luận văn
Bộ giáo dục và đào tạo Trờng đại học Nông nghiệp hà nộI --------------- Vũ xuân phong Nghiên cứu khai thác một số module điều khiển quá trình của hệ SIMATIC S7-300 luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành : điện khí hoá sản xuất nông nghiệp và nông thôn Mã số : 60.52.54 Ngời hớng dẫn khoa học: pgs.ts. phan xuân minh Hà nội 2008 Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ……………………… i LỜI CAM ðOAN Tôi xin cam ñoan rằng ñây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong bản luận văn này là trung thực và chưa ñược công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào trước ñó. Tôi xin cam ñoan rằng các thông tin trích dẫn trong bản luận văn của tôi ñều ñược chỉ rõ nguồn gốc. Tác giả Vũ Xuân Phong Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ……………………… ii LỜI CẢM ƠN ðể hoàn thành luận văn này, trong thời gian qua tôi nhận ñược sự giúp ñỡ nhiệt tình của quí thầy, cô giáo bộ môn ðiện kỹ thuật- Khoa Cơ ñiện trường ðại học NNHN, của qui thầy quí giáo bộ môn ðiều khiển tự ñộng- ðH BK Hà Nội. Tôi xin trân trọng cảm ơn quí thầy, cô bộ môn ðiện kỹ thuật, Khoa Cơ ñiện, Khoa SðH, Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội. Xin trân trọng gửi lời cảm ơn ñến quí thầy, cô giáo bộ môn ðiều khiển Tự ñộng- ðHBK Hà Nội. ðặc biệt, xin trân trọng gửi lời cảm ơn ñến PGS-TS Phan Xuân Minh- Người trực tiếp hướng dẫn ñã tận tình giúp ñỡ và ñóng góp nhiều ý kiến quí báu ñể tôi hoàn thành bản luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Cao ñẳng nghề Cơ ñiện Xây dựng & Nông Lâm Trung Bộ, khoa Khoa Kỹ thuật ñiện – nơi tôi ñang công tác ñã tạo mọi ñiều kiện thuận lợi ñể tôi hoàn thành khóa học. Trong quá trình thực hiện ñề tài không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận ñược ý kiến của quí thầy cô giáo và các bạn ñồng nghiệp. Tôi xin chân trọng cảm ơn! Tác giả Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ……………………… iii MỤC LỤC MỞ ðẦU 1 PHẦN 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN . 3 1.1 Khái quát về kỹ thuật ñiều khiển 3 1.2. Thiết bị ñiều khiển khả trình (PLC) 6 1.3 Hệ SIMATIC PLC S7-300 . 8 1.3.1 PLC là gì? . Error! Bookmark not defined. 1.3.2. Nguyên lý chung và cấu trúc bộ PLC . 6 1.3.3. Hệ PLC S7-300 . Error! Bookmark not defined. 1.3.4. Các module của PLC S7-300 . 10 1.4 Phần mềm STEP – 7 . 12 1.4.1 STEP7 ñịnh nghĩa và chức năng 12 1.4.2 Bộ chương trình STEP7 chuẩn (STEP7 Standard Package) 12 PHẦN 2 MODULE ðIỀU KHIỂN MỀM TRONG STEP 7 . 17 2.1 Module ñiều khiển quá trình 17 2.1.1 Modul ñiều khiển liên tục với FB41 “CONT_C” 18 2.1.2 Modul ñiều khiển bước FB42 “CONT_S” 28 2.1.3 Khối tạo hàm xung FB43 “ PULSEGEN” . 30 2.1.4 Một số chú ý khi sử dụng modul mềm PID . 38 2.2 Module xử lý tín hiệu 38 2.2.1 Hàm chuyển ñổi tín hiệu “SCALE” FC105 . 38 2.2.2 Hàm chuyển ñổi ngược “UNSCALE” FC106 . 39 PHẦN 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG CỤ . 42 3.1 Giới thiệu System Toolbox Indentification (SIT) 42 3.1.1 Nhận dạng ñối tượng ñiều khiển . 42 3.1.2 Mô hình hóa ñối tượng sử dụng công cụ System Identification ToolBox 43 3.2 Bộ ñiều khiển PID 47 3.2.1 Bộ ñiều khiển PID 47 3.2.2. Một số tác ñộng phụ không mong muốn và phương pháp ngăn ngừa 49 3.2.3 Một số phương pháp lựa chọn cấu trúc và tính toán tham số trên cở sở bộ ñiều khiển PID 50 3.4 Một số thuật toán ñiều khiển quá trình phát triển trên nền bộ ñiều khiển PID 57 3.4.1 Thuật toán ñiều khiển Cascade . 57 3.4.2 Thuật toán ñiều khiển có bù ảnh hưởng của nhiễu từ tín hiệu ñặt (setpoin) 58 PHẦN 4 CÀI ðẶT BỘ ðIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNHTRÊN NỀN CÁC MODULE ðIỀU KHIỂN MỀM CỦA STEP 7 . 60 4.1 Cài ñặt bộ ñiều khiển PID bằng module mềm FB41 “CONT_C” và khối hàm tạo xung FB43 “PUSEGEN” . 60 4.2 Cài ñặt bộ ñiều khiển Cascade trên cở sở FB 41 “CONT_C” 62 Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ……………………… iv 4.3 Cài ñặt bộ ñiều khiển bù ảnh hưởng của nhiễu từ tín hiệu ñặt bằng FB 41 “CONT_C” . 63 PHẦN 5 ỨNG DỤNG THÍ NGHIỆM TRÊN LÒ NHIỆT ðIỆN TRỞ . 66 2,3 KVA 66 5.1. ðặc ñiểm bộ thí nghiệm ñiều khiển lò ñiện trở . 66 5.1.1. Sơ ñồ thí nghiệm . 66 5.1.2 Các thành phần trong sơ ñồ thí nghiệm . 66 5.2 Chọn tham số bộ ñiều khiển PID cho lò ñiện trở . 68 5.2.1 Mô hình hóa lò ñiện trở bằng công cụ System Identifcation Toolbox trong MATLAB 68 5.2.2 Chọn tham số bộ ñiều khiển PID cho lò ñiện trở . 71 5.3 Kết quả thí nghiệm ñiều khiển lò nhiệt sử dụng bộ ñiều khiển PID trên cơ sở các module mềm trong STEP7 72 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ . 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 80 PHỤ LỤC . 81 Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ……………………… v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BðK Bộ ñiều khiển ðTðK ðối tượng ñiệu khiển HTðK Hệ thống ñiều khiển Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ……………………… vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Đối tượng điều khiển . 4 Hình 1.2 Hệ thống điều khiển vòng hở . 4 Hình 1.3 Hệ thống điều khiển vòng kín . 5 Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý cấu trúc của bộ PLC 7 Hình 1.5 Hệ thống điều khiển có một PLC 9 Hình 1.6 Hệ thống điều khiển phức tạp . 10 Hình 1.7 SIMATIC S7 300 của SIEMENS 9 Hình 1.8 Sơ đồ kết nối các module của S7-300 trên rack 12 Hình 1.9 Giao diện màn hình Simatic Manager 13 Hình 1.10 Giao diện chức năng chỉnh sửa tên hình thức (symbol) . 14 Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc của khối FB41 . 19 Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc chức năng điều khiển của khối FB41 . 20 Hình 2.3 Giao diện tạo khối DB mới . 21 Hình 2.4 Gán tham số cho khối FB 41 21 Hình 2.5 Khối Dead Band . 23 Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc khối FB 42 . 29 Hình 2.7 Sơ đồ của khối tạo xung của FB 43 . 31 Hình 2.8 Nguyên lý tạo xung của FB43 31 Hình 2.9 Biểu đồ đặc tính ở chế độ điều khiển 3 vị trí 34 Hình 2.10 Biểu đồ đặc tính ở chế độ 3 vị trí không đối xứng 35 Hình 2.11 Biểu đồ đặc tính ở chế độ 2 vị trí . 36 Hình 2.12 Biểu đồ đặc tính ở chế độ điều khiển 2 vị trí 0-100% . 36 Hình 2.13 Dạng LAD của hàm FC105 39 Hình 2.14 Dạng LAD của hàm FC106 . 41 Hình 3.1 Giao diện của System Identification Tool GUI 46 Hình 3.2 Cấu trúc bộ điều khiển PID 48 Hình 3.3 Cấu trúc bộ hiệu chỉnh khắc phục hiện tượng “Windup” . 50 Hình 3.4 Xác định thông số đối tượng từ hàm quá độ . 51 Hình 3.5 Cấu trúc hệ thống thực nghiệm để xác định k th và gh T . 53 Hình 3.6 Hàm quá độ h(t) thích ứng vói phương pháp Chien- Hrones- Reswic . 54 Hình 3.7 Mối quan hệ giữa diện tích và tổng các hằng số thời gian 56 Hình 3.8 Cấu trúc BĐK theo nguyên lý Cascade . 58 Hình 3.9 Cấu trúc bộ điều khiển có bù nhiễu từ tín hiệu đặt . 58 Hình 4.1 Cấu trúc chương trình trong khối OB35 . 61 Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý điều khiển PID trong khối OB 35 . 61 Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý điều khiển Cascade trong khối OB 35 . 62 Hình 4.4 Project của chương trình bộ điều khiển Cascade trong STEP7 . 63 Hình 4.5 Cấu trúc bộ điều khiển bù ảnh hưởng nhiễu . 64 Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý điều khiển bù nhiễu trong khối OB35 . 64 Hình 4.7 Project của chương trình bộ điều khiểnbù nhiễu trong STEP7 . 65 Hình 5.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 66 Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ……………………… vii Hình 5.2 Xung điện áp cấp cho lò nhiệt . 67 Hình 5.3 Giao diện của System Identification Tool và cửa sổ import data 70 Hình 5.4 Ước lượng mô hình quán tính bậc nhất có trễ 70 Hình 5.5 Đồ thị so sánh đầu ra đo được với tập số liệu đầu ra từ mô phỏng 71 Hình 5.7 Sơ đồ bộ điều khiển PID trong STEP7 . 73 Hình 5.8 Tạo Project “Bộ điều khiển nhiệt độ” trong STEP7 . 74 Hình 5.9 Khai báo đặt cấu hình cứng cho Project 74 Hình 5.10 Tạo Project mới trong WinCC . 75 Hình 5.11 Đặt tên cho Project mới và đường dẫn 75 Hình 5.12 Chọn trạm SIMATC S7 . 76 Hình 5.13 Chọn kết nối cáp MPI 76 Hình 5.14 Tạo các Tag 76 Hình 5.15 Đặc tính nhiệt độ lò qua thực nghiệm điều khiển PID trên hệ SIMATIC77 Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ……………………… viii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Kết hợp công tắc chuyển mạch 33 Bảng 2.2 Ví dụ về điều khiển nhiệt độ . 33 Bảng 2.3 Tín hiệu ở chế độ điều khiển 2 vị trí . 37 Bảng 2.4 Chế độ điều khiển 2 và 3 vị trí trong manual mode 37 Bảng 2.5 Giá trị của các biến của FC106 40 Bảng 3.1 Công thức chuyển đổi giữa bộ PID_ADD và PID_MUL 49 Bảng 3.2 Tham số bộ điều khiển Ziegler Nichols theo phương pháp 1 52 Bảng 3.3 Tham số bộ điều khiển Ziegler Nichols theo phương pháp 2 53 Bảng 3.4 Tham số BĐK yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín không có độ quá điều chỉnh . 54 Bảng 3.5 Tham số BĐK yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín có độ quá điều chỉnh ∆h<25%. 54 Bảng 3.6 Tham số BĐK yêu cầu tối ưu theo theo tín hiệu đặt trước có độ quá điều chỉnh ∆h ≤ 20%. . 55 Bảng 3.7 Tham số BĐK yêu cầu tối ưu theo theo tín hiệu đặt trước và không có độ quá điều chỉnh ∆h ≤ 20%. . 55 Bảng 3.8 Tham số BĐK ưu tiên chế độ chống nhiễu theo phương pháp tổng Kunh . 56 Bảng 3.9 Tham số BĐK ưu tiên chế độ tác động nhanh theo phương pháp tổng Kunh . 57 Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ……………………… 1 MỞ ðẦU Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ, các thiết bị ñiều khiển số “thông minh” ngày càng ñược sử dụng phổ biến trong các hệ thống ñiều khiển; các dây chuyền sản xuất ngày càng ñược thiết kế hoàn chỉnh và ñồng bộ các giải pháp tự ñộng hóa cao. ðặc biệt với việc sử dụng của PLC trong kỹ thuật ñiều khiển tự ñộng ngày càng tạo ñiều kiện thuận lợi cho việc xây dựng các sách lược và thuật toán ñiều khiển, các hệ thống ñiều khiển ngày càng linh hoạt và tối ưu . Các hệ tự ñộng tích hợp trọn gói như DCS, SCADA là các giải pháp không thể thiếu trong các giải pháp ñiều khiển tự ñộng công nghiệp. Ở nước ta, các thiết bị ñiều khiển logic khả trình PLC của hãng SIEMENS hiện nay ñang ñược dùng khá phổ biến. Việc nghiên cứu khai thác triệt ñể những tính năng của chúng trong kỹ thuật ñiều khiển là rất cần thiết, nó cho phép chúng ta phát huy tối ña tính năng công dụng của thiết bị; thực hiện ñược nhiều bài toán ñiều khiển mà không cần tăng thêm chi phí ñầu tư thêm thiết bị. Vì vậy, trọng tâm của luận văn là tập trung nghiên cứu và ứng dụng một số module ñiều khiển quá trình tích hợp trong phần mềm STEP7 và hệ SIMATIC S7-300 của hãng SIEMEN, ứng dụng thí nghiệm kiểm chứng trên lò ñiện trở 2,3 kVA tại phòng thí nghiệm. Nội dung ñề tài bao gồm các vấn ñề sau: Nghiên cứu tổng quan về thiết bị ñiều khiển, thiết bị ñiều khiển logic khả trình PLC và phần mềm STEP7 của hệ PLC SIMATIC S7-300 (Phần 1). Nghiên cứu ñặc ñiểm, cấu trúc, nguyên lý làm việc, các tham số ñầu vào ñầu ra của các module mềm PID tích hợp sẵn trong STEP7: FB41, FB42, FB43; các module xử lý tín hiệu FC105, FC106. (Phần 2). [...]... c module hóa ti n l i cho vi c s d ng Hi n nay, PLC c a hãng Siemens là m t trong nh ng lo i PLC ñư c s d ng ph bi n t i Vi t Nam Các PLC c a hãng Siemens bao g m các d ng: Simatic 505; Simatic S5; Simatic S7, C7 Trong ñó dòng Simatic S7 ñư c s d ng nhi u nh t trong các nhà máy xí nghi p trong nư c Các h PLC c a dòng simatic S7 bao g m: S7- 200, S7- 300, S7- 400 1.3 H SIMATIC PLC S7- 300 1.3.1 Khái quát.. .Nghiên c u cơ s lý thuy t và công c ñ mô hình hóa ñ i tư ng và xây d ng m t s thu t toán ñi u khi n s d ng các module ñi u khi n quá trình c a h SIMATIC S7- 300 (Ph n 3) Nghiên c u cài ñ t m t s b ñi u khi n PID s d ng các module ñi u khi n quá trình c a h SIMATIC S7- 300 (Ph n 4) Thí nghi m ki m ch ng trên b thí nghi m ñi u khi n lò... PC s d ng ph n m m giám sát WinCC V n ñ nghiên c u khia thác s d ng h SIMATIC S7 ñã ñư c nhi u tài li u ñ c p Tuy nhiên trong ph m vi ñ tài, tôi ch ñ c p ñ n nghiên c u khai thác ng d ng m t s module m m ñi u khi n quá trình ñư c h tr trong ph n m m STEP 7 ñ s d ng ñi u khi n các thông s quá trình như ñi u khi n áp su t, lưu lư ng, nhi t ñ … Nh m góp ph n khai thác, s d ng Trư ng ð i h c Nông nghi p... ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c s k thu t……………… ………………………8 có hi u qu h SIMATIC S7- 300 trong k thu t ñi u khi n Module PS Module CPU Module SM Module CP Hình 1.5 SIMATIC S7 300 c a SIEMENS M t h th ng có th có 1 PLC ho c g m nhi u PLC k t qua MPI bus Cáp t i chương trình T i chương trình Module ñ u ra Module ñ u vào Hình 1.6 H th ng ñi u khi n có m t PLC Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N... PLC S7- 300 1.3.1 Khái quát v PLC S7- 300 SIMATIC S7- 300 là m t h module PLC ( Modular PLC platform) ñã ñư c t i ưu hóa ñ ñ t ch t lư ng cao trong các quá trình t ñ ng hóa, ti t ki m gi i pháp h th ng trong ki n trúc ñi u khi n t p trung và phân tán H th ng ñi u khi n s d ng h SIMATIC S7- 300 cung c p HTðK t ñ ng tr n gói, bao g m: Thi t b ñi u khi n PLC S7, ph n m m l p trình STEP7, h th ng giám sát HMI... bus S7- 400 MPI-Bus Hình 1.7 H th ng ñi u khi n ph c t p 1.3.2 Các module c a PLC S7- 300 ð tăng tính s d ng m m d o trong ng d ng th c t , hê SIMATIC S73 00 ñư c chia nh thành các module Do v y s module ñư c s d ng nhi u hay ít tùy thu c vào bài toán ñi u khi n Song bao gi cũng ph i có m t module chính là module CPU, còn l i là các module nh n và truy n tín hi u v i các ñôi tư ng ñi u khi n, các module. .. PV_IN Bi n quá trình ngo i vi (Process Value, Peripheral) Bi n quá trình d ng ngo i vi ñư c n i v i b ñi u khi n thông qua c ng vào “bi n quá trình ngo i vi” Ki u d li u: WORD Giá tr m c ñ nh: W#16#0000 Tham s FB: PV_PER - Chu n hoá bi n quá trình N u như bi n quá trình là giá tr v t lý thì nó c n ñư c chu n hóa ð chu n hoá nó ta c n ñ t th a s chu n hóa và giá r bù chu n hoá Giá tr bi n quá trình lúc... Output) module m r ng các c ng vào/ra s tương t , s các c ng vào ra tương t có th là 4 vào 2 ra, ho c 4 vào 4 ra tùy thu c vào lo i module (3) Module ghép n i IM ( Interface Module) : là lo i module có nhi m v k t n i các module m r ng l i v i nhau thành m t kh i và ñư c qu n lý chung b i module CPU (4) Module ch c năng FM ( Function Module) Là module ch c năng có ch c ñi u khi n riêng, ví d như module. .. văn th c s k thu t……………… ………………………2 PH N 1 NGHIÊN C U T NG QUAN 1.1 Khái quát v k thu t ñi u khi n ði u khi n trong k thu t ñư c hi u là khoa h c nghiên c u v quá trình thu th p, x lý tín hi u và ñi u khi n các quá trình và h th ng thi t b k thu t ðó là t p h p t t c các tác ñ ng mang tính t ch c c a m t quá trình nào ñó nh m ñ t ñư c m c ñích mong mu n c a quá trình ñó H th ng ñi u khi n (Controll System-HTðK)... STEP7 là m t b chương trình ph n m m chu n s d ng ñ ñ t c u hình và l p trình cho SIMATIC PLC Nó là m t ph n m m công nghi p có các version STEP7 Micro/ DOS, STEP7 Micro/Win cho S7- 200; STEP7 cho S7- 300 M t s ch c năng c a STEP7 ñư c li t kê dư i ñây: * Có th ñư c m r ng như là m t ph n m m trong công nghi p ph n m m SIMATIC * Có th ch nh s a tham s cho Function Module và quá trình truy n thông * D