Điều khiển đối tượng nhiệt bằng module pid mềm của phần mềm step 7

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP NGUYỄN THỊ THƯY ĐIỀU KHIỂN ĐỐI TƢỢNG NHIỆT BẰNG MODULE PID MỀM CỦA PHẦN MỀM STEP7 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA THÁI NGUYÊN - NĂM 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP NGUYỄN THỊ THƯY ĐIỀU KHIỂN ĐỐI TƢỢNG NHIỆT BẰNG MODULE MỀM CỦA PHẦN MỀM STEP7 CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA MÃ SỐ: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT KHOA CHUYÊN MÔN TRƢỞNG KHOA NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC GS.TS PHAN XUẤN MINH PHÕNG QUẢN LÝ ĐT SAU ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN - NĂM 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii LỜI CAM ĐOAN Tên là: Nguyễn Thị Thúy Sinh ngày 05 tháng 12 năm 1976 Học viên lớp Cao học khóa 14 - Tự động hóa - Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Hiện công tác tại: Trƣờng Cao đẳng nghề Yên Bái Tôi xin cam đoan toàn nội dung luận văn “Điều khiển đối tƣợng nhiệt module PID phần mềm Step7” đƣợc GS.TS Phan Xuân Minh hƣớng dẫn; tài liệu tham khảo đƣợc luận văn Các số liệu nêu luận văn trung thực Những kết luận khoa học luận văn chƣa đƣợc cơng bố cơng trình Tơi xin cam đoan có sai tơi hồn tồn chịu trách nhiệm./ Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014 Tác giả Nguyễn Thị Thúy Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực luận văn, tác giả nhận đƣợc quan tâm lớn nhà trƣờng, khoa, phịng chức năng, thầy giáo đồng nghiệp Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng quản lý đào tạo sau đại học, giảng viên Trƣờng Đại học Công nghiệp Thái Ngun, tạo điều kiện cho tơi hồn thành luận văn Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến GS.TS Phan Xuân Minh tận tình hƣớng dẫn trình thực luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn đến thầy giáo phịng thí nghiệm giúp đỡ tạo điều kiện để tác giả hồn thành thí nghiệm điều kiện tốt Mặc dù cố gắng, song thời gian nghiên cứu có hạn, nên luận văn cịn thiếu sót Rất mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp từ thầy cô giáo bạn đồng nghiệp để luận văn đƣợc hồn thiện có ý nghĩa ứng dụng thực tế Xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014 Tác giả Nguyễn Thị Thúy Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN iv DANH MỤC SƠ ĐỒ, BẢNG BIỂU vii MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: NHẬN DẠNG HỆ THỐNG GIA NHIỆT 1.1 Giới thiệu mơ hình hệ thống gia nhiệt 1.1.1 Bình gia nhiệt 1.1.2 Dây điện trở dùng để gia nhiệt 1.1.3 Cảm biến đo nhiệt độ 1.1.4 Mạch biến đổi xoay chiều xoay chiều pha .4 1.1.5 Bộ chuyển đổi AD/DA – Dùng cho điều khiển máy tính .5 1.1.6 Máy bơm hai van điện từ 1.2 Quy trình hệ thống gia nhiệt yêu cầu 1.3 Tìm hiểu Toolbox Identification Matlab .8 1.4 Nhận dạng hệ thống gia nhiệt sử dụng Toolbox Indenfication 16 1.4.1 Thu thập số liệu .16 1.4.2 Tiến hành nhận dạng sử dụng Toolbox Indenfication .17 Kết luận chƣơng 21 CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG GIA NHIỆT 22 2.1 Phƣơng pháp IMC 22 2.2 Phƣơng pháp số thời gian tổng Kuhn 24 2.3 Phƣơng pháp Ziegler- Nichols 25 2.4 Phƣơng pháp tối ƣu mô dun .27 Kết luận chƣơng 29 CHƢƠNG 3: TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG GIA NHIỆT 30 BẰNG PLC S7-300 30 3.1 Lựa chọn giải pháp kỹ thuật .30 3.2 Module điều khiển trình phần mềm STEP 33 3.2.1 Modul xử lý tín hiệu đo FC105 33 3.2.2 Modul xử lý tín hiệu FC106 34 3.2.3 Module điều khiển PID 35 3.3 Lập trình cài đặt điều khiển PID cho hệ thống gia nhiệt 40 3.3.1 Khởi động phần mền SIMATIC 40 3.3.2 Cài đặt giao thức truyền thông cho PLC 40 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vi 3.3.3 Xây dựng phần cứng cho PLC, cài đặt thời gian chƣơng trình ngắt .41 3.3.4 Định địa vào cho module analog 42 3.3.5 Khởi tạo chƣơng trình OB1, chƣơng trình ngắt OB35 .43 3.3.6 Lập trình chƣơng trình cho OB35 OB1 46 3.4 Lập trình giao diện ngƣời máy WinCC 49 3.4.1 Các bƣớc để tạo Project với WinCC 49 3.4.2 Giới thiệu sơ lƣợc bƣớc 49 3.5 Kết thực nghiệm 55 Kết luận chƣơng 60 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vii DANH MỤC SƠ ĐỒ, BẢNG BIỂU Hình 1.1: Mơ hình hệ thống thí nghiệm điều khiển gia nhiệt CRT 916921 Hình 1.2: Bình gia nhiệt……………………………………………………………………… Hình 1.3: Dây điện trở……………………………………………… ………………………3 Hình 1.4: Cảm biến đo nhiệt độ…………………………………………………………… …4 Hình 1.5: Bộ giao tiếp AD/DA Hình 1.6: Mơ hình hệ thống gia nhiệt Hình 1.7: Cửa sổ mơ hình nhận dạng Hình 1.8 : Nhập đối tƣợng vào công cụ nhận dạng Hình 1.9: Loại bỏ giá trị trung bình Hình 1.10: Di chuyển mơ hình iddatad thả vào working data 10 Hình 1.11: Hình vẽ liệu gốc 10 Hình 1.12: Bộ liệu iddatade 11 Hình 1.13: Mơ hình ƣớc lƣợng iddatade 11 Hình 1.14: Hình vẽ liệu iddatade 12 Hình 1.15: Bộ liệu iddatadv 12 Hình 1.16: Mơ hình ƣớc lƣợng iddatadv 13 Hình 1.17: Hình vẽ liệu iddatade 13 Hình 1.18: Di chuyển identdata de identdata dv vào vùng làm việc 14 Hình 1.19: Ƣớc lƣợng mơ hình 14 Hình 1.20: Đáp ứng tần số 15 Hình 1.21: Đồ thị so sánh mơ hình ARX ƣớc lƣợng theo phƣơng pháp LSE 15 Hình 1.22: Mơ hình tốn học ARX221 16 Hình 2.1 Mơ hình điều khiển sử dụng IMC 22 Hình 2.2 Mơ hình biến đổi tƣơng đƣơng 23 Hình 2.3: Đặc tính độ hệ thống điều khiển phƣơng pháp IMC 24 Hình 2.4: Đặc tính q độ hệ thống điều khiển phƣơng pháp Kuhn 25 Bảng 2.2: Thiết kế điều khiển theo Ziegler- Nichols 26 Hình 2.5: Đặc tính q độ hệ thống điều khiển đối tƣợng gia nhiệt 26 theo Ziegler-Nichols 26 Bảng 2.3: Tổng hợp điều khiển tố ƣu mô dun 27 Hình 2.6: Đặc tính q độ hệ thống điều khiển 28 đối tƣợng gia nhiệt theo PI 28 Hình 3.1: Mơ hình điều khiển hệ thống gia nhiệt sử dụng S7- 300 30 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ viii Hình 3.2.Giao diện WinCC cho hệ thống gia nhiệt sử dụng S7- 300 55 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT PLC ARX FLC DCS MPC Programmable Logic Control Auto Regressive eXternal Fuzzy Logic Controller Distributed Control System Model Based Predictive Controller Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỞ ĐẦU Mục tiêu luận văn Hiện nay, thiết bị điều khiển trình nhƣ hệ PLC, DCS đƣợc sử dụng nhiều công nghiệp Ƣu điểm hệ thống thiết bị tính tiện ích việc tích hợp hệ thống tự động hóa ngồi cung cấp thiết bị phần cứng, hãng cung cấp phần mềm hỗ trợ cho cơng việc tích hợp hệ thống Trong điều khiển q trình, hệ thống tự động hóa tích hợp sở thiết bị có độ bền cao, hỏng hóc khả thay đổi chế độ công tác nhƣ tham số linh hoạt Để giúp cho công tác đào tạo Trƣờng Cao đẳng nghề Yên Bái lĩnh vực tự động hóa, kết hợp với việc khai thác thiết bị phục vụ giảng dạy trƣờng Đại học Công nghiệp Thái Nguyên, học viên chọn đề tài: “Điều khiển đối tượng nhiệt module PID mềm phần mềm STEP7” Với đề tài học viên có hội tìm hiểu thiết bị PLC hãng Siemens, thực hành thiết kế lập trình hệ thống điều khiển tự động cho đối tƣợng công nghiệp (cụ thể đối tƣợng nhiệt) thiết bị công cụ phần mềm Trƣờng Đại học Công nghiệp Thái Nguyên Mục tiêu nghiên cứu Trang bị cho học viên kiến thức phƣơng pháp mơ hình hóa đối tƣợng thực nghiệm Sử dụng thành thạo công cụ nhận dạng hệ thống phần mềm Matlab Simulink (Identification Tool) để mơ hình hóa đối tƣợng điều khiển tuyến tính với độ xác tƣơng đối cao Khai thác sử dụng thành thạo module điều khiển trình STEP7 nâng kỹ lập trình hệ thống điều khiển Về lý thuyết trang bị cho học viên phƣơng pháp thiết kế điều khiển PID, khả phân tích lựa chọn phƣơng pháp thiết kế phù hợp cho đối tƣợng điều khiển Nội dung luận văn Nội dung luận văn gồm chƣơng: Chƣơng I: Nhận dạng hệ thống gia nhiệt Chƣơng II: Thiết kế điều khiển cho hệ thống gia nhiệt Chƣơng III: Tổng hợp điều khiển cho hệ thống gia nhiệt PLC S7-300 CHƢƠNG 1: NHẬN DẠNG HỆ THỐNG GIA NHIỆT 1.1 Giới thiệu mơ hình hệ thống gia nhiệt Hệ thống thí nghiệm điều khiển gia nhiệt CRT 916921 đƣợc trƣờng Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Ngun trang bị cho phịng thí nghiệm chuyên ngành điều khiển tự động có cấu tạo nhƣ sau: Hình 1.1: Mơ hình hệ thống thí nghiệm điều khiển gia nhiệt CRT 916921 Mơ hình bao gồm khối nhƣ sau: + Bình gia nhiệt + Dây điện trở dùng để gia nhiệt + Cảm biến đo nhiệt độ + Mạch biến đổi điện áp AC/AC + Bộ chuyển đổi AD/DA + Máy bơm + Bồn chứa nƣớc + Hai van điện từ + Màn hình hiển thị nhiệt độ sử dụng LED + Máy tính Trong khối có chức nhƣ sau: 48 Trên khối DB41 địa MD0 (giá trị SP ), MD20 (hệ số Gain), MD12 (hệ số Ti) đƣợc gán giá trị từ WinCC 49 3.4 Lập trình giao diện ngƣời máy WinCC 3.4.1 Các bƣớc để tạo Project với WinCC Để tạo Project WinCC, ta tiến hành theo bƣớc sau: +Tạo Project +Chọn thiết lập Driver kết nối với PLC +Tạo Tag liên kết với địa PLC mà ta cần sử dụng +Tạo hình giao diện +Xác lập thơng số WinCC Runtime +Kích hoạt giao diện Project 3.4.2 Giới thiệu sơ lƣợc bƣớc Bước 1: Tạo Project Khi vào hình WinCC Dùng phím chuột trái kích vào File  New hình xuất mục chọn sau: Dùng chuột chọn mục Single-User System sau ấn phím OK để xác nhận Sau đặt tên đƣờng dẫn cho Project ứng dụng ta bắt đầu vào bƣớc 50 Bước 2: Cài đặt Driver kết nối với PLC Trong cửa sổ Project ta tạo: Kích chuột phải vào Tag Management  Add New Driver sau chọn loại Driver phù hợp với loại PLC mà ta sử dụng (Trong luận văn loại SIMATIC S7 Protocol Suite.CHN) sau kích chuột vào nút Open Khi ta chọn xong loại Driver mong muốn Khi hình xuất hiện: 51 Kích chuột phải vào MPI  New Driver Connection Hộp thoại Connection properties xuất hiện: Đánh vào tên liên kết với PLC mà ta muốn Đánh tên xong, ấn phím OK xác nhận, tiến hành bƣớc Chú ý: Để liên kết PLC với WinCC mục Connection hộp thoại Connection properties ta cần xác lập thông số sau: 52 Bước 3: Tạo Tag Giả sử hộp thoại Connection properties ta đặt tên “PLC” kích chuột phải vào PLC: Chọn mục New Tag, hộp thoại Tag Properties Đặt tên Tag Chọn kiểu liệu Tag Chọn xong ấn nút Select để mở hộp thoại Address properties : 53 Ta chọn, xác định loại liệu địa PLC cho Tag mà ta vừa tạo An phím OK để xác nhận Bước 4: Tạo hình giao diện Trong cửa sổ WinCC, kích chuột phải vào biểu tƣợng Graphic Designer  chọn New Picture Sau kích đơi vào biểu tƣợng NewPdl0.pdl Kích đơi chuột vào 54 Sau kích chuột xong, ta vào hình Graphics Designer Thƣ viện chứa công cụ cần sử dụng Ta tiến hành tạo giao diện theo ý muốn Sau tạo xong ta cần liên kết biểu tƣợng vừa tạo với Tag tƣơng ứng tạo Bước Bước :Xác lập đặc tính thời gian chạy WinCC Trong cửa sổ hình, kích chuột phải vào biểu tƣợng Computer Project, sau chọn Properties, xác lập thơng số nhƣ sau: Kích hoạt giao diện vừa tạo 55 Bước 6: Kích hoạt giao diện WinCC Để chạy Project vừa tạo, ta kích vào biểu tƣợng WinCC cơng cụ Hình 3.2.Giao diện WinCC cho hệ thống gia nhiệt sử dụng S7- 300 3.5 Kết thực nghiệm Áp dụng điều khiển PI đƣợc xác định chƣơng theo phƣơng pháp Tối ƣu mô đun, ta đƣợc nhƣ sau: Gdk ( s)  GPI ( s)  K p (1  Nhiệt độ đặt T = 500C 1 )  133,099(1  ) TI s 322,805s 56 Đáp ứng hệ thống gia nhiệt, tín hiệu điều khiển: Nhiệt độ đặt Nhiệt độ môi trƣờng Nhiệt độ đầu 57 Khi nhiễu phụ tải: hai van điện từ 30% để cấp nƣớc lạnh vào bình gia nhiệt Nhiệt độ đặt Nhiệt độ đầu Nhiễu phụ tải Nhận xét: Với nhiệt độ đặt 500C, sau khoảng thời gian 148 giây từ 3:40:40 đến 3:43:8 (3 giờ: 43 phút: giây) hệ thống đạt trạng thái xác lập Độ điều chỉnh 2.5% Khi có nhiễu tác đơng thời điểm 3:48:19, điều khiển đƣa tác động hệ gia nhiệt đạt 500C Khi có thay đổi tín hiệu đặt đầu vào, cụ thể nhiệt độ đặt T = 700C 58 Nhiệt độ đặt Nhiệt độ mơi trƣờng Nhiệt đầu 59 Khi có nhiễu phụ tải tác động: cụ thể mở thêm hai van điện từ 30% để cấp nƣớc lạnh vào bình gia nhiệt: Nhiệt độ đặt Nhiệt đầu Nhiễu phụ tải Nhận xét: - Khi có thay đổi tín hiệu đặt cụ thể tăng 700C, điều khiển tác động tín hiệu điều khiển làm cho nhiệt độ bình gia nhiệt tăng lên sau khoảng thời gian 150 giây - Khi có nhiễu phụ tải tác động cụ thể tăng thêm 30% lƣợng nƣớc lạnh bơm vào bình gia nhiệt, cho nhiệt độ bình giảm xuống, nhiên tác động điều khiển làm cho nhiệt độ bình gia nhiệt tăng lên nhiệt độ đặt, - Cả hai điều chứng tỏ tính ổn định bền vững điều khiển đƣợc thực thi PLC S7 300 60 Kết luận chƣơng Chƣơng tác giả giải vấn đề sau: - Tìm hiểu Modul đọc tín hiệu đầu vào FC105 Modul xuất tín hiệu đầu FC 106 điều khiển PID số FB41 phần mềm SIMATIC S7 300 hãng SIMEN - Lập trình chƣơng trình điều khiển nhiệt độ dựa phần mền SIMATC S7 300 giới thiệu chi tiết bƣớc thực - Thiết kế đƣợc giao diện ngƣời máy (HMI) dựa phần mền Win CC, nhiệt độ đặt tham số điều khiển PID thay đổi đƣợc, ngƣời vận hành theo dõi trực tiếp biểu đồ giao diện hiển thị trực quan - Các kết nhận dạng thiết kế điều khiển chƣơng chƣơng xác, điều đƣợc minh chứng thực nghiệm đƣợc kiểm chứng trƣờng hợp thay đổi nhiệt độ đặt có nhiễu phụ tải tác động vào hệ thống gia nhiệt - Các kết thực nghiệm phù hợp yêu cầu công nghệ đƣợc đƣa chƣơng mô khảo sát chi tiết điều khiển chƣơng 61 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN Luận văn hoàn thành số cơng việc sau đây: - Tìm hiểu Toolbox Identification Matlab ứng dụng vào việc mô hình hóa thiết bị gia nhiệt - Nghiên cứu số phƣơng pháp tổng hợp điều khiển cho đối tƣợng gia nhiệt Thực tổng hợp điều khiển, mô kiểm chứng so sánh chất lƣợng hệ thống điều khiển thiết bị gia nhiệt để từ lựa chọn đƣợc điều khiển phù hợp cho đối tƣợng gia nhiệt - Tìm hiểu PLC S7-300, phần mềm STEP WinCC Tổng hợp điều khiển cho thiết bị gia nhiệt Module điều khiển trình STEP - Cài đặt phần mềm thiết kế chạy hệ thống gia nhiệt phịng thí nghiệm trƣờng ĐHKTCN Thái Ngun Chất lƣợng hệ thống thực hoàn toàn phù hợp với kết mô kiểm chứng chƣơng Hƣớng nghiên cứu phát triển luận văn nghiên cứu thêm vài phƣơng pháp điều khiển khác phù hợp với đối tƣợng nhiệt nhƣ: - Vì việc nhận dạng đối tƣợng điểm cụ thể mơ hình đối tƣợng xác xung quanh điểm làm việc Cho nên ta nên sử dụng điều khiển mờ (FLC) điều khiển mờ lai để điều khiển đối tƣợng gia nhiệt ƣu điểm điều khiển FLC không cần biết xác mơ hình đối tƣợng - Hệ điều khiển gia nhiệt áp dụng phƣơng pháp điều khiển dự báo (MPC), lúc mơ hình đối tƣợng đƣợc nhận dạng oline chất lƣợng hệ thống gia nhiệt đƣợc nâng cao cải thiện tốt 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Doãn Phƣớc, (2010), Lý thuyết điều khiển tuyến tính, NXB Khoa học Kỹ thuật; Nguyễn Thƣơng Ngơ, (2008), Lý thuyết điều khiển thông thường đại, Quyển : Hệ điều khiển tuyến tính, NXB Khoa học Kỹ thuật; Camacho E F & Bordons C (2007), Model predictive control, Springer, London; Nguyễn Doãn Phƣớc, Phan Xuân Minh, (2001), Nhận dạng hệ thống điều khiển , NXB Khoa học Kỹ thuật, Phạm Văn Thiêm, Nguyễn Thị Thanh Quỳnh, Thiết kế điều khiển PID FLC cho hệ thống gia nhiệt, Tạp chí khoa học công nghệ ĐH Thái Nguyên Nguyễn Thị Ngọc Mai, (2005), Microsoft Visual Basic 6.0 lập trình sỡ liệu, NXB lao động xã hội; Hoàng Minh Sơn (2009), Điều khiển trình, NXB Khoa học Kỹ thuật Nguyễn Phùng Quang (2006) MATLAB SIMULINK dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội 10 Nguyễn Doãn Phƣớc, Phan Xuân Minh, Vũ Việt Hà (2007): Tự động hóa với SIMATIC S7-300, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội ... tài: ? ?Điều khiển đối tượng nhiệt module PID mềm phần mềm STEP7 ” Với đề tài học viên có hội tìm hiểu thiết bị PLC hãng Siemens, thực hành thiết kế lập trình hệ thống điều khiển tự động cho đối tƣợng... TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP NGUYỄN THỊ THƯY ĐIỀU KHIỂN ĐỐI TƢỢNG NHIỆT BẰNG MODULE MỀM CỦA PHẦN MỀM STEP7 CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA MÃ SỐ: 60520216 LUẬN VĂN THẠC... xuất từ PLC đến phần điều khiển góc mở Thyristor 32 Mơ hình thực nghiệm hệ thống gia nhiệt phịng thí nghiệm mơn Đo lƣờng – Điều khiển 33 3.2 Module điều khiển trình phần mềm STEP 3.2.1 Modul