Tổng hợp các hệ thống điều khiển trên cơ sở PID mềm của PLC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI DƯƠNG HÙNG PHÚ TỔNG HỢP CÁC HỆ THỐNG ðIỀU KHIỂN TRÊN CƠ SỞ PID MỀM CỦA PLC LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chun ngành: ðiện khí hóa SX Nông nghiệp Nông thôn Mã số : 60.52.54 Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Mạnh Tường HÀ NỘI - 2011 LỜI CAM ðOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khoa học trước Tơi xin cam đoan thơng tin trích dẫn luận văn tơi rõ nguồn gốc Tác giả Dương Hùng Phú Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… i LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập nghiên cứu trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội Tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật với đề tài: “ Tổng hợp hệ thống điều khiển sở PID mềm PLC” Tôi xin chân thành cám ơn PGS TS Nguyễn Mạnh Tường tận tình hướng dẫn tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành luận văn Tơi xin chân thành cám ơn Bộ môn ðiện kỹ thuật – Khoa điện, Viện Sau đại học Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội đọc đóng góp nhiều ý kiến quý báu để luận văn hồn chỉnh Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Ban giám hiệu lãnh đạo Trường Cao đẳng nghề Cơ điện Tây Bắc nơi công tác tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành nhiệm vụ học tập nghiên cứu Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến bạn bè đồng nghiệp gia đình động viên khích lệ để tơi hồn thành luận văn Hồ Bình , ngày 15 tháng 10 năm 2011 Tác giả Dương Hùng Phú Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… ii MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục chữ viết tắt v Danh mục bảng vi Danh mục hình vii CHƯƠNG I NGHIÊN CỨU TỔNG QUÁT PLC 1.1 Khái quát kỹ thuật ñiều khiển 1.2 Thiết bị điều khiển khả trình (PLC) 1.3 Cấu trúc PLC S7-300 1.3.1 PLC gì? 1.3.2 Nguyên lý chung cấu trúc PLC 1.3.3 Hệ PLC S7-300 1.3.4 Các module PLC S7-300 1.4 Phần mềm STEP-7 11 1.4.1 STEP -7 ñịnh nghĩa chức 11 1.4.2 Bộ chương trình Step7 chuẩn ( STEP7 Standard Package) 12 1.5 Kỹ thuật lập trình 13 1.5.1 Lập trình tuyến tính 13 1.5.2 Lập trình có cấu trúc 15 CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU MODUL MỀM PID 23 2.1 Các khối chức ñiều khiển PID PLC 23 2.1.1 Module ñiều khiển liên tục với FB41 “ CONT_C” 24 2.1.2 Modul ñiều khiển bước FB42 “ CONT_S” 33 2.1.3 Khối tạo xung FB43 “ PULSEGEN” 36 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… 2.2 Hàm chuyển đổi tín hiệu “ SCALE 2.3 Một số ý sử dụng Module CHƯ 3.1 ƠNG III XÂY DỰNG HỆ THỐNG HAI MẠCH VÒNG TRÊN CƠ SỞ KHỐ 300 Xây dựng hệ thống điều khiển m 3.1.2 Xây dựng điều khiển ứng dụng k 3.1.2 Xây dựng hệ thống điều khiển sử dụ 3.1.3 Xây dựng hệ thống điều khiển sử dụ 3.2 Xây dựng hệ thống điều khiển hai m CHƯƠNG IV KHẢO SÁT HỆ THỐNG 55 4.1 Cấu trúc hệ thống 4.2 Phần mềm giám sát WinCC 4.3 Xác định mô tả động học đối tư 4.4 Khảo sát hệ thống mô s 4.4.1 Xác định thông số điều khiển 4.4.2 Phương pháp sử dụng Matlab - Sim 4.4.3 Khảo sát hệ thống lò điện trở dùng c 4.5 Khảo sát hệ thống điều khiển thực 4.5.1 Hệ thống điều khiển sử dụng khối F 4.5.2 Hệ thống điều khiển sử dụng khối F KẾT LUẬN VÀ ðỀ NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT BðK Bộ điều khiển ðTðK ðối tượng điều khiển HTðK Hệ thống điều khiển Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… DANH MỤC BẢNG STT Tên bảng Trang 1.1 Biến hình thức Local block khối FC 17 2.2 Ví dụ điều khiển nhiệt độ 40 2.3 Chế độ điều khiển vị trí 43 2.4 Chế độ điều khiển vị trí mạch Manual mode 44 4.1 Thông số điều khiển theo công thức kinh nghiệm 69 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… DANH MỤC HÌNH STT Tên hình Trang 1.1 ðối tượng điều khiển 1.2 Hệ thống điều khiển vòng hở 1.3 Hệ thống điều khiển vòng kín 1.4 Cấu trúc PLC 1.5 Hệ thốg điều khiển có PLC 1.6 Hệ thống điều khiển phức tạp 1.7 SimatiC S7-300 Siemens 1.8 Sơ đồ kết nối module S7-300 rack 11 1.9 Thực chương trình tuyến tính 14 1.10 Thực gọi khối FC10 16 1.11 Thực gọi khối FB1 với DB2 từ OB1 19 2.1 Sơ đồ cấu trúc khối FB41 25 2.2 Giao diện tạo khối DB 26 2.3 Gán tham số cho khối FB 41 27 2.4 Khối Dead Band 29 2.5 Sơ đồ cấu trúc khối FB42 35 2.6 Sơ đồ cấu trúc khối FB 43 36 2.7 Nguyên lý tạo xung FB43 37 2.8 Sơ đồ khối tạo xung FB 43 38 2.9 Biểu đồ đặc tính chế độ điều khiển vị trí 40 2.10 Biểu đồ đặc tính chế độ vị trí khơng đối xứng 42 2.11 Biểu đồ đặc tính chế độ vị trí 42 2.12 Biểu đồ đặc tính chế độ điều khiển vị trí -100% 43 2.13 Dạng LAD hàm FC 105 45 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… vii 3.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống sử dụng khối FB41 47 3.2 Sơ đồ kết nối IC TCA 785 48 3.3 Sơ đồ cấu trúc hệ thống sử dụng FB41 FB43 49 3.4 Cấu tạo AQ-R SOLID STATE RELAY loại AQR20A2 – ZV10/18VDC 50 3.5 ðồ thị nguyên lý làm việc AQ-R SOLID STATE RELAY 50 3.6 Sơ đồ cấu trúc hệ thống sử dụng khối FB42 51 3.7 Sơ đồ cấu trúc hệ thống sử dụng khối FB42 52 3.8 Sơ đồ cấu trúc hệ thống hai mạch vòng 53 4.1 Các thiết bị thí nghiệm 55 4.2 Tạo Project WinCC 56 4.3 ðặt tên cho Project đường dẫn 57 4.4 Chọn trạm SIMATIC S7 57 4.5 Chọn kết nối cáp MPI 58 4.6 Màn hình thiết kế giao diện đồ hoạ 59 4.7 Thiết lập thuộc tính cho Trend 60 4.8 Nhập “Trend 1”cho nhãn Curves 61 4.9 Chọn giá trị process valuArchive 61 4.10 Giao diện điều khiển 62 4.11 Sơ đồ khối phương pháp thực nghiệm 62 4.12 ðường đặc tính lò nhiệt điện trở 64 4.13 Cấu trúc hệ thống đo CBð: Cảm biến đo; Kð: khuyếch đại 64 4.14 Mạch động lực cấp nguồn lò điện 65 4.15 Sơ đồ khối cấu trúc ðTðK 65 4.16 Sơ đồ khối cấu trúc hệ thống điều chỉnh nhiệt độ điện trở 66 4.17 Các q trình q độ chuẩn 67 4.18 ðối tượng có tĩnh tự cân 68 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… 4.19 Vùng nghiệm số hệ thống có mức độ dao động m 70 4.20 ðường độ điều khiển 71 4.21 ðường đẳng trị m 76 4.22 Gọi thư viện Simulink 77 4.23 Tạo cửa sổ làm việc 77 4.24 Mở thư viện Simulink 78 4.25 Công cụ mô 78 4.26 Thay đổi thông số mơ 79 4-27 sơ đồ mơ lò điện trở 80 4-28 kết mô đường độ lò điện trở 81 4-29 ðường đẳng trị m = 0,51 82 4.30 Sơ đồ mô matlap 83 4.31 Kết mô với Km = 11,37 Ti = 2188,8s 83 4.32 Kết mô với Km = 12,57 Ti = 5031s 83 4.33 Kết mô với Km = 13,01 Ti = 6423s 84 4.34 Kết mô với Km = 13,32 Ti = 8428s 84 4.35 ðồ thị giám sát với SETVALUE 400 C; Kp =13,32; o Ti = 8428s 4.35 85 ðồ thị giám sát với SETVALUE 400oC; Kp =13,32; Ti = 8428s 4.37 85 o ðồ thị giám sát với SETVALUE 400 C; Kp =11,37; Ti = 2188,8s 4.38 86 ðồ thị giám sát với SETVALUE 400oC; Kp =12,57; Ti = 5031s 86 o 4.39 ðồ thị giám sát với SETVALUE 400 C; Kp =12,5; Ti = 3320s 4.40 ðồ thị giám sát với SETVALUE 400 C; Kp =11,37; Ti = 86 o 2188,8s Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… 87 Phụ lục 2.3 Tham biến hình thức đầu vào khối FB42 Tham số Kiểu Phạm vi Mặc định liệu COM_RST BOOL Mô tả làm việc FALSE COMPLETE RESTART-Modul mềm khởi tạolại hoàn toàn cổng vào complete restart có giá trị logic LMNR_LS BOOL FALSE HIGH LIMIT OF POSITION BACK FEED SIGNAL-Tín hiệu “actuator at uper limit stop” nối đến cổng vào “low limit of position feedback” cổng cấu chấp hành bị cấm LMNR_LS=TRUE LMNS_ON BOOL FALSE MANUAL ACTUATING SIGNAL ON- Xử lý tín hiệu chấp hành chuyển sang chế độ tay qua cổng vào manual actuating signal on Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… 103 LMNUP BOOL FALSE ACTUATING SIGNAL UP- Tín hiệu QLMNUP thiết lập qua cổng vào “actuating signal up” với tín hiệu chấp hành tay MNDN BOOL FALSE ACTUATING SIGNAL DOWN- Tín hiệu QLMNUP thiết lập qua cổng vào “actuating signal down” với tín PVPER_ON BOOL FALSE hiệu chấp hành tay PROCESS VARIABLE PERIPHERAL ON- Muốn đọc tín hiệu q trình từ cổng vào/ra cỏng vào “process variable peripheal on” CYCLE TIME ≥1ms T#1s phải có giá trị logic SAMPLING TIMEThời gian lấy mẫu la khoảng thời gian không đổi lần khối cập nhật SP_INT REAL -100% 100.0% 0.0 INTERNAL SETOINTðầu vào “internal Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… 104 Hoặc giá setpoint” sử dụng để trị vật lý PV_INT REAL -100% 0.0 thiết lập tín hiệu chủ đạo PROCESS VARIABLE 100.0% IN-Giá trị khởi tạo có Hoặc giá thể trị vật lý “process đặt đầu vào variable in” từ biến trình biểu diễn dạng số thực dấu phẩy PV_PER WORD W#16# động PROCESS VARIABLE 0000 PERIPHERAL- Biến trình biểu diễn số nguyên truyền trực tiếp từ cổng vào/ra tượng tự qua cổng vào “process GAIN REAL 2.0 variable periphearl” PROPOTIONAL GAIN- Hệ số khuyếch đại luật P đặt qua cổng vào “proportional gain” TI TIME ≥CYCL E T#20s RESET TIME – Cổng vào “reset time” dùng để thiết lập số thời gian tích phân theo luật I cho điều Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… 105 khiển tích phân DEADB_W REAL 0.0 100 1.0 DEAD % WIDTH- giá trị BAND Một vùng nhạy thiết kế vật lý để xử lý tín hiệu sai lệch ðộ rộng vùng nhạy đặt thông qua cổng vào “dead band width” PV_FAC REAL 1.0 PROCESS VARIABLE FACTOR- Biến trình nhân với hệ số cho phù hợp với phạm vi quy định biến Hệ số chọn thông qua cổng vào “process variable factor” PV_OFF REAL 0.0 PROCESS VARIABLE OFFSET- Biến trình cộng với lượng cho phù hợp với phạm vi quy định biến Giá trị bù chọn thông qua cổng vào “process variable offset” Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… 106 PULSE_TM TIME ≥CYCLE T#3s MINIMUN PULSE TIME- Chu kỳ phát xung nhỏ đặt thông qua cổng vào “minimun pulse time” BREAK_TM TIME ≥CYCLE T#3s MINIMUN BREAK TIME- Thời gian cấm nhỏ nhât đặt qua cổng vào “minimun break time” MTR_TM TIME ≥CYCL T#30s E MOTOR ACTUATING TIME- Khoảng thời gian cần thiết để cấu chấp hành chuyển từ giới hạn dừng sang giới hạn dừng khác đặt qua cổng vào “moto actuating time” DISV REAL -100 0.0 DISTURBANCE 100.0% VARIBLE- Hoặc giá khiển hệ thống trị vật lý phương feeđforwar Khi điều pháp giáảtị bù nhiễu đặt qua cổng vào “disturbance varible” Phụ lục 2.4 Tham biến hình thức đầu khối FB42 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… 107 Cổng Kiểu Mặc định Mô tả liệu QLMUP BOOL FALSE ACTUATING SIGNAL UP- Cơ cấu chấp hành van mở cổng QLMDN BOOL FALSE “actuating signal up” ACTUATING SIGNAL DOWN Cơ cấu chấp hành van mở cổng “actuating signal down” PV REAL 0.0 PROCESS VARIABLE Biến q trình xuất qua cổng “process variable” ER REAL 0.0 ERROR SIGNAL Tín hiệu sai lệch xuất qua cổng “error signal” Phụ lục 2.5 Tham biến hình thức đầu vào khối FB43 Tham số INV Kiểu Khoảng giá Mặc định liệu trị REAL -100.0 0.0 100% Mô tả Một giá trị biến thao tac dạng tương tự nối tới tham số “INPUT VARIABLE” PER_TM TIME ≥20CYCLE T#1s Một khoảng thời gian điều chế độ rộng xung cố định đầu tham số đầu vào với “PERIOD TIME” tương ứng với Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… 108 thời gian lấy mẫu điều khiển Tỉ lệ thời gian lấy mẫu máy phát xung điều khiển xác định độ xác điều chế xung P_B_TM TIME ≥CYCLE T#50ms Một giá trị thời gian xung nhỏ thời gian cấm nhỏ gán cổng P_B_TM RATIOFC REAL 1.0 10 1.0 Tham số đầu RATIOFC có thể sử dụng để thay đổi tỉ lệ độ rộng xung âm hay dương Trong trình nhiệt, điều cho phép sai lệch khác số thời gian q trình làm nóng hay làm mát STEP3_ON BOOL TRUE Tham số đầu vào “three step control on” kích hoạt chế độ Trong chế độ “three step control” hai tín hiệu Trường ðại học Nơng Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… 109 tích cực ST2BI_ON BOOL FALSE Với tham số vào “two step control for bipolar manipulated value range on” ta chọn hai chế độ “two step control for bipolar manipulated value range on” “two step control for monopolar manipulated value range” MAN_ON BOOL FALSE Bằng cách thiết lập tham số “Manual mode on” tham số đầu thiết lập tay POS_P_ON BOOL FALSE chế độ tay với “three step control” tín hiệu đầu ta QPOS_P thiết lập lại tham số “positive đầu vào pulse on” Trong chế độ làm việc tay với two step control QNEG_P luôn thiết lập trái ngược với QPOS_P Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… 110 NEG_P_ON BOOL FALSE chế độ tay với three step control tín hiệu đầu QPOS_P thiết lập tham số đầu vào “negative pulse on” Trong chế độ làm việc tay với two step control QNEG_P luôn thiết lập trái ngược với QPOS_P SYN_ON BOOL TRUE Bằng việc thiết lập đầu vào “synchronization on” ta thiết lập chế độ đồng hoá tự động với khối mà UPDATE biến đầu vào IND ðiều đảm bảo thay đổi biến vào dẫn đến thay đổi nhanh tốt đầu dạng xung COM_RT BOOL FALSE Khối khởi tạo lại hoàn “complete retat” thiết lập CYCLE TIME >=1ms T#10ms Khoảng thời gian lần gọi khối số Tham Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… số 111 “SAMPLING TIME” xác định số Chú ý: Giá trị tham số vào khơng bị giới hạn bên khối Khơng có tham số kiểm tra Phụ lục 2.6 Tham biến hình thức đầu FB43 Tham biến Kiểu Khoảng giá Mặc liệu QPOS_P BOOL trị Mô tả định FALSE Tham số đầu “output positive pulse” thiết lập mà xung đầu Trong chế độ “three step control” ln ln xung dương Trong chế độ “two step control” QNEG_P thiết lập ngược với QPOS_P QNEG_P BOOL FALSE Tham số đầu “output negative pulse” thiết lập mà xung đầu Trong chế độ “three step control” ln xung âm chế độ “two step control” QNEG_P thiết lập ngược với QPOS_P Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… 112 Phụ lục 4.1 Chương trình điều khiển lò nhiệt sử dụng khối FB41 Trường ðại học Nơng Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… 113 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… 114 Phụ lục 4.2 Chương trình điều khiển lò nhiệt sử dụng khối FB41 FB43 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… 115 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… 116 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… 117 ... Cơ điện Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội lựa chọn đề tài: Tổng hợp hệ thống điều khiển sở PID mềm PLC ” Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết - Tổng hợp hệ thống điều khiển sở PID mềm. .. hình Trang 1.1 ðối tượng điều khiển 1.2 Hệ thống điều khiển vòng hở 1.3 Hệ thống điều khiển vòng kín 1.4 Cấu trúc PLC 1.5 Hệ thốg điều khiển có PLC 1.6 Hệ thống điều khiển phức tạp 1.7 SimatiC... DỰNG HỆ THỐNG HAI MẠCH VÒNG TRÊN CƠ SỞ KHỐ 300 Xây dựng hệ thống điều khiển m 3.1.2 Xây dựng điều khiển ứng dụng k 3.1.2 Xây dựng hệ thống điều khiển sử dụ 3.1.3 Xây dựng hệ thống điều khiển