Nghiên cứu ứng dụng plc s7 1200 điều khiển mức chất lỏng trong dây chuyền sản xuất hóa chất công nghiệp

Tính cấp thiết của Đề tài: Trong thời đại ngày nay khi công nghệ thông tin ngày càng phát triển, cùng hoà nhập với chủ trương công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước, ngành kỹ thuật điều

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NINH THUẬN, NĂM 2017

i

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận văn

Trần Ngọc Thưởng

ii

LỜI CÁM ƠN

Trong quá trình thực hiện đề tài em gặp không ít những khó khăn, nhưng với sự hướng dẫn tận tình của thầy hướng dẫn cùng các thầy cô trong khoa đến nay đề tài của em đã hoàn thành đúng thời gian quy định

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Vũ Minh Quang, giảng viên bộ môn “ Kĩ thuật điện ” Khoa Năng Lượng – Trường ĐH Thủy Lợi, người đã tận tình chỉ bảo hướng dẫn em trong quá trình làm luận văn

Em xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô trường ĐH Thủy Lợi, gia đình và bạn bè, những người đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn

Dù đã cố gắng nhưng đề tài cũng không thể tránh khỏi những khiếm khuyết, rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý Thầy Cô để đề tài của em được hoàn thiện hơn nữa

Em xin chân thành cảm ơn!

iii

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH v

DANH MỤC BẢNG BIỂU vii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii

MỞ ĐẦU: ix

1 Tính cấp thiết của Đề tài: ix

2 Mục đích của Đề tài: x

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ DÂY CHUYỀN CUNG CẤP VÀ SẢN XUẤT HÓA CHẤT TRONG CÔNG NGHIỆP 1

1.1 Giới thiệu về dây chuyền sản xuất và cung cấp hoá chất công nghiệp : 1

1.2 Phương pháp sản xuất hóa chất công nghiệp : 2

1.3 Dây chuyền sản xuất hóa chất trong công nghiệp điển hình 3

Sơ đồ: 3

1.3.1 Nguyên lí làm việc : 3

1.3.2 CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU PLC S7 – 1200 8

2.1 Giới thiệu tổng quan về PLC : 8

Khái niệm về PLC : 8

2.1.1 2.2 Giới thiệu PLC S7-1200 : 11

Phần cứng PLC S7-1200 13

2.2.1 2.3 Phần mềm điều khiển và lập trình : 15

Giới thiệu: 15

2.3.1 Ứng dụng : 16

2.3.2 Khả năng làm việc : 17

2.3.3 CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN 18

3.1 Xây dựng mô hình toán học bộ điều khiển mức chất lỏng 18

Định nghĩa về các bộ điều chỉnh PID 18

3.1.1 3.2 Mô hình toán học bộ điều khiển mức chất lỏng 22

Mô hình bộ điều khiển mức chất lỏng 22

3.2.1 Đối tượng van tuyến tính: 23

3.2.2 Đối tượng bình mức: 23

3.2.3 Đối tượng cảm biến siêu âm: 25 3.2.4

iv

Sơ đồ mô hình toán học bộ điều khiển mức chất lỏng 25

3.2.5 Tìm thông số PID 25

3.2.6 CHƯƠNG 4 LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 28

4.1 Biểu đồ chức năng 28

4.2 Chương trình điều khiển: 30

CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ GIAO DIỆN GIÁM SÁT HMI 45

5.1 Giới thiệu về giao diện giám sát HMI 45

5.2 Giới thiệu về incc Pro essional 47

Tổng quan về in CC: 47

5.2.1 Chức năng phổ biến của in CC 48

5.2.2 5.3 Thiết kế giao diện 50

CHƯƠNG 6 MÔ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN 52

6.1 Mô phỏng ở chế độ tự động 52

6.2 Mô phỏng ở chế độ Tay: 57

6.3 Kết luận 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

v

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Bình chứa đựng hoá chất trong công nghiệp 1

Hình 1.2: Trung tâm vận hành dây chuyền sản xuất hóa chất 2

Hình 1.3: Sơ đồ dây chuyền sản xuất hóa chất trong công nghiệp 3

Hình 1.4: Van điều khiển tuyến tính bằng điện Ginice Korea 5

Hình 1.5: Cảm Biến siêu âm 6

Hình 2.1: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển lập trình 9

Hình 2.2: Sơ đồ khối tổng quát của CPU 10

Hình 2.3: PLC S7 – 1200 13

Hình 2.4: PLC S7 - 1200 nhìn từ phía trước 14

Hình 2.5: Giao diện làm việc của TIA Portal 15

Hình 3.1: Bộ điều khiển PID không phụ thuộc 18

Hình 3.2: Bộ điều khiển PID phụ thuộc 19

Hình 3.3: Bông thức xác định giá trị các hệ số Ki, Kp, Kd 21

Hình 3.4: Mô hình bộ điều khiển mức chất lỏng 22

Hình 3.5: Mô hình hàm truyền đạt 23

Hình 3.6: Sơ đồ khối mô hình toán học bộ điều khiển mức chất lỏng 25

Hình 3.7: Đáp ứng ngõ ra ứng với hệ số Ku = 0.043, Ki=Kp=0 26

Hình 3.8: Đáp ứng ngõ ra ứng khi xác định được thông số PID 26

Hình 3.9: Đáp ứng ngõ ra khi ngõ vào tăng giá trị 27

Hình 3.10: Đáp ứng ngõ ra khi ngõ vào giảm giá trị 27

Hình 4.1: Biểu đồ chức năng 29

Hình 4.2: Khối PID trong S7-1200 30

Hình 4.3: Bảng cài đặt thông số PID 31

Hình 4.4: Bảng nhập thông số PID 32

Hình 5.1: Kiểm tra lỗi sai sót khi thiết kế HMI 46

Hình 5.2: Tạo và gán thuộc tính cho nút STOP 50

Hình 5.3: Tạo và gán thuộc tính cho động cơ Pump 1 50

Hình 5.4: Tạo và gán thuộc tính cho I/O field 51

Hình 5.5: Tạo và gán thuộc tính cho Biểu đồ 51

Hình 6.1: Bơm 1 và 2 đang chạy 52

Hình 6.2: Bình 1 đầy mà bình 2 chưa đầy 53

Hình 6.3: Hệ thống gia nhiệt hoạt động 53

Hình 6.4: Gia đủ nhiệt, bơm 3 bơm 4 hoạt động 54

Hình 6.5: Khi bơm 3, 4 ngừng bơm, khuấy hoạt động 90s 54

Hình 6.6: Bơm 5 hoạt động đẩy sản phẩm vào bình chứa 4 55

Hình 6.7: Van tuyến tính đang mở 55

Hình 6.8: Bộ PID đang hoạt động khi có hóa chất 56

Hình 6.9: Bộ PID đang hoạt động khi đủ mức hóa chất 56

vi Hình 6.10: Mô phỏng ở chế độ tay khi nhấn BƠM 5 57

vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1: Định nghĩa các biến vào ra sử dụng trong bài 32 Chương trình điều khiển 45

viii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

(Xếp theo thứ tự A,B,C của chữ cái đầu viết tắt)

ĐHTL Đại học Thủy lợi

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

LVThS Luận văn Thạc sĩ

ix

MỞ ĐẦU:

1 Tính cấp thiết của Đề tài:

Trong thời đại ngày nay khi công nghệ thông tin ngày càng phát triển, cùng hoà nhập với chủ trương công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước, ngành kỹ thuật điều khiển và

Tự Động Hóa là ngành khoa học phát triển cực kỳ mạnh m , ở mọi lĩnh vực của đời sống gần như tự động hóa đã giúp cho chúng ta rất nhiều ngành nghề khác nhau Hiện nay, PLC là thiết bị tự động hóa được sử dụng phổ biến

Trong thực tế, vấn đề điều khiển mức chiếm một tỷ lệ rất lớn trong các lĩnh vực về dầu

mỏ, hóa chất, công nghiệp thực phẩm,… khi thực hiện pha chế theo một tỷ lệ nhất định nào đó Và vấn đề điều khiển đối tượng chính xác là rất cần thiết Các thiết bị càng ngày càng hiện đại và kích thước cũng nhỏ hơn nên các thao tác trong quá trình sản xuất đòi hỏi độ chính xác cao Một sai sót nhỏ có thể ảnh hưởng xấu đến toàn bộ sản phẩm Do đó, ngày càng nhiều phương pháp điều khiển chính xác được nghiên cứu phát triển, như điều khiển mờ và thích nghi, điều khiển PID…Trong việc điều khiển mức chất lỏng thì thuật toán điều khiển PID là phù hợp

Hệ thống điều khiển dùng giải thuật PID ứng dụng một trong những thuật toán điều khiển quá trình như : Điều khiển mức, điều khiển lưu lượng, điều khiển vận tốc, điều khiển vị trí Việc ứng dụng giải thuật điều khiển chính xác này vào thực tế nhằm làm giảm sai số trong kết quả điều khiển Với việc chiếm tỷ lệ cao so với các giải thuật điều khiển khác (> 80%), giải thuật điều khiển PID chiếm một vị trí vô cùng quan trọng trong các giải thuật điều khiển dùng trong công nghiệp bởi yêu cầu chính xác (accurate), đáp ứng nhanh ( ast response), ổn định (small overshot)

Hiện nay, PLC S7-1200 có thêm chức năng truyền thông và giám sát qua mạng nên việc việc kết nối mở rộng chức năng giám sát từ xa dễ dàng hơn và dần thay thế cho PLC S7-200, S7-300

Với những tính năng vượt trội so với PLC S7-200 và S7-300 nên đề tài em chọn là

x

“NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PLC S7-1200 ĐIỀU KHIỂN MỨC CHẤT LỎNG TRONG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT HÓA CHẤT CÔNG NGHIỆP ”

2 Mục đích của Đề tài:

- Tìm hiểu và ứng dụng phương pháp điều khiển PID trong PLC S7-1200 điều khiển

và giám sát mức chất lỏng trong dây chuyền sản xuất hóa chất công nghiệp

- Củng cố và vận dụng kiến thức đã học để áp dụng vào mô hình thực tế

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

- Phần mềm lập trình TIA PORTAL cho PLC S7-1200 và mô hình điều khiển giám sát mức chất lỏng

- Hiệu quả của việc sử dụng phương pháp điều khiển PID trong phần mềm TIA PORTAL cho PLC S7-1200 điều khiển mức chất lỏng

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:

- Nghiên cứu mô hình điều khiển giám sát mức chất lỏng bằng máy tính và PLC

S7-1200

- Nghiên cứu việc sử dụng inCC trong điều khiển giám sát

- Nghiên cứu việc điều khiển mức chất lỏng sử dụng bộ điều khiển kinh điển PID

- Giám sát được trên giao diện in CC

1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ DÂY CHUYỀN CUNG CẤP VÀ SẢN XUẤT HÓA CHẤT TRONG CÔNG NGHIỆP

1.1 Giới thiệu về dây chuyền sản xuất và cung cấp hoá chất công nghiệp :

Đặc điểm của ngành công nghiệp hóa chất là đa đạng về sản phẩm phục vụ cho tất cả các ngành kinh tế kỹ thuật Từ đó ngành công nghiệp này có thể khai thác mọi thế mạnh tài nguyên của đất nước từ khoáng sản, dầu khí tới sản phẩm, phụ phẩm và thậm chí cả phế thải của công nghiệp, nông nghiệp Công nghiệp hoá chất đóng vai trò cực

kỳ quan trọng trong nền kinh tế của một nước Đó là một ngành kinh tế – kỹ thuật chủ lực của đất nước Việt Nam thực hiện công cuộc đổi mới, những cải cách kinh tế đã thúc đẩy sự tăng trưởng kinh tế, phát triển công nghiệp - nông nghiệp Nhu cầu về nguyên liệu hóa chất cũng ngày càng tăng với tốc độ tăng trưởng sản xuất hóa chất

hằng năm là 15% Từ thực tiễn đó, em chọn đề tài “NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PLC S7-1200 ĐIỀU KHIỂN MỨC CHẤT LỎNG TRONG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT HÓA CHẤT CÔNG NGHIỆP” làm đề tài nghiên cứu của mình

Hình 1.1: Bình chứa đựng hoá chất trong công nghiệp

2

Hình 1.2: Trung tâm vận hành dây chuyền sản xuất hóa chất

1.2 Phương pháp sản xuất hóa chất công nghiệp :

Trong ngành công nghiệp nói chung và ngành đặc thù công nghiệp hoá chất nói riêng thì trộn là một khâu rất quan trọng để tạo ra sản phẩm Trộn hai hay nhiều chất để tạo thành hỗn hợp đòi hỏi một tỉ lệ chuẩn nhất định và nghiêm ngặt trong quá trình vận hành, không để có sự sai sót Và nhất là có những quá trình con người không trực tiếp tham gia tay chân hay tham gia được để đảm bảo an toàn lao động, quy trình là hoàn toàn khép kín

Hoạt động của hệ thống như sau:

- Bình chứa 1 và 2 được cấp đồng thời alkali và polymer bằng các động cơ bơm Bơm

1 và 2 ngừng hoạt động khi cảm biến đầy phát hiện trạng thái đầy của bình chứa

- Bộ phận gia nhiệt ở bình chứa 2 hoạt động, tăng nhiệt cho polymer tới 60°C, ngừng gia nhiệt khi cảm biến nhiệt tác động Sau đó bơm 3 và 4 hoạt động bơm chất lỏng

4

sang bình chứa 3 Khi có chất lỏng trong bình chứa 3, bộ phận khuấy hoạt động Động

cơ bơm 3 ngừng hoạt động khi bình chứa 3 đầy hoặc bình chứa 1 cạn

- Tương tự, động cơ bơm 4 ngừng hoạt động khi bình chứa 3 đầy hoặc bình chứa 2 cạn Động cơ khấy ngừng hoạt động sau khi ngừng động cơ 3 và 4 một khoảng là 90 giây

- Động cơ bơm 5 hoạt động bơm chất lỏng sang bình chứa 4 Động cơ bơm 5 ngừng hoạt động khi bình chứa 4 đầy hoặc bình chứa 3 cạn

- Chất lỏng được đưa vào bình chứa 4 để cung cấp nguyên liệu cho quá trình làm việc

để đảm bảo bình chứa T-304 luôn có nguyên liệu hoạt động

- Mức chất lỏng luôn cài đặt trước một giá trị nhất định Mức chất lỏng trong bình chứa 5 vào thời điểm hiện tại s được gửi về PLC S7-1200 bằng tín hiệu analog PLC

s so sánh mức chất lỏng với giá trị đặt trước, và khi có sự sai lệch, PLC s điều khiển đóng mở Van tuyến tính bằng phương pháp PID để cân bằng sai lệch

- Khi giá trị Setpoint thấp hơn giá trị mức hiện tại, Van xả s được kích hoạt để xả bớt chất lỏng ra ngoài

- Hệ thống hoạt động tự động lặp lại, bình chứa T304 lúc nào cũng có nguyên liệu để hoạt động

Van XV303 là van điều khiển tuyến tính – van analog, van được thiết kế để điều khiển nhiệt độ, áp suất, lưu lượng trong đường ống Được sử dụng nhiều trong các lò sấy, sấy cám, sấy trấu, seo giấy, sấy dừa…Van điều khiển tuyến tính hoạt động ổn định, chính xác và độ bền cao

5

Hình 1.4: Van điều khiển tuyến tính bằng điện Ginice Korea

Bộ điều khiển van tuyến tính là loại điều khiển bằng motor s kéo cần van lên hoặc xuống, nhận tín hiệu điều khiển từ đồng hồ điều khiển (4-20mA, 0-10Vdc, on/off) Tùy vào kích thước van và áp suất hoạt động s chọn bộ điều khiển có lực kéo thích hợp

Bộ điều khiển tích hợp các công tắc chọn chế độ thường đóng và thường mở, chế độ dừng tại chổ khi mất tín hiệu điều khiển hoặc tự động đóng van

Tích hợp cần quay tay khi van có sự cố, có thể điều chỉnh đóng mở mà không cần tín hiệu điện Bộ kéo van với lực kéo 2000N và 3500N

Thông số kỹ thuật bộ điều khiển van tuyến tính, Actuator

Model: GEA-20P, GEA-35P, GEA-20A, GEA-35A, GEA-15P, GEA-15A

 Lực kéo: 2000N (GEA-20P), 3500N (GEA-35P)

 Điều khiển: Tuyến tính hoặc ON-OFF (GEA-20A, GEA-35A)

 Nguồn cấp: 110~220VAC hoặc 24VAC

 Tín hiệu điều khiển: 4-20mA hoặc 0-10VDC

 Tín hiệu output: 4-20mA, làm tín hiệu hiển thị hành trình hoặc đưa về PLC xử lý

 Thời gian hành trình: 50 giây (GEA-20P), 100 giây (GEA-35P)

 Nhiệt độ hoạt động: -15~60 độ C

6

 Độ ẩm: 5~95%

 IP: 54

 Hành trình: 20mm hoặc 40mm

Thiết bị đo mức : là cảm biến siêu âm có phạm vi hoạt động từ 350mm đến 6000mm,

phạm vi hoạt động có thể thay đổi dễ dàng thông qua chức năng Teach-in trên nút nhấn (phạm vi từ 400mm đến 500mm, 1000mm đến 3000mm tương ứng với ngõ ra 4-

20mA hoặc 0-10Vdc hoặc 20-4mA, 10-0Vdc, và cũng có thể tùy chọn phạm vi sử

dụng bất kỳ miễn là trong giới hạn hoạt động của cảm biến

Cảm biến siêu âm UA30CAD60PGTI

Hình 1.5: Cảm Biến siêu âm Dùng để đo mức nước, đo mức chất lỏng, báo mức chất rắn, kiểm soát level,

đo khoảng cách, thể tích, khối lượng là những nhu cầu vô hạn và ngày càng tăng của ngành công nghiệp, thậm chí là các nhu cầu dân dụng, cuộc sống hằng ngày, hệ thống thủy lợi, thủy điện…

Cảm biến siêu âm có thể đáp ứng được các nhu cầu nêu trên, với nguyên tắc hoạt động

là phát ra sóng siêu âm tác động lên vật cản và nhận tín hiệu hồi tiếp về để biết được khoảng cách so với vật (chính xác là mặt phẳng)

Với nguyên tắc phát hiện bề mặt không cần tiếp xúc nên cảm biến không quan tâm đến dạng chất lỏng nào hay chất rắn nào Khi khoảng cách so với mặt phẳng thay đổi thì tín hiệu ngõ ra cũng thay đổi theo từ 4-20mA hoặc 0-10VDC, lúc này ta sử dụng tín

7

hiệu ngõ ra của cảm biến để quy về thể tích, khối lượng, khoảng cách… thông qua PLC hay một đồng hồ hiển thị (có thể tham khảo thêm đồng hồ hiển thị tại đây của Shihlin Taiwan)

Thông số kỹ thuật Cảm biến siêu âm UA30CAD60PGTI

 Nguồn cấp cho cảm biến : 15-30VDC

 Output: 4-20mm hoặc 0-10VDC, tích hợp thêm ngõ ra NPN/PNP

 IP: 67

 Cáp kết nối với cảm biến mặc định: dài 2m PVC

 Thời gian đáp ứng: Nhỏ hơn 500ms

Chọn phạm vi hoạt động cho cảm biến, ví dụ 400mm đến 800mm

Đặt cảm biến vuông góc với mặt phảng thật lớn có bán kính 500mm trở lên và không

có bất kỳ vật cản trên đường đi của sóng với ngưỡng xa trước 800mm (rất quan trọng) Nhấn nút một cái rồi thả ra, lúc này hai đèn trên cảm biến s chớp liên tục (ngưỡng xa

đã OK), kéo cảm biến lại gần với khoảng cáchlà 400mm (nhanh nhất là quay cảm biến xuống đất phẳng với khoảng cách là 400mm, kéo tới, kéo lui mất công) nhấn nút một cái rồi thả ra, hai đèn đang chớp s tắt và chớp 5 lần nữa rồi tắt lại vậy là OK cho ngưỡng gần

8

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU PLC S7 – 1200

2.1 Giới thiệu tổng quan về PLC :

Khái niệm về PLC :

2.1.1

PLC viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lập trình được (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích( ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định thời hay các sự kiện được đếm PLC dùng để thay thế các mạch rơ le trong thực tế PLC hoạt động theo phương thức quét các trạng thái trên đầu ra và đầu vào Khi có sự thay đổi ở đầu vào thì đầu ra cũng thay đổi theo

Ngôn ngữ lập trình của PLC có thể là Ladder hay State Logic Hiện nay có rất nhiều hãng sản xuất ra PLC như Siemens, Allen-Bradley, Mitsubishi Electric, General Electric, Omron…

Một khi sự kiện được kích hoạt thực sự, nó bật ON hay OFF thiết bị điều khiển bên ngoài được gọi là thiết bị vật lý Một bộ điều khiển lập trình s liên tục lặp trong chương trình do người sử dụng lập ra chờ tín hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ ra tại các thời điểm đã lập trình

Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây kết nối (bộ điều khiển bằng Relay) người ta đã chế tạo ra bộ PLC nhằm thỏa mãn các yêu cầu sau:

- Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học

- Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa chữa

- Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp

- Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp

- Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng, các Modul

mở rộng

9

- Giá cả có thể cạnh tranh được

Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay thế cho các phần cứng Relay dây nối và các Logic thời gian Tuy nhiên, bên cạnh đó việc đòi hỏi tăng cường dung lượng nhớ và tính dễ dàng cho PLC mà vẫn đảm bảo tốc độ xử lý cũng như giá cả…Chính điều này đã gây

ra sự quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC trong công nghiệp Các tập lệnh nhanh chóng đi từ các lệnh logic đơn giản đến các lệnh đếm, định thời, thanh ghi dịch…sau

đó là các chức năng làm toán trên máy lớn…Sự phát triển các máy tính dẫn đến các bộ PLC có dung lượng lớn, số lượng I/O nhiều hơn

Trong PLC, phần cứng CPU và chương trình là đơn vị cơ bản cho quá trình điều khiển hoặc xử lý hệ thống Chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện s được xác định bởi một chương trình Chương trình này được nạp sẵn vào bộ nhớ của PLC, PLC s thực hiện việc điều khiển dựa vào chương trình này Như vậy nếu muốn thay đổi hay mở rộng chức năng của quy trình công nghệ, ta chỉ cần thay đổi chương trình bên trong của bộ nhớ PLC Việc thay đổi hay mở rộng chức năng s được thực hiện một cách dễ dàng mà không cần một sự can thiệp vật lý nào so với sử dụng các bộ dây nối hay rơ

le

 Cấu trúc chung của PLC :

Một hệ thống điều khiển lập trình cơ bản phải gồm có hai phần: khối xử lý trung tâm ( CPU: Central Processing Unit) và hệ thống giao tiếp vào/ra(I/O)

Hình 2.1: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển lập trình Khối điều khiển trung tâm (CPU) gồm ba phần: bộ xử lý, hệ thống bộ nhớ và hệ thống nguồn cung cấp

Một bộ đếm chương trình s nhặt lệnh từ bộ nhớ chương trình đưa ra thanh ghi lệnh để thi hành

Chương trình ở dạng STL (StatemenList – Dạng lệnh liệt kê) s được dịch ra ngôn ngữ máy cất trong bộ nhớ chương trình

Sau khi thực hiện xong chương trình, CPU s gửi hoặc cập nhật(Update) tới các thiết

bị, được thực hiện thông qua module xuất

Một chu kỳ gồm đọc tín hiệu ở ngõ vào, thực hiện chương trình và cập nhập tín hiệu ở ngõ ra được gọi là một chu kỳ quét

Thực tế khi PLC thực hiện chương trình, PLC khi cập nhập tín hiệu ngõ vào, các tín hiệu hiện nay không được truy xuất tức thời để đưa ra ở ngõ ra mà quá trình cập nhập tín hiệu ở ngõ ra phải theo hai bước: khi xử lý thực hiện chương trình, vi xử lý s chuyển đổi các bước logic tương ứng ở ngõ ra trong chương trình nội( đã được lập

Vi xử lý có thể đọc được tín hiệu ở ngõ vào chỉ khi nào tín hiệu này tác động với khoảng thời gian lớn hơn một chu kỳ quét thì vi xử lý coi như không có tín hiệu này Tuy nhiên trong thực tế sản xuất, thường các hệ thống chấp hành là các hệ thống cơ khí nếu có tốc độ quét như trên có thể đáp ứng được các chức năng của dây chuyền sản xuất

Để khắc phục thời gian quét dài, ảnh hưởng đến chu trình sản xuất các nhà thiết kế còn thiết kế hệ thống PLC cập nhật tức thời, các hệ thống này thường được áp dụng cho các PLC lớn có số lượng I/O nhiều, truy cập và xử lý lượng thông tin lớn

1200 bao gồm một bộ vi xử lý (microprocessor), một nguồn cung cấp được kích hoạt sẵn, các đầu vào/ra (DI/DO)

- Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU và chương trình điều khiển:

12

+ Tất cả các CPU đều cung cấp bảo vệ bằng password chống truy cập vào PLC

+ Tính năng “know-how protection” để bảo vệ các block đặc biệt của mình

- S7-1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP:

+ Dùng để kết nối máy tính, với màn hình HMI hay truyền thông PLC-PLC

+ Dùng kết nối với các thiết bị khác có hỗ trợ chuẩn ethernet mở

+ Đầu nối RJ45 với tính năng tự động chuyển đổi đấu chéo

+ Tốc độ truyền 10-100 Mbits/s

+ Hỗ trợ 16 kết nối Ethernet

+ TCP/IP, ISO on TCP, và S7 protocol

- Các tính năng về đo lường, điều khiển vị trí, điều khiển quá trình:

+ 6 bộ đếm tốc độ cao dùng cho các ứng dụng đếm và đo lường, trong đó có 3 bộ đếm 100kHz và 3 bộ đếm 30kHz

+ 2 ngõ PTO 100kHz để điều khiển tốc độ và vị trí động cơ bước hay bộ tải servo + Ngõ ra điều rộng xung P M, điều khiển tốc độ động cơ, vị trí valve, hay điều khiển nhiệt độ…

+ 16 bộ điều khiển PID với tính năng tự động xác định thông số điều khiển Ngoài ra bạn có thể dùng các module truyền thông mở rộng kết nối bằng RS485 hoặc RS232

- Phần mềm dùng để lập trình cho S7-1200 là Step7 Basic Step7 Basic hỗ trợ ba ngôn ngữ lập trình là FBD, LAD và SCL Phần mềm này được tích hợp trong TIA Portal 11 của Siemens

- Vậy để làm một dự án với S7-1200 chỉ cần cài TIA Portal vì phần mềm này đã bao gồm cả môi trường lập trình cho PLC và thiết kế giao diện HMI

- 13 module tín hiệu số và tương tự khác nhau

- 2 module giao tiếp RS232/RS485 để giao tiếp thông qua kết nối PTP - Bổ sung 4 cổng Ethernet

- Module nguồn PS 1207 ổn định, dòng điện áp 115/230 VAC và điện áp 24VDC

 Cấu tạo của CPU :

1 Bộ phận kết nối nguồn

2 Các bộ phận kết nối nối dây của người dùng có thể tháo được(phía sau các nắp che) Khe cắm thẻ nhớ nằm dưới cửa phía trên

3 Các LED trạng thái dành cho I/O tích hợp

4 Bộ phận kết nối PROFINET(phía trên của CPU)

Hình 2.4: PLC S7 - 1200 nhìn từ phía trước

SB với 4 I/O kiểu số( ngõ vào 2 xDC và ngõ ra 2 x DC)

+ SB với 1 ngõ ra kiểu tương tự 1 Các LED trạng thái trên SB 2 Bộ phận kết nối nối dây người dùng có thể tháo ra

15

2.2.1.2 Các module truyền thông :

Họ S7-1200 cung cấp các module truyền thông(CM) dành cho các tính năng bổ sung vào hệ thống Có 2 module truyền thông RS232 và RS485:

+ CPU hỗ trợ tối đa 3 module truyền thông

+ Mỗi CM kết nối vào phía bên trái của CPU( hay về phía bên trái của một CM khác)

7 V13 để lập trình các bộ điều khiển Simatic Simatic inCC V13 để cấu hình các màn hình HMI và chạy Scada trên máy tính, giúp tăng năng suất và hiệu quả làm việc

Hình 2.5: Giao diện làm việc của TIA Portal

16

TIA Portal giúp cho các phần mềm này chia sẻ cùng một cơ sở dữ liệu, tạo nên sự thống nhất trong giao diện và tính toàn vẹn cho ứng dụng Ví dụ, tất cả các thiết bị và mạng truyền thông bây giờ đã có thể được cấu hình trên cùng một cửa sổ Hướng ứng dụng, các khái niệm về thư viện, quản lý dữ liệu, lưu trữ dự án, chuẩn đoán lỗi, các tính năng online là những đặc điểm rất có ích cho người sử dụng khi sử dụng chung cơ

sở dữ liệu TIA Portal

TIA Portal cung cấp một hệ thống kĩ thuật mới thông minh và trực quan hơn, với các giao diện trực quan, dễ nhìn, tính năng “ kéo-thả” đơn giản, thuận tiện cho việc lập trình Hai phần mềm quan trọng trong TIA Portal là Simatic Step 7 và Simatic inCC

hệ thống ánh sáng; điều khiển hệ thống bơm; hệ thống phòng cháy; hệ thống điều khiển an ninh/ vào ra; hệ thống điều khiển gia nhiệt/làm mát; điều khiển nhiệt độ phòng

Ngoài ra, S7-1200 có các ứng dụng mới như :

- Điều khiển từ xa thông qua mạng Pro inet, Internet, Modbus, qua hệ thông mạng không dây

- PLC kết nối với PLC thông qua Internet và mạng nội bộ Có thể truyền thông thông qua mạng Ethernet công nghiệp nhưng khoảng cách tối đa là 100m

17

- Điều khiển truy cập vào S7-1200 từ xa thông qua Internet và web server Có thể truy cập vào PLC thông qua trình duyệt eb, tuy nhiên PLC trong trường hợp này cần đặt một IP tĩnh để có thể kết nối

- Đặc biệt S7-1200 cung cấp các giải pháp để điều khiển từ xa qua mạng Ethernet, Pro inet, qua hệ thống mạng không dây Ngoài ra còn các ứng dụng như giao tiếp với inCC xuất dữ liệu Excel, truyền thông mạng Pro ibus với PLC, biến tần Siemens, truyền thông Pro inet giữa PLC với PLC… Khả năng mở rộng S7-1200 hỗ trợ tối đa 8 module mở rộng tín hiệu vào/ra(SM) và 3 module truyền thông

Khả năng làm việc :

2.3.3

PLC S7-1200 có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực sản xuất, có thể thực hiện hầu hết các công việc mà các PLC có thể đảm nhiệm với năng suất và hiệu quả cao Với việc tích hợp PROFINET, hỗ trợ truyền thông tiêu chuẩn truyền thông Ethernet và dựa trên TCP/IP, S7-1200 có khả năng kết nối rất mạnh và linh hoạt với các thiết bị khác như kết nối với máy tính cá nhân PC, kết nối với HMI, kết nối với PLC khác, khả năng điều khiển PLC từ xa thông qua mạng truyền thông, mạng không dây được tăng cường

Thông qua mạng Internet hoặc mạng cục bộ, ta có thể điều khiển và giám sát S7-1200

từ khoảng cách xa, thậm chí với ebserver, ta có thể kết nối với S7-1200 thông qua các trang web, các thiết bị di động, hết sức thuận lợi cho việc điều khiển, giám sát, vận hành hệ thống từ xa

S7-1200 có thể làm việc ở những môi trường làm việc nguy hiểm độc hại cho con người, những môi trường khắc nghiệt như nhà máy luyện thép

18

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN

3.1 Xây dựng mô hình toán học bộ điều khiển mức chất lỏng

Định nghĩa về các bộ điều chỉnh PID

3.1.1

PID là cách viết tắc của các từ Propotional (tỉ lệ), Integral (tích phân), Derivative (đạo hàm) và là giải thuật điều khiển được dùng nhiều nhất trong các ứng dụng điều khiển tự động với yêu cầu chính xác (accurate), nhanh ( ast response), ổn định (small overshot)

Bộ điều khiển PID, là một kỹ thuật điều khiển quá trình tham gia vào các hành động

xử lý về Tích phân Tỷ lệ và Vi phân, theo đó các tín hiệu sai số xảy đến được làm giảm đến mức tối thiểu bởi ảnh hưởng của tác động tỷ lệ, ảnh hưởng của tác động tích phân và được làm rõ bởi một tốc độ đạt được với tác động vi phân số liệu trước đó Hoạt động của PID được dựa trên mô hình toán học đối với kết quả phản hồi của một quá trình vòng lặp được điều khiển Hay nó gọi là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển Có hai dạng PID được sử dụng phổ biến là

Hình 3.1: Bộ điều khiển PID không phụ thuộc

19

Hình 3.2: Bộ điều khiển PID phụ thuộc

 Kp – hằng số điều khiển tỷ lệ

 Ki – hằng số điều khiển tích phân

 Kd – hằng số điều khiển vi phân

Một điều rất tự nhiên, với yêu cầu nhanh thì một cách đơn giản để công thức hóa ý tưởng này là dùng quan hệ tuyến tính: F=Kp*e

Trong đó Kp là một hằng số dương nào đó mà chúng ta gọi là hệ số P (Propotional gain), e là sai số cần điều khiển Mục tiêu điều khiển là đưa e (sai số) tiến về 0 càng nhanh càng tốt Rõ ràng nếu Kp lớn thì tác động nhanh của điều khiển cũng càng lớn Tuy nhiên, do quán tính mà việc điều khiển càng nhanh càng gây ra tính mất ổn định (do lực quán tính và lực điều khiển tạo ra cặp đối lực xuất hiện ở hai khoảng thời gian liên tiếp nhau => chúng tạo ra dao động không kiểm soát được)

Như vậy, ta s sử dụng đạo hàm của sai số e để làm tăng giá trị nhưng ngược chiều của lực F (vì e đang giảm nhanh dần) Nếu sử dụng đạo hàm làm thành phần “thắng” thì có thể giảm được overshot của xe Thành phần “thắng” này chính là thành phần D (Derivative) trong bộ điều khiển PID mà chúng ta đang khảo sát Thêm thành phần D này vào bộ điều khiển P hiện tại, chúng ta thu được bộ điều khiển PD như sau:

F=Kp*e + Kd*(de/dt) Trong đó (de/dt) là vận tốc thay đổi của sai số e và Kd là một hằng số không âm gọi là

hệ số D (Derivative gain)

20

Sự hiện diện của thành phần D làm giảm overshot vật thể điều khiển khi nó tiến gần về

vị trí cân bằng (vị trí ổn định), lực F gồm 2 thành phần Kp*e > =0 (P) và Kd*(de/dt)

<=0 (D)

Trong một số trường hợp thành phần D có giá trị lớn hơn thành phần P và lực F đổi chiều, “thắng” (hãm tốc) lại, yếu tố cần điều khiển (ví dụ vận tốc, vị trí ) của vật thể giảm mạnh ở gần vị trí cân bằng Một vấn đề nảy sinh là nếu thành phần D quá lớn so với thành phần P hoặc bản thân thành phần P nhỏ thì khi tiến gần điểm cân bằng (chưa thật sự đến vị trí này), vật thể có thể dừng hẳn, thành phần D bằng 0 (vì sai số e không thay đổi nữa), lực F = Kp*e

Trong khi Kp và e lúc này đều nhỏ nên lực F cũng nhỏ và có thể không thắng được lực

ma sát tĩnh Sai số e trong tình huống này gọi là steady state error (tạm dịch là sai số trạng thái tĩnh) Để tránh steady state error, người ta thêm vào bộ điều khiển một thành phần có chức năng “cộng dồn” sai số

Khi steady state error xảy ra, 2 thành phần P và D mất tác dụng, thành phần điều khiển mới s “cộng dồn” sai số theo thời gian và làm tăng lực F theo thời gian Đến một lúc nào đó, lực F đủ lớn để thắng ma sát tĩnh và đẩy vật tiến tiếp về điểm cân bằng Thành phần “cộng dồn” này chính là thành phần I (Integral - tích phân) trong bộ điều khiển PID

Vì chúng ta điều biết, tích phân một đại lượng theo thời gian chính là tổng của đại lượng đó theo thời gian Bộ điều khiển đến thời điểm này đã đầy đủ là PID:

Như vậy, chức năng của từng thành phần trong bộ điều khiển PID giờ đã rõ Tùy vào mục đích và đối tượng điều khiển mà bộ điều khiển PID có thể được lượt bớt để trở thành bộ điều khiển P, PI hoặc PD Công việc chính của người thiết kế bộ điều khiển PID là chọn các hệ số Kp, Kd và Ki sao cho bộ điều khiển hoạt động tốt và ổn định (quá trình này gọi là PID gain tuning) Đây không phải là việc dễ dàng vì nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố

21

 Phương pháp chọn các hệ số cho PID như sau:

- Chọn Kp trước: thử bộ điều khiển P với đối tượng thật (hoặc mô phỏng), điều chỉnh

Kp sao cho thời gian đáp ứng đủ nhanh, chấp nhận overshot nhỏ

- Thêm thành phần D để loại overshot, tăng Kd từ từ, thử nghiệm và chọn giá trị thích hợp Steady state error có thể s xuất hiện

- Thêm thành phần I để giảm steady state error Nên tăng Ki từ bé đến lớn để giảm steady state error đồng thời không để cho overshot xuất hiện trở lại

Phương pháp Ziegler–Nichols

Là một phương pháp điều chỉnh bộ điều khiển PID được phát triển bởi John G Ziegler

và Nathaniel B Nichols Phương pháp này được thực hiện bằng cách thiết lập thông số

độ lợi khâu I (tích phân) và khâu D (vi phân) về không (0,zero) Độ lợi khâu P (tỷ lệ,

khuếch đại), độ lợi Kp được tăng lên từ không (0) cho đến khi nó đạt đến độ lợi Ku tối

đa, mà đầu ra của vòng điều khiển dao động với biên độ không đổi Ku và chu kỳ dao động Tu được sử dụng để thiết lập độ lợi P, I, và D tùy thuộc vào loại điều khiển được

Các hệ thống lớn không có chức năng tự động xác định thông số nhưng được trang bị

hệ thống v đồ thị tín hiệu đo được của biến quá trình (proces value- PV) và biến đầu

ra của bộ điều khiển (manipulated value-MV)

22

3.2 Mô hình toán học bộ điều khiển mức chất lỏng

Mô hình bộ điều khiển mức chất lỏng

3.2.1

Hình 3.4: Mô hình bộ điều khiển mức chất lỏng

Qi Lưu lượng nước chảy vào bình

Qimax Lưu lượng nước chảy vào bình max

Qo Lưu lượng nước chảy ra khỏi bình

H Mức nước trong bình

Ho Mức nước trong bình ban đầu

h mức nước ứng với lượng nước chảy vào bình

Hmax Mức nước cao nhất trong bình