Tự động hóa quá trình công nghệ đã thực sự phát triển và ứng dụng mạnh mẽ trong công nghiệp, là sự lựa chọn tối ưu trong mọi lĩnh vực nhằm tạo ra sản phẩm chất lượng cao, tiết kiệm chi phí tạo khả năng cạnh tranh mạnh mẽ trên thị trường.Trong các ngành công nghiệp sản xuất chất lỏng như hóa chất, nước uống đóng chai, sữa, nước mắm, dầu ăn, dầu khí, … vấn đề cần điều khiển mức chất lỏng cần đáp ứng với độ chính xác cao để phục vụ quá trình sản xuất đạt hiệu quả tốt hơn, đảm bảo quá trình sản xuất các chất lỏng không bị gián đoạn, tăng tuổi thọ thiết bị, người vận hành không cần phải trực tiếp kiểm tra trong các bồn chứa hoặc đóng mở bơm liên tục, vấn đề bị cạn hay tràn trong bồn chứa chất lỏng hoàn toàn được khắc phục cho dù đầu ra thay đổi.
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KĨ THUẬT TPHCM KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP ĐỒ ÁN PLC GVHD : Th.S Nguyễn Tử Đức SVTH : Châu Thành Hiển - 14142097 Võ Duy Luyện - 14142187 Thủ Đức, 12 tháng 12 năm 2017 ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH GVHD NGUYỄN TỬ ĐỨC LỜI NĨI ĐẦU Tự động hóa q trình cơng nghệ thực phát triển ứng dụng mạnh mẽ công nghiệp, lựa chọn tối ưu lĩnh vực nhằm tạo sản phẩm chất lượng cao, tiết kiệm chi phí tạo khả cạnh tranh mạnh mẽ thị trường Trong ngành cơng nghiệp sản xuất chất lỏng hóa chất, nước uống đóng chai, sữa, nước mắm, dầu ăn, dầu khí, … vấn đề cần điều khiển mức chất lỏng cần đáp ứng với độ xác cao để phục vụ trình sản xuất đạt hiệu tốt hơn, đảm bảo trình sản xuất chất lỏng không bị gián đoạn, tăng tuổi thọ thiết bị, người vận hành không cần phải trực tiếp kiểm tra bồn chứa đóng mở bơm liên tục, vấn đề bị cạn hay tràn bồn chứa chất lỏng hoàn toàn khắc phục cho dù đầu thay đổi Đó lý em thực đề tài tốt nghiệp: Ứng dụng thuật toán PID điều khiển ổn định mức nước Về nội dung đồ án chia thành chương: Chương Tổng quan hệ thống điều khiển ổn định mức nước Chương Cơ sở PLC S7-300, WinCC thuật toán PID Chương Lập trình S7-300 WinCC Chương Thực mô ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH GVHD NGUYỄN TỬ ĐỨC MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC I Giới thiệu chương II Đặt vấn đề III Ứng dụng IV Lựa chọn phương án thực Điều khiển ON/OFF Điều khiển PID .6 CHƯƠNG CÁC THIẾT BỊ CẦN DÙNG CHO HỆ THỐNG .13 I Mơ hình hệ thống điều khiển mức nước 13 II Sơ đồ khối 13 III Các thiết bị 14 CHƯƠNG BẢN VẼ KẾT NỐI VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 23 I Kết nối phần cứng vẽ 23 II Chương trình điều khiển 25 Chương trình 25 Khối PID – FC41 .28 III Màn hình giám sát 29 CHƯƠNG MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BẰNG FACTORY I/O .31 I Mô hệ thống phần mềm Factory I/O 31 II Mơ hình thực tế 32 ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH GVHD NGUYỄN TỬ ĐỨC TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án tìm hiểu ứng dụng điều khiển PID việc điều khiển ổn định mức nước Đồ án tìm hiểu vấn đề như: nguyên lý hoạt động cảm biến siêu âm, xử lý tín hiệu analog S7-300, điều khiển PID, mơ hệ thống ổn định mức nước S7-300, WinCC kiểm chứng với mơ hình mơ ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH GVHD NGUYỄN TỬ ĐỨC CHƯƠNG TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC I Giới thiệu chương Trong chương em giới thiệu tổng quan hệ thống điều khiển mức nước, ứng dụng giải pháp công nghệ sử dụng Từ nêu lên nhiệm vụ chung đồ án II Đặt vấn đề Hiện nay, đất nước ta bước vào thời kỳ cơng nghiệp hóa đại hóa, để q trình phát triển nhanh chóng ta cần tập trung đầu tư vào dây chuyền sản xuất tự động hóa, nhằm mục đích giảm chi phí sản xuất, nâng cao suất lao động đem tới sản phẩm có chất lượng cao Một phương án đầu tư vào tự động hóa việc ứng dụng thành tựu khoa học kỹ thuật, ứng dụng PLC vào dây chuyền sản xuất, điều khiển giám sát hệ thống tự động Việc thực điều khiển trình, hệ thống bơm, hệ thống van xả, cảnh báo cách tự động sử dụng nhiều lĩnh vực như: thủy lợi, nước sinh hoạt, hóa chất, dầu khí,… nói chung việc thực trình kết hợp nhiều thiết bị sử dụng rộng rãi thực tế, nhằm phục vụ cho sống, sinh hoạt sản xuất Hệ thống điều khiển mức dùng PID ứng dụng thuật tốn điều khiển q trình : Điều khiển mức, điều khiển lưu lượng, điều khiển vận tốc dòng chảy Việc ứng dụng PID điều khiển xác vào thực tế nhằm làm giảm sai số kết điều khiển, giúp điều khiển xác q trình tích nước q trình xả van xả điều khiển máy bơm bồn chứa nhà máy hóa chất, thực phẩm, dây chuyền công nghệ khác III Ứng dụng Hệ thống bơm ổn định mức sử dụng rộng rãi ngành cơng nghiệp nói chung ngành cơng nghiệp chất lỏng nói riêng hóa chất, nước uống đóng chai, dầu ăn, sản xuất xi măng, sản xuất giấy, sản xuất điện năng… Đặc biệt hệ thống cung cấp nước cho hộ dân, khu chung cư, nhà cao tầng ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH IV GVHD NGUYỄN TỬ ĐỨC Lựa chọn phương án thực Trong điều khiển nhiệt ta thường thấy chế độ điều khiển điều khiển ON/OFF điều khiển PID Điều khiển ON/OFF Có thể dễ dàng nhận thấy chế độ điều khiển đơn giản nhất, sử dụng từ lâu ứng dụng nhiều ngành khác Là kiểu điều khiển bơm nước tới mức cho bơm ngừng hoạt động, nước tiêu thụ giảm xuống tới mức đặt thấp cho bơm chạy Ưu điểm chế độ điều khiển đơn giản, dễ hiểu, giá thành thấp Tuy nhiên lại có nhược điểm hệ thống không ổn định, đáp ứng chậm khơng tốt, độ xác khơng cao, độ sai lệch lớn, dòng điện khởi động lớn gây sụt áp gây tổn thất lượng Với đặc điểm chế độ điều khiển ON/OFF thường ứng dụng hệ thống điều khiển nhiệt độ hay mức nước quy mô lớn, cho phép độ sai lệch lớn Điều khiển PID PID: Proportional Integral Derivative (bộ điều khiển tỉ lệ vi tích phân ) thuật ngữ để chế điều khiển vòng phản hồi Ưu điểm điều khiển PID điều khiển với độ xác cao, tiết kiệm lượng tối đa, đảm bảo ổn định hệ thống Nhưng kiểu điều khiển có nhược điểm thuật tốn điều khiển phức tạp, đòi hỏi người sử dụng có trình độ kinh nghiệm Có thể nói ngày PID xâm nhập vào hầu hết ứng dụng điều khiển (ko mức nước mà nhiều lĩnh vực khác) Tuy nhiên nõ ưu tiên hệ thống yêu cầu độ xác cao, khoảng thay đổi cho phép nhỏ 2.1 Điều khiển khâu tỉ lệ P ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH GVHD NGUYỄN TỬ ĐỨC Đây hình thức điều khiển cách đưa tín hiệu điều khiển dựa vào khác biệt mức nước mức nước thực tế đối tượng mức nước đặt, với K P xem độ khuếch đại tỷ lệ điều khiển W = Kp.(TS – TO) (2.2) Đáp ứng điều khiển khâu tỉ lệ (P) Ta thấy hệ số khếch đại KP lớn sai số xác lập nhỏ nhiên đáp ứng hệ thống dao động, độ vọt lố cao Nếu KP tăng giới hạn hệ thống trở nên ổn định Do khơng thể có sai số hệ thống tăng hệ số khếch đại lên vô 2.2 Điều khiển khâu vi phân tỉ lệ PD Vấn đề tính ổn định tầm điều khiển tỷ lệ với độ khuếch đại lớn, giảm thêm vào khâu vi phân cho tín hiệu sai số d � W Kp � TS TO TD TS TO � � dt � � (2.3) Với KD = KP TD; TD : thời vi phân điều khiển PD Kỹ thuật gọi kỹ thuật điều khiển PD Khâu vi phân hiệu chỉnh khả đáp ứng thay đổi mức nước đặt, giảm độ vọt lố , đáp ứng c(t) bớt nhấp nhơ hơn, biểu diễn hình sau: ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH GVHD NGUYỄN TỬ ĐỨC Đáp ứng điều khiển khâu vi phân tỉ lệ (PD) với P = Dựa vào đáp ứng độ hệ thống thay đổi giá trị TD giữ hệ số KP số Ta thấy TD lớn đáp ứng nhanh, thời gian lên ngắn Tuy nhiên, thời gian lên nhanh dẫn đến vọt lố đáp ứng khơng có dao động Bộ hiệu chỉnh PD thực linh kiện mạch thụ động, dùng khếch đại thuật tốn, điện trở tụ điện Nhược điểm PD nhạy nhiễu thân PD mạch lọc thông cao, với độ lợi lớn làm tăng ảnh hưởng tín hiệu nhiễu 2.3 Điều khiển khâu tỉ lệ tích phân PI Vấn đề sai số xác lập khắc phụ hiệu chỉnh PI Hiệu chỉnh PI có tác dụng làm chậm đáp ứng độ, tăng độ vọt lố, giảm sai số xác lập Do hệ số khếch đại khâu PI vô tần số nên khâu hiệu chỉnh PI làm cho sai số tín hiệu vào hàm nấc hệ thống khơng có khâu tích phân lý tưởng (hệ vơ sai bậc 1) Ngồi khâu PI lọc thơng thấp nên có tác dụng triệt tiêu nhiễu tần số cao tác động vào hệ thống t � � W Kp � e ( ) � e( )d � TI � � (2.4) ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH GVHD NGUYỄN TỬ ĐỨC Với: e( ) = TS –T0 Ki = Kp/TI, TI thời tích phân điều khiển PI Đáp ứng điều khiển khâu vi phân tỉ lệ (PI) với P = Khâu hiệu chỉnh PI làm cho sai số xác lập hệ thống tín hiệu vào hàm nấc Tuy nhiên khâu hiệu chỉnh PI lại làm cho hệ thống ổn định làm tăng thời gian xác lập Dựa đáp ứng độ hệ thống giảm thời tích phân TI độ vọt lố hệ thống cao, hệ thống chậm xác lập Vậy số thời tích phân TI ta nên cho giá trị lớn nhằm hạn chế độ vọt lố Tuy TI số ảnh hưởng P đến chất lượng hệ thống ảnh hưởng khâu khếch đại, P tăng độ vọt lố cao, nhiên thời gian độ lại không thay đổi 2.4 Điều khiển khâu vi tích phân tỉ lệ PID Bộ điều khiển PID sử dụng rộng rãi thực tế để điều khiển nhiều loại đối lập, với đầu vào thay đổi theo hàm nấc gây vọt lố vài trường hợp không chấp nhận mạch động lực Sự có mặt khâu vi phân tỉ lệ (PD) làm giảm độ vọt lố đáp ứng bớt nhấp nhô hệ thống đáp ứng nhanh Khâu tích phân tỉ lệ(PI) có mặt hệ thống dẩn đến sai lệch tĩnh triệt tiêu( hệ vơ sai) Muốn tăng độ xác ta phải tăng hệ số khuếch đại, song ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH GVHD NGUYỄN TỬ ĐỨC với hệ thống thực bị hạn chế có mặt khâu PI bắt buộc Khâu hiệu chỉnh vi tích phân tỉ lệ (PID) kết hợp ưu điểm khâu PI PD, có khả tăng độ dự trử pha tần số cắt, khử chậm pha Sự có mặt PID vòng hồi tiếp dẩn đến dao động hệ đáp ứng độ bị vọt lố hàm Dirac (t).Các hiệu chỉnh PID ứng dụng nhiều công nghiệp dạng thiết bị điều khiển hay thuật tốn phần mềm Do thơng dụng nên nhiều hãng sản xuất thiết bị điều khiển cho đời điều khiển thương mại thông dụng Thực tế phương pháp thiết kế điều khiển PID dùng quỹ đạo nghiệm số, giản đồ Bode hay phương pháp giải tích sử dụng việc khó khăn xây dựng hàm truyền đối tượng Phương pháp phổ biến để chọn tham số PID thương mại phương pháp Ziegler-Nichols Sơ đồ điều khiển sử dụng điều khiển PID Bộ điều khiển PID có hàm truyền liên tục sau: G(s ) K p � � Ki Kd s K p � 1 TD s � s � TI s � (2.5) Với giá trị Kp, Ki, Kd số thực Phương trình vi tích phân mơ tả tương quan tín hiệu u(t) với tín hiệu sai lệch e(t) điều khiển PID là: (2.6) Trong đó: e(t) sai lệch hệ thống e(t) = r(t) – c(t) r(t) c(t) tín hiệu vào đáp ứng hệ thống 10 ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH GVHD NGUYỄN TỬ ĐỨC k: Tỷ số công suất đầu với công suất trục bơm Thực tế: Cơng suất bơm tình theo công suất thời gian yêu cầu ổn định mức nước bồn Thông số bơm: CM 32-160C Công suất Model CM 32-160C Nguồn điện (v/pha) 380 (W) (HP) 2000 Lựa chọn biến tần Biến tần chọn theo công suất động cơ: 18 Cột áp “H” (mét) Lưu lương “Q” (m3/h) 24.7 – 14.1 4.5 – 21 ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH GVHD NGUYỄN TỬ ĐỨC Công suất động 2KW ta chọn biến tần 2,2KW ACS 150-03E-05A6-4 - 2.2KW – 380/440VAC Lựa chọn CPU PLC 5.1.PS Ta chọn nguồn loại 2A CPU 6ES7313-5BG04-0AB0 phù hợp vừa đủ với mục đích sử dụng cấp nguồn cho CPU PLC hoạt động 5.2.CPU 19 ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH GVHD NGUYỄN TỬ ĐỨC Ta chọn loại CPU S7-300 313C – 6ES7313-5BG04-0AB0 Module CPU 313c – 6ES7313-5BG04-0AB0 Các thông số CPU 313c Hãng sản xuất: Siemens Xuất xứ: Đức Mã: 6ES7313-5BG04-0AB0 - Số đầu vào số tích hợp sẵn: 24 - Số đầu số tích hợp sẵn: 16 - Số đầu vào analog: - Số đầu analog: - Bộ đếm tốc độ cao tích hợp sẵn: x 30 KHz, - Nguồn cung cấp: 24V DC - Bộ nhớ làm việc: 128Kbyte - Ngôn ngữ lập trình: Step 7, từ V5.1 cao - Kiểu kết nối: MPI Bảng giá thiết bị 20 ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH GVHD NGUYỄN TỬ ĐỨC Sau thống kê thiết bị cần thiết cho hệ thống ta có bảng kê giá trị tương đối dự án sau : Bảng giá thiết bị 21 ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH GVHD NGUYỄN TỬ ĐỨC Kết luận chương Chương giúp ta hiểu tính thực tế đề tài, ứng dụng hệ thống điều khiển mức, điều khiển PID nguyên lý hoạt động cảm biến siêu âm 22 ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH GVHD NGUYỄN TỬ ĐỨC CHƯƠNG BẢN VẼ KẾT NỐI VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN I Kết nối phần cứng vẽ Trước tiến hành viết chương trình điều khiển hệ thống ta cần có vẽ kết nối ngõ vào PLC tín hiệu điều khiển biến tần Dựa vào kiến thức học ta có vẽ kết nối ngõ vào PLC vẽ chi tiết sau: 23 ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH GVHD NGUYỄN TỬ ĐỨC 24 ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH II GVHD NGUYỄN TỬ ĐỨC Chương trình điều khiển Chương trình Trong chương trình OB1 ta tiến hành xử lí chế độ auto/manual, đọc tín hiệu analog ngõ vào hàm FC105 – Scale, chuyển đổi giá trị từ DWORD sang INT để hiển thị hình số để giám sát Trong khối OB1 này, có phần mơ phần mềm factory IO nên ta cần xử lí thêm tín hiệu Dimmer từ mơ hình mơ để thay đổi giá trị cho Setpoint PID van xả bồn nước, ta xử lí tín hiệu Dimmer hàm Move hàm Scale Sau chương trình khối OB1 : 25 ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH GVHD NGUYỄN TỬ ĐỨC 26 ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH GVHD NGUYỄN TỬ ĐỨC 27 ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH GVHD NGUYỄN TỬ ĐỨC Khối PID – FC41 Cách xác định thông số PID có cách: - Tính tốn: sử dụng giải thuật Zeigler-Nichols cho thông số điều khiển PID tương đối, khơng hồn tồn - Thử sai: cho thông số PID, dựa vào ảnh hưởng thông số để thay đổi tham số mong muốn Phương pháp sau giúp cho người dùng nhanh chóng cài đặt tham số cách tối ưu nhất: + Bước 1: Đặt hệ số I D + Bước 2: Tăng dần hệ số P đầu vòng điều khiển dao động Sau đặt giá trị P nửa giá trị + Bước 3: tăng dần hệ số Tích phân I đủ thời gian để khử sai số Chú ý ko nên tăng I lớn + Bước 4: Tăng dần giá trị D đến thời gian đáp ứng đủ nhanh theo yêu cầu Chương trình khối PID viết sau : 28 ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH GVHD NGUYỄN TỬ ĐỨC Khối FC41 III Màn hình giám sát Để thuận tiện cho việc giám sát trình hoạt động hệ thống ta tạo giao diện SCADA để giám sát thông số hệ thống, giám sát chế độ hoạt động phần tử hoạt động 29 ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH GVHD NGUYỄN TỬ ĐỨC Bước đầu ta cần tạo giao diện giám sát với phần mềm Wincc, thư phần mềm có phần tử có sẵn ta cần chọn thiết bị phù hợp với hệ thống bố trí chúng cho hợp lí dễ giám sát Để tạo liên kết hình Wincc chương trình Step7 ta tạo tag để gán địa từ chương trình cho phần tử hình Wincc thơng qua cửa sổ Tag Management sau : Thông qua bảng Tag Management ta tạo liên kết với Step7 thông qua MPI TCP/IP thông qua OPC cách dễ dàng 30 ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH GVHD NGUYỄN TỬ ĐỨC CHƯƠNG MƠ PHỎNG HỆ THỐNG BẰNG FACTORY I/O I Mô hệ thống phần mềm Factory I/O Để kiểm nghiệm độ ổn định hệ thống mà không cần phải lắp thực tế ta tiến hành mơ hệ thống phần mềm Factory I/O Phần mềm đơn giản dễ sử dụng mô cách trực quan hệ thống để ta kiểm nghiệm độ xác thống số P, I, D Mơ hình mơ gồm có bồn chứa nước, cảm biến khoảng cách, bơm nước vào, van xả nước; tủ điều khiển gồm có nút nhấn On, Off, Dimmer điều chỉnh van xả, Dimmer điều chỉnh Setpoint, hình hiển thị thơng số Setpoint, Processvaule công tắc Auto/Manual Phần mềm mô đầy đủ thiết bị thực tế Sau tạo phần tử mơ hình ta tạo liên kết phần tử với chương trình Wincc, tương tự tạo liên kết với hình Scada ta 31 ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH GVHD NGUYỄN TỬ ĐỨC cần gắn Tag cho phần tử phù hợp với địa chương trình hệ thống liên kết hoạt động Hế thống hoạt động chế độ Auto - PID II Mơ hình thực tế Bước cuối để hồn thiện mơ hình ổn định mức nước PID áp dụng mơ hình vào thực tế Ở bước ta cần làm áp dụng tất sở lí thuyết bên vào mơ hình thực tế, có đầy đủ thiết bị yêu cầu tiến hành kết nối đổ chương trình vào PLC để điều khiển thực tế Do điều kiện không cho phép nên nhóm khơng thực lắp mơ hình thực nhóm mong với tồn thơng tin cung cấp kiểm chứng với mơ hình mơ giúp làm rõ đề tài cách chi tiết 32