Đề tài Điều khiển và giám sát lò nhiệt PID bằng PLC s7300

PHẦN GIỚI THIỆU CÁC ĐỐI TƯỢNG LIÊN QUAN CHƯƠNG : GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ VÀ NHIỆM VỤ LUẬN VĂN 1.1 Giới thiệu nhiệt độ phương pháp điều khiển : Nhiệt độ đại lượng vật lý diện khắp nơi nhiều lĩnh vực, cơng nghiệp sinh hoạt Nhiệt độ trở nên mối quan tâm hàng đầu cho nhà thiết kế máy điều khiển nhiệt độ trở thành mục tiêu ngành Điều Khiển Tự Động Trong nhiều lĩnh vực kinh tế, vấn đề đo kiểm sốt nhiệt độ q trình khơng thể thiếu được, cơng nghiệp Đo nhiệt độ cơng nghiệp ln gắn liền với quy trình cơng nghệ sản xuất , việc đo kiểm sốt nhiệt độ tốt định nhiều đến chất lượng sản phẩm ngành cơng nghiệp thực phẩm, luyện kim, xi măng, gốm sứ, cơng nghiệp chế tạo động đốt Tùy theo tính chất , u cầu q trình mà đòi hỏi phương pháp điều khiển thích hợp Tính ổn định xác nhiệt độ đòi hỏi đặt vấn đề cần phải giải Một điều thực cần thiết ta phải khảo sát kỹ đối tượng cung cấp nhiệt mà ta cần phải điều khiển để dẫn đến mơ hình tốn học cụ thể Từ giải tốn điều khiển sở lý thuyết nghiên cứu sẳn Hệ thống điều khiển nhiệt độ phân làm hai loại : hệ thống điều khiển hồi tiếp (feedback control system) hệ thống điều khiển (sequence control system)  Điều khiển hồi tiếp thường xác định giám sát kết điều khiển , so sánh với u cầu thực thi (ví dụ điểm đặt) tự động điều chỉnh  Điều khiển thực bước điều khiển tùy theo hoạt động điều khiển trước xác định Một hệ thống muốn xác cần phải thực hồi tiếp tín hiệu so sánh với tín hiệu vào gởi đến điều khiển hiệu chỉnh đầu Hệ thống điều khiển hồi tiếp có nhiều ưu điểm nên thường thấy hệ thống tự động Các phương pháp điều khiển khác ngun tắc điều khiển giống Một hệ thống điều khiển nhiệt độ dựa ngun tắc hệ thống hồi tiếp có dạng tổng qt hình : Giá trị đặt X Bộ điều khiển Bộ phận gia nhiệt Nhiệt độ Cảm biến nhiệt độ Đây hệ thống hồi tiếp qua cảm biến cho tín hiệu đo lường nhiệt độ so sánh với giá trị đặt , sai lệch tín hiệu đặt đo đưa tới điều khiển tạo tín hiệu điều khiển cơng suất cấp cho phận gia nhiệt Như phương pháp điều khiển khác chất điều khiển khác tạo nên 1.2.Nhiệm vụ luận văn : 1.2.1.Nhiệm vụ luận văn tìm hiểu thực mục tiêu sau : Sử dụng PLC SIEMENS S7-300 điều khiển lò nhiệt phương pháp mờ lai Giám sát điều khiển thu thập liệu hoạt động lò nhiệt sử dụng phần mềm WinCC (Windows Control Center) 1.2.2.Phạm vi điều khiển : Đo khn khổ giới hạn luận văn nên em giới hạn phạm vi sau : • Đối tượng : PLC S7-300 (CPU 314IFM), modun AI SM331 chun dụng có khả đọc trực tiếp tín hiệu từ cảm biến Thermocoup, PT lò nhiệt dân dụng • Cảm biến : Thermocoup TC loại K có độ nhạy nhiệt 40µV/10C • Phương tiện điều khiển : OP (Operation Panel), nhiên thay PC ( Personal Computer ) với hệ điều hành Windows 98 • Giao tiếp máy tính : thơng qua phần mềm WInCC cơng ty SIEMENS • Bộ điều khiển mờ PID : tích hợp PLC S7-300 cơng ty SIEMENS • ty SIEMENS Chương trình điều khiển : soạn thảo phần mềm Step7 cơng CHƯƠNG : GIỚI THIỆU PLC SIEMEN VÀ PHẦN MỀM STEP7 GIỚI THIỆU PLC PLC (Programmable Logic Control): thiết bị điều khiển logic khả trình loại thiết bị cho phép thực linh hoạt thuật tốn điều khiển logic thơng qua ngơn ngữ lập trình, thay cho việc phải thể thuật tốn mạch logic 1.1 Vài nét lịch sử PLC: PLC bắt đầu phát triển từ năm 1968 để đáp ứng u cầu hãng Hydraumatic Division of General Motors (GM) Thời gian này, GM thường nhiều thời gian để thay hệ thống điều khiển dựa relay cần hiệu chỉnh hay thay đổi mẫu mã xe Để giảm chi phí cao việc nối lại dây, kỹ thuật điều khiển GM gọi hệ thống điện tử có linh động máy tính, lập trình bảo dưỡng kỹ sư chun gia xí nghiệp Nó chịu đựng bụi bẩn khơng khí, rung, nhiễu điện, độ ẩm nhiệt độ cao mơi trường cơng nghiệp PLC lắp đặt vào năm 1969 thành cơng nhanh chóng Những chức giống relay thay thế, chí PLC có độ tin cậy hệ thống relay, lý thành phần điện tử đơn giản so với phần chuyển động relay điện Nó chiếm khơng gian counters, timers thành phần điều khiển khác mà thay Khả lập trình lại lớn có thay đổi kế hoạch điều khiển Có lẽ chìa khóa lớn để PLC chấp nhận cơng nghiệp ngơn ngữ lập trình dựa giản đồ hình thang (ladder diagram) ký hiệu thường dùng thợ điện Hầu hết nhân viên xí nghiệp huấn luyện theo mức logic hình thang nên họ dễ dàng chấp nhận PLC Thực mức logic hình thang có vai trò chung việc lập trình sửa chữa, cho dù ngơn ngữ lập trình tân tiến phát triển 1.2 Đặc điểm PLC : Một hệ điều khiển gọi điều khiển lập trình ngõ ngõ vào nối kết với thơng qua điều khiển lập trình Chức hệ điều khiển chuyển đổi thành chương trình nạp vào điều khiển Bộ điều khiển dựa theo chương trình để thực q trình điều khiển ngõ thơng số ngõ vào Chúng ta có nên dùng ngơn ngữ lập trình ? Trong năm 1970 đầu thập kỷ 80 nhiều kỹ sư, nhà điều hành sản xuất người thiết kế hệ thống tốn nhiều thời gian để tranh luận đề tài song song chi phí cho PLC Ngày nay, người ta chấp nhận PLC trở nên kinh tế có hiệu hệ thống điều khiển cần từ ba đến bốn relay hay nhiều chi phí cho PLC nhỏ vài trăm dollars Các nhà sản xuất đặt hiệu suất chất lượng lên hàng đầu phí trở nên khơng quan trọng Với phát triển mạnh mẽ kỹ thuật máy tính dùng PLC để điều khiển máy cơng nghiệp vì:  Một PLC đơn giản dùng nhiều lĩnh vực cơng nghiệp, từ việc điểu khiển lặp lặp lại tác vụ đơn giản việc điều khiển để chạy tác vụ phức tạp  Các chương trình điểu khiển thay đổi cách dể dàng, cải tiến để phù hợp với hoạt động  Chương trình điều khiển dể dàng nạp vào nhiều PLC, dể dàng trao đổi chương trình  Thời gian đáp ứng nhanh trở thành tiêu chuẩn PLC Điều cần thiết điều khiển cơng nghiệp, tín hiệu từ cảm biến thay đổi nhanh  Trong PLC có sẳn đếm, định sử dụng với nhiều độ xác khác nhau, q trình điều khiển có cần thêm  Có thể chấp nhận tính kinh tế PLC sử dụng hệ thống điều khiển có relay hay nhiều  Khi dùng PLC giao tiếp với thiết bị đèn LED đoạn, chọn nhấn ( thumbwheels), chức xử lý tín hiệu analog, xử lý tín hiệu tần số cao  Cho phép hiển thị đồ hoạ hệ thống  Truyền thơng: Những hoạt động giao tiếp với PLC khác hay mạng máy tính giúp cho việc thu thập liệu trao đổi thơng tin dể dàng Các thiết kế nhằm thay cho phần cứng relay dây nối logic thời gian Tuy nhiên, bên cạnh việc đòi hỏi tăng cường dung lượng nhớ tính dễ dàng cho PLC mà đảm bảo tốc độ xử lý giá Chính điều gây quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC cơng nghiệp Các tập lệnh nhanh chóng từ lệnh logic đơn giản đến lệnh đếm, định thời, ghi dịch sau chức làm tốn máy lớn Sự phát triển máy tính dẫn đến PLC có dung lượng nhớ lớn hơn, số lượng I/O nhiều PLC sử dụng nhớ lập trình để lưu trữ lệnh thực thi chức đặc biệt gồm có điều khiển ON/OFF, định thời, đếm, thứ tự, số học xử lý liệu Với hệ điều khiển, tín hiệu đầu vào, đầu nối vào PLC PLC hoạt động cách kiểm tra lại tín hiệu lệnh (đã lập trình nhớ), sau ghi kết vào ngõ đưa đến thiết bị điều khiển Trong PLC, phần cứng CPU chương trình hai đơn vị cho q trình điều khiển xử lý hệ thống Chức mà điều khiển cần thực xác định chương trình Chương trình nạp sẵn vào nhớ PLC, PLC thực việc điều khiển dựa vào chương trình Như muốn thay đổi hay mở rộng chức quy trình cơng nghệ, ta cần thay đổi chương trình bên nhớ PLC Việc thay đổi hay mở rộng chức thực cách dễ dàng mà khơng cần can thiệp mang tính vật lý so với điều khiển dùng dây nối relay Nhiều PLC giúp gia tăng cạnh tranh Các q trình thường sử dụng PLC bao gồm: đóng gói, đóng chai vận chuyển, xử lý vật liệu, vận hành máy, phát lượng, hệ thống điều khiển xây dựng, hệ thống bảo vệ, dây chuyền tự động, vẽ đường xử lý nước PLC ứng dụng nhiều ngành cơng nghiệp bao gồm thức ăn đồ uống, chuyển động tự động, hóa học, nhựa, bột giấy giấy, dược vật liệu Thực ra, ứng dụng cần đến điện sử dụng PLC So sánh PLC với số hệ thống khác: Chỉ tiêu so sánh Giá thành chức Kích thước vất lý Tốc độ điều khiển Khả Rơ-le Mạch Máy PLC Khá số Thấp tính Cao Thấ thấp Lớn Chậm Xuất sắc p Rất Khá Rất gọn Rất gọn Khá gọn Nha nhanh Tốt nhanh Khá nh Tốt chống tốt nhiễu Lắp đặt Mất thời Mất Mất Lập gian thiết kế thời gian nhiều thời trình lắp lắp đặt thiết kế gian lập đặt đơn Khả Khơng Có Rất khó Khó trình Có giản Có điều khiển tác vụ phức tạp Dễ thay đổi điều khiển Cơng tác bảo trì Khó Đơn Kém-có Kém- Kém- có giản Tốt- nhiều cơng IC nhiều mạch module tác hàn điện tiêu từchun chuẩn hóa dùng 1.3 Một vài ưu điểm PLC tự động: Ưu điểm : - Thời gian lắp đặt cơng trình ngắn gọn - Dễ dàng thay đổi mà khơng tổn thất tài - Có thể tính tốn xác giá thành - Cần thời gian huấn luyện - Dễ dàng thay đổi thiết kế nhờ phần mềm - Ứng dụng phạm vi rộng - Dễ bảo trì, thị vào giúp xử lý cố dễ nhanh - Độ tin cậy cao - Chuẩn hóa phần cứng điều khiển 2.2 Chương trình : 1.Lưu đồ : Bắt đầu Nhiệt độ đặt nhập thông số PID lệnh chạy PLC N Y Hệ thống bình thường ? N Y Đọc nhiệt độ lò N Cảm biến đứt ? Điện trở đứt ? Y Hiệu chỉnh PID Xử lý mờ thông số PID Điều rộng xung Điều khiển lò Kết thúc Y Báo động N Giải thích lưu đồ giải thuật điều khiển : 1- Khi nạp chương trình từ máy tính xuống, chuyển PLC sang chế độ RUN, đọc nhiệt độ đặt từ máy tính thơng qua phần mềm WinCC, thơng số PID, 2- Nếu có lệnh chạy PLC từ WinCC chường trình điều khiển bắt đầu hoạt động, khơng trạng thái chờ Có lệnh chạy, PLC kiểm tra tình trạng lò có bình thường hay khơng, tức kiểm tra cảm biến hay điện trở lò có bị đứt ?, có thơng báo l ỗi dừng chương trình 3- Đọc nhiệt độ lò từ TC, giá trị có kiểu định dạng Integer, đổi thang hiển thị giá trị thực lò 4- Bộ điều khiển thực xử lý mờ tham số PID thực module mờ FB30 tích hợp PLC, lò nhiệt cố định nên lần đ ọc đ ầu tiên PLC, lấy tham số mặc định người lập trình đưa vào Tiến hành hiệu chỉnh tham số PID thơng qua module FB41, kết đưa trực tiếp vào module điều rộng xung FB43 (xem phần 1, chương 5) 5- Xuất lệnh điều khiển lò, tùy thuộc vào giá trị ngõ điều r ộng xung mà trạng thái lò đóng hay mở 6- Kết thúc vòng điều khiển 2.3 Chương trình : 1- Lưu đồ tính tốn chi tiết phương pháp PID số : e[(k e[(k -2 -2 )) T] T] == e[(k e[(k -1) -1) T] T] e[(k e[(k -1) -1) T] T] == e(kT) e(kT) e(kT) e(kT) == SV SV –– PV PV U[(k U[(k -1) -1) T] T] == U U (kT) (kT) U(kT) U(kT) == e(kT) e(kT) ** A A e[(k e[(k -1) -1) T] T] ** B B ++ e[(k e[(k -2 -2 )) T] T] ** C C ++ U U [(k [(k –1 –1 )T] )T] U’(kT) U’(kT) == U U (kT) (kT) // K K U’(kT) U’(kT) >> U U max max U’ U’ (kT) (kT) == U U max max U(kT) U(kT) [...]... thuyết điều khiển tự động hiện đại được ứng dụng vào việc thiết kế, các bộ điều khiển như bộ điều khiển mờ, bộ điều khiển nơ ron , bộ điều khiển bền vững thì việc kết hợp giữa các phương pháp điều khiển hiện đại và bộ điều khiển PID kinh điển vẫn đem lại những hiệu quả bất ngờ mà khơng bộ điều khiển nào có khả năng đem lại Một trong những ứng dụng của bộ điều khiển PID trong điều khiển thích nghi và điều. .. nghiệt: nhiệt độ, độ ẩm, điện áp dao động, tiếng ồn 1.3.1 Điều khiển giám sát: - Thay cho điều khiển Relay - Thời gian đếm - Thay cho các panels điều khiển mạch in - Điều khiển tự động và bán tự động bằng tay,các máy và các q trình 1.3.2 Điều khiển dãy: Các phép tốn số học - Cung cấp thơng tin - Điều khiển liện tục: nhiệt độ, áp suất - Điều khiển P.I.D - Điều khiển động cơ chấp hành - Điều khiển động... 5 : MODULE MỀM PID Nhiều năm trước đây, bộ điều khiển PID được coi là bộ điều khiển lý tưởng đối với các đối tượng có mơ hình liên tục Bộ PID thực sự là bộ điều khiển động mà việc thay đổi các tham số của bộ điều khiển có khả năng làm thay đổi đặc tính động và tĩnh của hệ thống điều khiển tự động Bộ điều khiển PID thực chất là thiết bị điều khiển thực hiện luật điều khiển được mơ tả bằng phương trình... 0 Đối tượng u (t ) điều khiển PID Hình 1 : điều khiển với bộ điều khiển PID Trong đó là tín hiệu vào, là tín ueTkT(tDpl ) hiệu ra của bộ điều khiển, là hệ số khuyếch đại của luật điều khiển tỷ lệ, hằng số thời gian tích phân và là hằng số thời gian vi phân Đối với hệ thống có độ dự trữ ổn định lớn, nếu muốn tăng độ chính xác điều khiển ta chỉ tăng hệ số khuếch đại của luật điều khiển tỷ lệ Hệ thống... r1ek −1 + r2 ek − 2 Hoặc bằng hàm truyền đạt gián đoạn W (z) = r0 + r1 z −1 + r2 z −2 1 + z −1 Với bộ điều khiển PID, người sử dụng dễ dàng tích hợp các luật điều khiển khác như luật điều khiển tỷ lệ (luật P), điều khiển tỷ lệ–tích phân (luật PI), luật điều khiển tỷ lệ–vi phân (luật PD) Bộ điều khiển PID ln là một phần tử khơng thể thay thế được trong các q trình tự động khống chế nhiệt độ, mức, tốc độ…... khi tín hiệu vào là hàm bậc thang đơn vị và hằng số thời gian tích phân được chọn khác khơng Luật điều khiển tích phân còn gọi là điều khiển chậm sau vì sai số điều khiển được tích lũy cho đến khi đủ lớn thì quyết định điều khiển mới được đưa ra Tăng khả năng tác động nhanh của hệ, giảm bớt thời gian q điều chỉnh bằng cách thay đổi hằng số thời gian của luật điều khiển vi phân Luật điều khiển vi phân... bộ điều khiển của FCPA khơng có phím lựa chọn phương pháp giải mờ 4.9 Quan sát quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ Cùng với việc khai báo xong luật hợp thành ta đã kết thúc q trình soạn thảo một bộ điều khiển mờ n phím OK để kết thúc q trình soạn thảo và trở về cửa sổ màn hình chính của FCPA Ví dụ sau khi khai báo một bộ điều khiển mờ có 3 đầu vào, 2 đầu ra với luật hợp thành gồm 13 mệnh đề hợp và. .. chế độ xây dựng luật hợp thành có cấu trúc R1: Nếu Input 1=A11 và và Input 1= A1m thì Output 1= B11 và và Outputs =B1s R2: Nếu Input 1=A21 và và Inputm =A2m thì Output 1= B21 và và Outputs=B2s : R n: Nếu Input 1=An1 và và Inputm=Anm thì Output 1= Bn1 và và Outputs=Bns ta nháy kép phím trái của chuột tại ơ if… then: Để soạn thảo từng mệnh đề hợp thành n phím insert để chèn thêm sẽ là một cột gồm các... bị tự động trên thế giới khơng thể thiếu được module điều khiển PID hoặc cứng hoặc mềm Để sử dụng tốt các module này, người thiết kế phải nắm được các phương pháp chọn luật điều khiển và các tham số cho bộ điều khiển 5.1 Xác định tham số cho bộ điều khiển PID Luật điều khiền thường được chọn trên cơ sở đã xác định được mơ hình tốn học của đối tượng và phải phù hợp với đối tượng cũng như thỏa mãn các... trở về màn hình chính * Quan sát một cách trực quan quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ vừa soạn thảo ta chọn Debug→3D Graphic Display, khi đó trên màn hình xuất hiện đồ thị mơ tả quan hệ vào/ra của bộ điều khiển mờ như sau: a Kr : b Kp : c An_pha : Ngồi ra, ta còn có thể sử dụng chương trình FCPA để mơ phỏng tín hiệu vào ra và các mối quan hệ của bộ điều khiển mờ (hình) Bằng cách thiết lập giá trị ... Sử dụng PLC SIEMENS S7-300 điều khiển lò nhiệt phương pháp mờ lai Giám sát điều khiển thu thập liệu hoạt động lò nhiệt sử dụng phần mềm WinCC (Windows Control Center) 1.2.2.Phạm vi điều khiển :... nơ ron , điều khiển bền vững việc kết hợp phương pháp điều khiển đại điều khiển PID kinh điển đem lại hiệu bất ngờ mà khơng điều khiển có khả đem lại Một ứng dụng điều khiển PID điều khiển thích... với điều khiển PID tích hợp sẵn module điều khiển mềm Một điều cần ý ÷ module PID mềm khơng tồn tới mức ứng dụng vào tốn điều khiển Đặc tính điều khiển tốc độ xử lý module PID mềm phụ thuộc vào