Luận văn tổng hợp các hệ thống điều khiển trên cơ sở PID mềm của PLC

luận văn

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 Chuyên ngành: ðiện khí hóa SX Nông nghiệp và Nông thôn Mã số : 60.52.54 Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Mạnh Tường HÀ NỘI - 2011 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học 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 luận văn này là trung thực và chưa công bố trong 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 Dương Hùng Phú Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………. ii LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội. Tôi ñã hoàn thành luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật với ñề tài: “ Tổng hợp các hệ thống ñiều khiển trên cơ sở PID mềm của PLC”. Tôi xin chân thành cám ơn PGS. TS. Nguyễn Mạnh Tường ñã tận tình hướng dẫn và tạo mọi ñiều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cám ơn Bộ môn ðiện kỹ thuật – Khoa cơ ñiện, Viện Sau ñại học Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội ñã ñọc và ñóng góp nhiều ý kiến quý báu ñể luận văn của tôi ñược hoàn chỉnh hơn. Tôi xin ñược bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc ñến Ban giám hiệu và lãnh ñạo Trường Cao ñẳng nghề Cơ ñiện Tây Bắc nơi tôi công tác ñã tạo mọi ñiều kiện thuận lợi nhất ñể tôi hoàn thành nhiệm vụ học tập và nghiên cứu. Tôi xin ñược bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc ñến bạn bè ñồng nghiệp và gia ñình ñã ñộng viên khích lệ ñể tôi hoàn thành luận văn này. Hoà 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 …………………………. iii MỤC LỤC Lời cam ñoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục các chữ viết tắt v Danh mục bảng vi Danh mục hình vii CHƯƠNG I NGHIÊN CỨU TỔNG QUÁT PLC 3 1.1 Khái quát về kỹ thuật ñiều khiển 3 1.2 Thiết bị ñiều khiển khả trình (PLC) 5 1.3 Cấu trúc PLC S7-300 6 1.3.1 PLC là gì? 6 1.3.2 Nguyên lý chung và cấu trúc bộ PLC 7 1.3.3 Hệ PLC S7-300 9 1.3.4 Các module của PLC S7-300 9 1.4 Phần mềm STEP-7 11 1.4.1 STEP -7 ñịnh nghĩa và chức năng 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 năng ñiều khiển PID trong 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 …………………………. iv 2.2 Hàm chuyển ñổi tín hiệu “ SCALE” FC105. 45 2.3 Một số chú ý khi sử dụng Module mềm PID. 46 CHƯƠNG III XÂY DỰNG HỆ THỐNG ðIỀU KHIỂN MỘT VÀ HAI MẠCH VÒNG TRÊN CƠ SỞ KHỐI PID MỀM CỦA PLC S7 – 300 47 3.1 Xây dựng hệ thống ñiều khiển một mạch vòng. 47 3.1.2 Xây dựng bộ ñiều khiển ứng dụng khối FB41 “CONT_C” 47 3.1.2 Xây dựng hệ thống ñiều khiển sử dụng khối FB41 “CONT_C” và 49 3.1.3 Xây dựng hệ thống ñiều khiển sử dụng khối FB42 “CONT_S” 51 3.2 Xây dựng hệ thống ñiều khiển hai mạch vòng. 53 CHƯƠNG IV KHẢO SÁT HỆ THỐNG 55 4.1 Cấu trúc hệ thống 55 4.2 Phần mềm giám sát WinCC 56 4.3 Xác ñịnh mô tả ñộng học của ñối tượng 62 4.4 Khảo sát hệ thống bằng mô phỏng sử dụng Matlab 66 4.4.1 Xác ñịnh thông số bộ ñiều khiển 66 4.4.2 Phương pháp sử dụng Matlab - Simulink 77 4.4.3 Khảo sát hệ thống lò ñiện trở dùng công cụ SIMULINK 80 4.5 Khảo sát hệ thống ñiều khiển thực 84 4.5.1 Hệ thống ñiều khiển sử dụng khối FB 41. 84 4.5.2 Hệ thống ñiều khiển sử dụng khối FB 41 kết hợp FB43 87 KẾT LUẬN VÀ ðỀ NGHỊ 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO 92 PHỤ LỤC 93 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………. v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT BðK Bộ ñiều khiển ðTðK ðối tượng ñiều khiển HTðK Hệ thống ñiều khiển Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………. vi DANH MỤC BẢNG STT Tên bảng Trang 1.1 Biến hình thức trong Local block của khối FC 17 2.2 Ví dụ về ñiều khiển nhiệt ñộ 40 2.3 Chế ñộ ñiều khiển 2 vị trí 43 2.4 Chế ñộ ñiều khiển 2 và 3 vị trí trong mạch Manual mode. 44 4.1 Thông số bộ ñiều khiển theo công thức kinh nghiệm 69 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………. vii DANH MỤC HÌNH STT Tên hình Trang 1.1 ðối tượng ñiều khiển 4 1.2 Hệ thống ñiều khiển vòng hở 4 1.3 Hệ thống ñiều khiển vòng kín 5 1.4 Cấu trúc của một PLC 7 1.5 Hệ thốg ñiều khiển có một PLC 8 1.6 Hệ thống ñiều khiển phức tạp 9 1.7 SimatiC S7-300 của Siemens 9 1.8 Sơ ñồ kết nối các module của S7-300 trên rack 11 1.9 Thực hiện một chương trình tuyến tính 14 1.10 Thực hiện gọi khối FC10 16 1.11 Thực hiện gọi khối FB1 cùng với DB2 từ OB1 19 2.1 Sơ ñồ cấu trúc của khối FB41 25 2.2 Giao diện tạo khối DB mới 26 2.3 Gán tham số cho khối FB 41 27 2.4 Khối Dead Band 29 2.5 Sơ ñồ cấu trúc khối FB42 35 2.6 Sơ ñồ cấu trúc khối FB 43 36 2.7 Nguyên lý tạo xung của FB43 37 2.8 Sơ ñồ của khối tạo xung của FB 43 38 2.9 Biểu ñồ ñặc tính ở chế ñộ ñiều khiển 3 vị trí 40 2.10 Biểu ñồ ñặc tính ở chế ñộ 3 vị trí không ñối xứng 42 2.11 Biểu ñồ ñặc tính ở chế ñộ 2 vị trí. 42 2.12 Biểu ñồ ñặc tính ở chế ñộ ñiều khiển 2 vị trí 0 -100% 43 2.13 Dạng LAD của hàm FC 105. 45 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………. viii 3.1 Sơ ñồ cấu trúc của hệ thống sử dụng khối FB41 47 3.2 Sơ ñồ kết nối IC TCA 785 48 3.3 Sơ ñồ cấu trúc của hệ thống sử dụng FB41 và FB43 49 3.4 Cấu tạo AQ-R SOLID STATE RELAY loại AQR20A2 – ZV10/18VDC 50 3.5 ðồ thị nguyên lý làm việc của AQ-R SOLID STATE RELAY 50 3.6 Sơ ñồ cấu trúc của hệ thống sử dụng khối FB42 51 3.7 Sơ ñồ cấu trúc của hệ thống sử dụng khối FB42 52 3.8 Sơ ñồ cấu trúc của hệ thống hai mạch vòng 53 4.1 Các thiết bị thí nghiệm 55 4.2 Tạo Project mới trong WinCC 56 4.3 ðặt tên cho Project mới và ñường 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 ñồ hoạ 59 4.7 Thiết lập các thuộc tính cho Trend 60 4.8 Nhập “Trend 1”cho nhãn Curves 61 4.9 Chọn các giá trị của process valuArchive 61 4.10 Giao diện bộ ñiều khiển. 62 4.11 Sơ ñồ khối phương pháp thực nghiệm 62 4.12 ðường ñặc tính lò nhiệt ñiện trở 64 4.13 Cấu trúc hệ thống ño CBð: Cảm biến ño; Kð: bộ khuyếch ñại. 64 4.14 Mạch ñộng lực cấp nguồn lò ñiện 65 4.15 Sơ ñồ khối cấu trúc của ðTðK 65 4.16 Sơ ñồ khối cấu trúc của hệ thống ñiều chỉnh nhiệt ñộ là ñiện trở. 66 4.17 Các quá trình quá ñộ chuẩn 67 4.18 ðối tượng có tĩnh tự cân bằng 68 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………. ix 4.19 Vùng nghiệm số của hệ thống có mức ñộ dao ñộng m 70 4.20 ðường quá ñộ ñiều khiển 71 4.21 ðường ñẳng trị m 76 4.22 Gọi thư viện Simulink 77 4.23 Tạo cửa sổ làm việc 77 4.24 Mở thư viện của Simulink 78 4.25 Công cụ mô phỏng 78 4.26 Thay ñổi thông số mô phỏng 79 4-27 sơ ñồ mô phỏng lò ñiện trở 80 4-28 kết quả mô phỏng ñường quả ñộ lò ñiện trở 81 4-29 ðường ñẳng trị m = 0,51 82 4.30 Sơ ñồ mô phỏng trên matlap 83 4.31 Kết quả mô phỏng với K m = 11,37 và T i = 2188,8s 83 4.32 Kết quả mô phỏng với K m = 12,57 và T i = 5031s 83 4.33 Kết quả mô phỏng với K m = 13,01 và T i = 6423s 84 4.34 Kết quả mô phỏng với K m = 13,32 và T i = 8428s 84 4.35 ðồ thị giám sát với SETVALUE là 400 o C; Kp =13,32; Ti = 8428s 85 4.35 ðồ thị giám sát với SETVALUE là 400oC; Kp =13,32; Ti = 8428s 85 4.37 ðồ thị giám sát với SETVALUE là 400 o C; Kp =11,37; Ti = 2188,8s 86 4.38 ðồ thị giám sát với SETVALUE là 400oC; Kp =12,57; Ti = 5031s 86 4.39 ðồ thị giám sát với SETVALUE là 400 o C; Kp =12,5; Ti = 3320s 86 4.40 ðồ thị giám sát với SETVALUE là 400 o C; Kp =11,37; Ti = 2188,8s 87