ở 0 0 C là 100 Ohm, đây là một loại cảm biến thụ động nên khi sử dụng cần một nguồn ngoài ổn định, có dải đo từ 50 0 C đến 200 0 C. PT100 + Mạch biến đổi điện áp AC/AC: có nhiệm vụ nhận tín hiệu điều khiển đặt vào các van T1 và T2, sau đó biến đổi điện áp đầu ra trong dải từ 0V đến 220V để cung cấp cho dây điện trở dùng gia nhiệt. + Bộ chuyển đổi AD/DA – Dùng cho điều khiển bằng máy tính: Bộ chuyển đổi có nhiệm vụ đọc tín hiệu đo, thông qua chuyển đổi ADC để đưa vào máy tính thông qua cổng RS232. Sau đó, tín hiệu điều khiển từ máy tính thông qua bộ DAC để xuất ra điều khiển đối tượng. Tuy nhiên, trong đề tài do có sử dụng bộ PLC S7-300 nên ta không cần thông qua bộ giao tiếp này. + Máy bơm: Hai bơm (pump1 và pump2) dùng để bơm nước lạnh vào bình gia nhiệt (coi là nhiễu phụ tải), lượng nước bơm vào phụ thuộc vào độ mở van tính theo phần trăm (0% đến 100%) của van Noise. 3 Hình 1.3: Mô hình hệ thống gia nhiệt + Bồn chứa nước + Hai van điện từ + Màn hình hiển thị nhiệt độ sử dụng LED 7 thanh + Máy tính 1.2. Quy trình hệ thống gia nhiệt và các yêu cầu Tín hiệu nhiệt độ phản hồi về (được quy đổi sang dải từ 0 đến 5V – tương ứng từ 0% đến 100%) được so sánh với tín hiệu nhiệt độ đặt (được quy đổi từ 0% đến 100%), sai lệch tín hiệu điều khiển được đưa đến bộ điều khiển PID, dựa trên thuật toán của bộ điều khiển, sẽ xuất ra tín hiệu điều khiển tương ứng có dải từ 0V đến 5V đưa 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 tương ứng 220V và nếu tín hiệu 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 nước lạnh từ bồn chứa (coi là nhiễu phụ tải) được bơm vào trong bình gia nhiệt thông qua máy bơm nước được điều khiển ON/OFF bằng tay. Lưu lượng nước vào được điều khiển thông qua 2 van điện từ 1 và 2. Bình gia nhiệt là loại bình tự tràn (khi nước đầy thì nó được thoát ra theo đường ống đặt bên trên miệng bình). Các biến quá trình như sau: 4 - Biến vào: Nhiệt độ đặt được 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 lưu AC/AC biến đổi điện áp đặt vào điện trở gia nhiệt có dải từ 0V – 220V - Biến ra: Nhiệt độ đầu ra của bình gia nhiệt được xác định từ sensor nhiệt PT 100 có dải từ - 20 0 C đến 200 0 C và thông qua một mạch chuyển đổi chuẩn hóa đầu ra từ 0V đến 5V. - Nhiễu tải: Là độ mở của hai van điện từ để tăng lưu lượng nước vào bình gia nhiệt (van từ được đóng mở ON/OFF bằng tay) Theo đó, các yêu cầu về gia nhiệt được cho như sau: - Sai số tuyệt đối của phép đo nhiệt độ đo nằm trong khoảng ±1 0 C - Độ quá điều chỉnh trong quá trình gia nhiệt: 10% nhiệt độ đặt - Sai lệch khi hê thống ở trạng thái xác lập: ± 5% nhiệt độ đặt - Thời gian gia nhiệt (thời gian đáp ứng): Tối đa là 60 giây sau khi bắt đầu gia nhiệt. Việc nhận dạng hệ thống sẽ được tiến hành qua các bước sau: - Lấy số liệu thực nghiệm - Sử dụng Toolbox Indenfication trong Matlab để tiến hành nhận dạng 1.3. Tìm hiểu Toolbox Identification của Matlab Nhận dạng đối là một trong những bước đầu tiên và quan trọng để thực hiện quá trình thiết kế điều khiển cho đối tượng. Sau khi thu thập được dữ liệu vào ra theo thời gian hoặc là phổ tín hiệu của đối tượng nhiệm vụ của việc nhận dạng đối tượng là tìm mô hình toán học, hàm truyền đạt thích hợp mô tả gần đúng nhất đối tượng thực. Để dễ dàng cho quá trình nhận dạng thì trong matlab có toolbox system identification toolbox để giúp chúng ta thực hiện dễ dàng trực quan, nhanh chóng. Các bước thực hiện quá trình nhận dạng được tiến hành như sau: Bước 1: Chuẩn bị dữ liệu nhận dạng Bước 2: Mở System Identification Tool GUI, gõ lệnh. >>ident Bước 3: Nhập dữ liệu trong miền thời gian vào công cụ nhận dạng: Bước 4: Vẽ và tiền xử lý dữ liệu. Bộ tiền xử lý sẽ loại bỏ giá trị trung bình và tự động đặt thêm ký tự d. Di chuyển mô hình iddatad thả vào working data để tiếp tục nhận dạng mô hình. Chọn Time plot để xem hình vẽ của cả bộ dữ liệu gốc và bộ dữ liệu mới đã loại bỏ giá trị trung bình. 5 Hình 1.8: Hình vẽ của bộ dữ liệu gốc và mới Chia dữ liệu iddatad thành 2 phần, một phần iddatade để ước lượng mô hình, phần còn lại iddatadv dùng để so sánh. Sử dụng lệnh trong Matlab: data1e = data2(1:a(:,1)/2);a=size(u) data1v = data2((a(:,1)/2+1):a(:,1)); Hình 1.9: Bộ dữ liệu iddatade Hình 1.11: Hình vẽ bộ dữ liệu iddatade 6 Hình 1.12: Bộ dữ liệu iddatadv Hình 1.14: Hình vẽ bộ dữ liệu iddatade Di chuyển identdatade vào mục Working Data để tiến hành ước lượng mô hình và di chuyển identdatadv vào mục Validation Data (Xác nhận dữ liệu) để so sánh mô hình. Bước 5: Ước lượng mô hình: Để ước lượng mô hình tự động và nhanh chóng ta chọn Estimateà Quick start. Kết quả thu được các mô hình ở các ô bên phải giao diện. Sử dụng lệnh: ARX2u1y1=arx(data1e,[2 2 1]) Chọn Model output để xem độ fit – độ phù hợp của mô hình Hình 1.18: Đồ thị so sánh mô hình ARX ước lượng theo phương pháp LSE Bước 6: Di chuyển ARX221 vào mục To Workspace để xem mô hình toán học: Bước 7: Di chuyển ARX221 vào mục LTI view để xem đáp ứng của mô hình ARX221: 1.4. Nhận dạng hệ thống gia nhiệt sử dụng Toolbox Indenfication 7 1.4.1. Thu thập số liệu Do ta có thể tách riêng phần điều khiển và đối tượng gia nhiệt. Vì vậy mà dữ liệu sẽ được thu thập theo phương 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 được ghi nhận với chu kỳ lấy mẫu là 200ms. Các dữ liệu sau khi được thu thập cần phải loại bỏ giá trị trung bình để thực hiện nhận dạng. Việc thu thập số liệu được lấy trực tiếp trên giao diện điều khiển sử dụng phần mềm WinCC và thông số được lưu sang file.dat 1.4.2. Tiến hành nhận dạng sử dụng Toolbox Indenfication - Tập dữ liệu vào/ ra được thu thập có dạng như sau: Ta sử dụng bộ số liệu data1 để nhận dạng và kiểm chứng mô hình gia nhiệt. Bộ số liệu này gồm 1294 mẫu, ta chia làm hai phần, phần 1 từ [1: 647] sẽ dùng để ước lượng. Từ [648:1294] sẽ sử dụng để kiểm chứng. Việc đóng gói dữ liệu và loại bỏ giá trị trung bình cho các biến vào ra xem phụ lục 1 kèm theo. - Loại bỏ giá trị trung bình đầu vào/ đầu ra: 8 - Chia bộ số liệu làm hai phần: một phần dùng để ước lượng, một phần dùng để kiểm chứng: * Dữ liệu dùng để nhận dạng – ước lượng: * Dữ liệu dùng để kiểm tra: - Mô hình hệ thống gia nhiệt thu được theo phương pháp ARX Từ mô hình toán học của hệ thống QGCP sau khi nhân dạng bằng công cụ System Identification Toolbox là: ARX2u1y1 = Discrete-time ARX model: A(z)y(t) = B(z)u(t) + e(t) A(z) = 1 - 1.937z^-1 + 0.9371z^-2 B(z) = -6.453e-05z^-1 + 7.494e-05z^-2 Sample time: 0.02 seconds 2515 21 10*494.710*453.6)( 9371.0937.11)( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( −−−− −− +−= −−= + = qqqB qqqA t e t u q B t y q A Để chuyển từ miền rời rạc sang miền liên tục để tìm hàm truyền đối tượng gia nhiệt ta sử dụng lệnh trong matlab: [...]... tượng gia nhiệt Thực hiện tổng hợp bộ điều khiển, mô phỏng kiểm chứng và so sánh chất lượng hệ thống điều khiển thiết bị gia nhiệt để từ đó lựa chọn được bộ điều khiển phù hợp nhất cho đối tượng gia nhiệt - Tìm hiểu PLC S7-300, phần mềm STEP 7 và WinCC Tổng hợp bộ điều khiển cho thiết bị gia nhiệt bằng các Module điều khiển quá trình của STEP 7 - Cài đặt phần mềm thiết kế và chạy trên hệ thống gia nhiệt. .. điểm làm việc Do đó ta nên sử dụng bộ điều khiển mờ (FLC) hoặc bộ điều khiển mờ lai để điều khiển đối tượng gia nhiệt trên vì ưu điểm của bộ điều khiển FLC là không cần biết chính xác mô hình đối tượng - Hệ điều khiển gia nhiệt trên có thể áp dụng phương pháp điều khiển dự báo (MPC), lúc này mô hình của đối tượng sẽ được nhận dạng oline và chất lượng của hệ thống gia nhiệt sẽ được nâng cao và cải thiện... pháp IMC IMC là một phương pháp thiết kế bộ điều khiển mà trong thành phần bộ điều khiển có sự tham gia của mô hình đối tượng điều khiển [1] Cấu trúc của hệ thống điều khiển tổng hợp bằng phương 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 tượng điều khiển G IMC ( s ) Hình 2.1 Mô hình điều khiển sử dụng IMC G IMC (s) Hình 2.2 Mô... quá điều chỉnh không quá 5% và thời gian quá độ khoảng 3 giây Dựa trên những kết quả nghiên cứu , tác giả sẽ cài đặt bộ điều khiển được thiết kế bằng phương pháp tối ưu mô đun để điều khiển thiết bị gia nhiệt Việc lựa chọn giải pháp kỹ thuật và lập trình điều khiển bằng thiết bị điều khiển logic khả trình PLC sẽ được thực hiện ở chương tiếp theo 16 CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG GIA NHIỆT... thống điều khiển thiết bị gia nhiệt được minh họa ở hình 2.6 Hình 2.6: Đặc tính quá độ hệ thống điều khiển đối tượng gia nhiệt theo PI Chất lượng hệ thống điều khiển đạt được với độ quá điều chỉnh khoảng 4,6% và thời gian quá độ khoảng 3 giây Trong 4 phương pháp thiết kế được lựa chọn để nghiên cứu, phương pháp tối ưu mô đun cho chất lượng điều khiển tốt nhất Hệ thống điều khiển thiết kế bằng phương... thể tăng 700C, bộ điều khiển tác động tín hiệu điều khiển làm cho nhiệt độ bình gia nhiệt tăng lên sau khoảng thời gian là 150 giây - Khi có nhiễu phụ tải tác động cụ thể tăng thêm 30% lượng nước lạnh bơm vào bình gia nhiệt, là cho nhiệt độ trong bình giảm xuống, tuy nhiên do tác động của bộ điều khiển làm cho nhiệt độ trong bình gia nhiệt tăng lên bằng nhiệt độ đặt, - Cả hai điều trên chứng tỏ tính... nghiệm rất dễ dàng thực hiện mà không cần biết chính xác mô hình đối tượng, thay vào đó là ta phải xác định được các tham số đặc trưng của đối tượng điều khiển bằng phương pháp thực nghiệm Các tham số cần xác định từ thực nghiệm là: Hệ số khuếch đại của đối tượng K, hằng số thời gian tổng nhỏ nhất Ts Nếu có mô hình hàm truyền của đối tượng, ta có thể xác định các tham số này từ mô hình với 12 m Ts... bộ điều khiển theo Kuhn Theo bảng 1, ta có bộ điều khiển PID cho hệ thống gia nhiệt: 1 (2.8) G dk ( s ) = G PID ( s ) = 0 ,3739 (1 + + 62 , 49 s ) 257 , 69 s Đặc tính quá độ của hệ thống điều khiển thiết kế theo phương pháp tổng Kuhn được 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 được chất lượng của... − LO _ LIM 3.2.3 Module điều khiển PID gồm có: 3.2.3.1 PID liên tục tục FB41 Sơ đồ cấu trúc: FB41”CONT_C” được sử dụng để điều khiển các quá trình kỹ thuật với các biến đầu vào và ra tương tự như trên cơ sở thiết bị khả trình Simatic Trong khi thiết lập tham số, có thể tích cực hoặc không tích cực một số thành phần chức năng của bộ điều khiển PID cho phù hợp với đối tượng 3.2.3.2 Bộ điều độ rộng xung... gia nhiệt trong phòng thí nghiệm của trường ĐHKTCN Thái Nguyên Chất lượng hệ thống thực hoàn toàn phù hợp với các kết quả mô phỏng kiểm chứng ở chương 2 Hướng nghiên cứu phát triển của luận văn là có thể nghiên cứu thêm một vài phương pháp điều khiển khác cũng phù hợp với đối tượng nhiệt như: - Vì việc nhận dạng đối tượng chỉ tại một điểm cụ thể cho nên mô hình đối tượng chỉ chính xác xung quanh điểm