(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển sử dụng modul tương tự của PLC cho đối tượng gia nhiệt

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THỊ PHƯƠNG CHI NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG MODUL TƯƠNG TỰ CỦA PLC CHO ĐỐI TƯỢNG GIA NHIỆT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Thái Nguyên – 2017 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THỊ PHƯƠNG CHI NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG MODUL TƯƠNG TỰ CỦA PLC CHO ĐỐI TƯỢNG GIA NHIỆT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã ngành: 62520216 KHOA CHUN MƠN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Đỗ Trung Hải TS Đỗ Trung Hải PHÒNG ĐÀO TẠO TS Đặng Danh Hoằng Thái Nguyên - 2017 LỜI CAM ĐOAN Tên là: Nguyễn Thị Phương Chi Sinh ngày: 14 tháng 10 năm 1991 Học viên lớp cao học khoá 18 – Kỹ thuật điều khiển Tự động hoá, Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên Hiện công tác tại: Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên Tôi cam đoan toàn nội dung luận văn làm theo định hướng giáo viên hướng dẫn, khơng chép người khác Các phần trích lục tài liệu tham khảo luận văn Nếu có sai tơi hồn tồn chịu trách nhiệm Tác giả luận văn Nguyễn Thị Phương Chi LỜI CẢM ƠN Đề tài Luâ ̣n văn tha ̣c si ̃ hoàn thành Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Ngun Có luận văn tốt nghiệp này, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành sâu sắc tới Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp, Khoa Điện, Phịng Đào tạo, thầy giáo, giáo mơn Tự động hóa thầ y giáo hướng dẫn TS Đỗ Trung Hải giúp đỡ tơi q trình triển khai, nghiên cứu hoàn thành đề tài “Nghiên cứu xây dựng điều khiển sử dụng modul tương tự PLC cho đối tượng gia nhiệt” Xin chân thành cảm ơn thầy giáo, cô giáo, nhà khoa học trực tiếp giảng dạy truyền đạt kiến thức khoa học chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa cho thân năm tháng qua Tuy nhiên, hạn chế kiến thức chuyên sâu nên Luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót Tơi mong nhận ý kiến đóng góp thầy giáo, cô giáo nhà khoa học để tiến Một lần xin chân thành cảm ơn tập thể thầy, cô giáo môn Tự động hóa thầy giáo hướng dẫn TS Đỗ Trung Hải quan tâm, giúp đỡ, tạo điều kiện để tơi hồn thành Luận văn Trân trọng cảm ơn./ Học viên Nguyễn Thị Phương Chi MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT iii DANH MỤC HÌNH VẼ iv DANH MỤC BẢNG BIỂU vi MỞ ĐẦU vii Tính cấp thiết đề tài vii Mục tiêu nghiên cứu vii Dự kiến kết đạt vii Phương pháp nghiên cứu vii Cấu trúc luận văn viii CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC CHO ĐỐI TƯỢNG GIA NHIỆT 1.1 Tổng quan thiết bị gia nhiệt 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Các phương pháp gia nhiệt 1.1.3 Một số loại cảm biến nhiệt độ 1.2 Ý nghĩa việc xây dựng mơ hình tốn học [2] 11 1.3 Xây dựng mơ hình tốn học phương pháp thực nghiệm 13 1.3.1 Khái niệm xây dựng mô hình tốn học thực nghiệm [2] 13 1.3.2 Dữ liệu để xây dựng mơ hình tốn học thực nghiệm 13 1.3.3 Một số phương pháp xây dựng mơ hình tốn thực nghiệm [2] 16 1.3.4 Sử dụng System Identification Toolbox Matlab 17 1.4 Kết luận chương 26 CHƯƠNG 27 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỐI TƯỢNG GIA NHIỆT 27 2.1 Tổng quan điều khiển PID 28 2.2 Phương pháp thực nghiệm dựa hàm h(t) 29 2.2.1 Phương pháp số thời gian tổng nhỏ Kuhn 29 2.2.2 Phương pháp Ziegler- Nichols 32 2.3 Thiết kế điều khiển miền tần số 33 2.3.1 Nguyên tắc thiết kế 33 2.3.2 Phương pháp modul tối ưu 34 2.4 Lựa chọn giải pháp kỹ thuật thực luật điều khiển 37 2.5 PLC S7-200 [3] 38 2.5.1 Giới thiệu chung họ PLC S7- 200 38 i 2.5.1 Lập trình thuật toán điều khiển PID PLC S7-200 42 2.6 Kết luận chương 43 CHƯƠNG 44 THỰC NGHIỆM 44 3.1 Các thiết bị thực nghiệm 44 3.1.1 Thiết bị gia nhiệt 44 3.1.2 Modul PLC S7-200 46 3.1.3 Arduino UNO 47 3.2 Các bước thực nghiệm 48 3.2.1 Kết nối thiết bị thí nghiệm 48 3.2.2 Lập trình PLC S7 200 48 3.2.3 Khối thu thập liệu Matlab/Simulink 51 3.3 Kết thực nghiệm 51 3.3.1 Đáp ứng hệ với tín hiệu đầu vào hàm bước nhảy 51 3.3.2 Đáp ứng hệ với tín hiệu đầu vào thay đổi 52 3.3.3 Đáp ứng hệ có nhiễu tác động 53 3.4 Kết luận chương 54 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 55 Kết luận 55 Kiến nghị 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Diễn giải nội dung đầy đủ TT Ký hiệu ADC Analog to Digital Converter, chuyển đổi tương tự - số DAC Digital to Analog Converter, chuyển đổi số-tương tự TBĐK Thiết bị điều khiển ĐTĐK Đối tượng điều khiển BĐK Bộ điều khiển TBĐL Thiết bị đo lường PLC Programmable logic controller DCS Distributed Control System iii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 Nguyên lý làm việc lò cảm ứng Hình Nguyên lý làm việc lò quang điện Hình Nguyên lý làm việc lò điện trở .5 Hình Các loại lị điện trở Hình Cấu tạo cảm biến nhiệt độ loại nhiệt kế thủy ngân 10 Hình Cấu trúc Điều khiển theo nguyên tắc phản hồi 12 Hình Sơ đồ nguyên lý thu thập liệu lò gia nhiệt 14 Hình Sơ đồ thu thập liệu nhận dạng 14 Hình Dữ liệu điện áp (volt) 15 Hình 10 Dữ liệu nhiệt độ (oC) .15 Hình 11 Giao diện công cụ System Identification Tool 18 Hình 12 Chọn nhập liệu miền thời gian 18 Hình 13 Nhập liệu nhận dạng mơ hình 19 Hình 14 Đưa liệu vào Working data Validation Data 20 Hình 15 Hình vẽ liệu theo thời gian .20 Hình 16 Giao diện Process Models .21 Hình 17 Lựa chọn mơ hình 22 Hình 18 Kết nhận dạng 23 Hình 19 Đánh giá kết nhận dạng mơ hình 24 Hình 20 Giao diện kết nhận dạng 25 Hình 21 Đặc tính q độ đối tượng .26 Hình Cấu trúc điều khiển PID .28 Hình 2 Sơ đồ cấu trúc điều khiển PID .29 Hình Cấu trúc mô hệ thống .31 iv Hình Đặc tính độ hệ thống với điều khiển tổng hợp phương pháp Kuhn 31 Hình Đặc tính q độ hệ thống với điều khiển tổng hợp phương pháp Ziegler- Nichols .33 Hình Sơ đồ hệ thống điều khiển 33 Hình Tổng hợp điều khiển phương pháp module tối ưu 35 Hình Cấu trúc mơ hệ với điều khiển PI 36 Hình Đặc tính độ hệ thống điều khiển đối tượng gia nhiệt với luật PI .36 Hình 10 Tín hiệu điều khiển với điều khiển PI 37 Hình 14 Cấu trúc điều khiển PID PLC S7-200 42 Hình Điện trở quạt gió thiết bị gia nhiệt .44 Hình Mạch khuếch đại tín hiệu nhiệt độ mạch lực biến đổi 45 Hình 3 Mạch phát xung điều khiển triac .45 Hình Cảm biến đo nhiệt độ 45 Hình PLC S2-200 .46 Hình Modul mở rộng EM-235 46 Hình Bo mạch Arduino UNO 47 Hình Mở cơng cụ Instruction Wizard PID 48 Hình Chọn lập trình cho PID 49 Hình 10 Cấu hình PID S7-200 49 Hình 11 Thiết lập đầu cho PID S7-200 .50 Hình 12 Hồn thành cấu hình PID S7-200 50 Hình 13 Khối thu thập liệu thực nghiệm Matlab/Simulink 51 Hình 15 Đáp ứng nhiệt độ hệ với tín hiệu đặt thay đổi 53 Hình 16 Đáp ứng nhiệt độ hệ có nhiễu tác động 54 v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Tổng hợp điều khiển theo Kuhn .30 Bảng 2 Tổng hợp điều khiển theo Ziegler- Nichols 32 Bảng Các thành phần modul mở rộng EM235 .40 Bảng Bảng cầu hình đầu vào modul EM23M 40 Bảng Địa điều khiển PID PLC S7 200 42 Bảng Đầu kết nối thiết bị 48 vi CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 3.1 Các thiết bị thực nghiệm 3.1.1 Thiết bị gia nhiệt Bộ thiết bị gia nhiệt gồm điện trở gia nhiệt, quạt gió, biến đổi xoay chiều – xoay chiều pha, cảm biến đo nhiệt độ, mạch khuếch đại tín hiệu cảm biến nhiệt Các khối chức hình 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 Thơng số thí nghiệm thiết bị gia nhiệt: Nguồn nuôi: 220VAC Điện áp cấp cho điện trở gia nhiệt: 36VAC Dải nhiệt độ làm việc: 250oC Đầu mạch khuếch đại tín hiệu nhiệt độ: 0÷10VDC Điện áp đầu vào biến đổi: 0÷10VDC Hình Điện trở quạt gió thiết bị gia nhiệt 44 Hình Mạch khuếch đại tín hiệu nhiệt độ mạch lực biến đổi Hình 3 Mạch phát xung điều khiển triac Hình Cảm biến đo nhiệt độ 45 3.1.2 Modul PLC S7-200 Module thí nghiệm PLC S7-200 sử dụng PLC S7-200 CPU224, 01 module EM 235 hình 3.5, 3.6 Modul tương tự EM 235 có thơng số kỹ thuật: Nguồn nuôi: 220VAC Số đầu vào số: 14 Số đầu số: 18 Số đầu vào tương tự: 04 Số đầu tương tự: 01 Hình PLC S2-200 Hình Modul mở rộng EM-235 46 3.1.3 Arduino UNO Trong luận văn trình thực nghiệm sử dụng bo mạch Arduino UNO hình 3.7 thư viện ArduinoIO [5] để ghi lại liệu đáp ứng nhiệt độ lò gia nhiệt hiển thị đặc tính động kết thực nghiệm Hình Bo mạch Arduino UNO Thông số kỹ thuật Arduino UNO: Vi điều khiển : ATmega328P Điện áp hoạt động: 5V Điện áp nguồn ni: 7÷12V Đầu vào/ra số: 14 (6 pin có khả băm xung) Đầu vào tương tự: Cường độ dòng điện chân: 20 mA Bộ nhớ chương trình: 32 KB Bộ nhớ SRAM KB Bộ nhớ EEPROM: KB Tốc độ: 16 MHz Chiều dài: 68.6 mm Chiều rộng: 53.4 mm Trọng lượng: 25 g 47 3.2 Các bước thực nghiệm 3.2.1 Kết nối thiết bị thí nghiệm Bảng Đầu kết nối thiết bị Thiết bị gia nhiệt PLC S7 200 Arduino UNO Đầu mạch khuếch đại tín hiệu cảm biến nhiệt độ AIW0 A5 Đầu vào mạch phát xung điều khiển Triac AQW0 3.2.2 Lập trình PLC S7 200 Trong luận văn sử dụng cơng cụ lập trình điều khiển PID cho S7-200 phần mềm lập trình Step-7 MicroWin để cài đặt luật điều khiển (2.16) cho thiết bị gia nhiệt Hình Mở cơng cụ Instruction Wizard PID 48 Hình Chọn lập trình cho PID Hình 10 Cấu hình PID S7-200 49 Hình 11 Thiết lập đầu cho PID S7-200 Hình 12 Hồn thành cấu hình PID S7-200 Chương trình MAIN lập trình cho PLC S7-200: 50 3.2.3 Khối thu thập liệu Matlab/Simulink Real-Time Pacer Speedup = Real-Time Pacer Setup Arduino1 COM7 Arduino1 Analog Read Pin Scope -KT ADCT NhietDo Arduino IO Setup Chi_Data.mat To File Hình 13 Khối thu thập liệu thực nghiệm Matlab/Simulink 3.3 Kết thực nghiệm 3.3.1 Đáp ứng hệ với tín hiệu đầu vào hàm bước nhảy Khi tiến hành thí nghiệm đối tượng với điều khiển (2.21) tín hiệu điều khiển từ 0-10V cho thấy chất lượng điều khiển không đáp ứng yêu cầu Trong trình thực nghiệm, tác giả hiệu chỉnh lại điều khiển với tham số biểu thức (3.1) 51 Gdk (s)  GPI (s)  K P (1  1 )  1612 6275 (1  ) Ti s 268 025 s (3.1) Đáp ứng nhiệt độ hệ thống với tín hiệu nhiệt độ đặt dạng bước nhảy Tref = 120oC, với điều khiển theo (3.1) Dap ung nhiet he thong (oC) 140 T.ref T.real T.Top T.Up 120 T (oC 100 80 60 40 20 0 100 200 300 400 500 Time offset (s) 600 700 800 900 Hình 14 Đáp ứng nhiệt độ hệ với tín hiệu đặt dạng hàm bước nhảy Nhận xét: kết thực nghiệm cho thấy hệ gần khơng có q điều chỉnh, thời gian độ khoảng 300s 3.3.2 Đáp ứng hệ với tín hiệu đầu vào thay đổi Tín hiệu nhiệt độ đặt thay đổi 70oC, 90oC, 120oC: 52 Dap ung nhiet he thong (oC) 140 130 120 110 T.ref T.real T.Top T.Up 100 T (oC 90 80 70 60 40 20 0 100 200 300 400 500 600 700 800 1000 1200 1400 Time offset (s) 1600 1800 2000 2200 2400 Hình 14 Đáp ứng nhiệt độ hệ với tín hiệu đặt thay đổi Nhận xét: Khi cho tín hiệu đặt biến thiên, tín hiệu bám theo tín hiệu vào với độ điều chỉnh gần khơng có thời gian q độ khoảng 200s 3.3.3 Đáp ứng hệ có nhiễu tác động Tín hiệu nhiệt độ đặt Tref = 80oC Cho nhiễu tác động thời điểm 700s 53 Dap ung Nhiet he thong (oC) 90 80 70 T.ref T.real L.Top L.Un Nhiễu 60 T (oC) 50 40 30 20 10 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Time (s) 1000 1200 1400 1600 Hình 15 Đáp ứng nhiệt độ hệ có nhiễu tác động Nhận xét: Khi cho nhiễu (quạt) tác động thời điểm 700s sau khoảng thời gian gần 210s tín hiệu lại bám tín hiệu vào hệ điều khiển theo sai lệch 3.4 Kết luận chương Chương trình bày hệ thống thực nghiệm điều khiển thiết bị gia nhiệt với điều khiển thực PLC S7-200 CPU 224 Kết thực nghiệm điều khiển hệ với dạng nhiệt độ đặt khác nhiễu tác động kiểm chứng điều khiển tổng hợp hiệu chỉnh 54 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Về nội dung luận văn đáp ứng mục tiêu đề là: điều khiển đối tượng gia nhiệt (mơ hình vật lý) đảm bảo tiêu chất lượng yêu cầu Để thực mục tiêu đề ra, luận văn giải vấn đề sau: - Xây dựng mơ hình tốn học cho đối tượng gia nhiệt - Tổng hợp điều khiển cho đối tượng gia nhiệt - Mô thực nghiệm Qua mô cho thấy điều khiển tổng hợp theo phương pháp Modul tối ưu khơng có khâu hạn chế tín hiệu điều khiển cho chất lượng tốt, thời gian độ ngắn đối tượng có qn tính lớn Tuy nhiên, tín hiệu điều khiển lớn không phù hợp với thực tế, cấu trúc mơ cần có khâu hạn chế tín hiệu điều khiển cho phù hợp với thực tế Qua thực nghiệm cho thấy điều khiển PID với tham số cấu trúc tổng hợp theo phương pháp Modul tối ưu cho chất lượng điều khiển không mô phỏng, điều mơ hình nhận dạng mơ hình thực có sai khác, trình thực nghiệm hiệu chỉnh lại tham số điều khiển Sử dụng Modul tương tự PLC S7-200 để thực thuật tốn điều khiển mơ hình vật lý thiết bị gia nhiệt số trường hợp: tín hiệu vào có dạng hàm bước nhảy, tín hiệu vào biến thiên trường hợp có nhiễu tác động Các kết cho thấy chất lượng điều khiển đáp ứng yêu cầu điều khiển thiết bị gia nhiệt hệ điều khiển q trình có qn tính lớn Kiến nghị Hồn thiện kết nghiên cứu để xây dựng thành thực hành cho môn học điều khiển ghép nối PLC môn Tự động hóa – Khoa Điện đảm nhiệm 55 Tiếp tục nghiên cứu áp dụng thuật toán điều khiển nâng cao vào điều khiển mơ hình vật lý thiết bị gia nhiệt 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều khiển tuyến tính, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2010 [2] Nguyễn Doãn Phước - Phan Xuân Minh, Nhận dạng hệ thống điều khiển, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2005 [3] Nguyễn Doãn Phước - Phan Xuân Minh - Vũ Việt Hà, Tự động hóa với SIMATIC S7-200, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2007 [4] Nguyễn Phùng Quang, MATLAB SIMULINK dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2006 [5] Trần Đức Quân, Ứng dụng thư viện ArduinoIO phần mềm Matlab hệ thống điều khiển tự động, Kỷ yếu hội nghị khoa học trẻ Đại học Thái Nguyên lần thứ 3, 2016, trang 68 – 75 57 ... NGUYỄN THỊ PHƯƠNG CHI NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG MODUL TƯƠNG TỰ CỦA PLC CHO ĐỐI TƯỢNG GIA NHIỆT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã ngành:... rộng PLC cho đối tượng gia nhiệt làm tài liệu cho công tác thực hành, thí nghiệm cho mơn học điều khiển ghép nối PLC, với tên đề tài: ? ?Nghiên cứu xây dựng điều khiển sử dụng modul tương tự PLC cho. .. mơn Tự động hóa thầ y gia? ?o hướng dẫn TS Đỗ Trung Hải giúp đỡ trình triển khai, nghiên cứu hồn thành đề tài ? ?Nghiên cứu xây dựng điều khiển sử dụng modul tương tự PLC cho đối tượng gia nhiệt? ??