Úng dụng pid trong plc s7 300 thiết kế bộ điều khiển ổn định mức nước

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: ỨNG DỤNG PID TRONG PLC S7-300 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC Giảng viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: Mã sinh viên: Lớp: ThS TẠ HÙNG CƯỜNG NGÔ XUÂN BẢO 135D5202 160073 54K1 - KTĐK&TĐH Nghệ An - 2018 MỤC LỤC Trang MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH DANH MỤC BẢNG MỞ ĐẦU .7 TÓM TẮT ĐỒ ÁN CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MỨC .9 1.1 Mơ hình tốn học điều khiển mức 1.1.1 Xây dựng mơ hình tốn học điều khiển mức .9 1.1.2 Mơ hình hệ thống điều khiển mức nước 11 1.2 Các phương pháp điều khiển mức 13 1.2.1 Phương pháp điều khiển ON/OFF 13 1.2.2 Phương pháp điều khiển mờ 13 1.3 Phương pháp điều khiển dùng PID 14 1.3.1 Khái niệm ứng dụng 14 1.3.2 Cấu trúc điều khiển PID 15 1.3.3 Các phương pháp tổng hợp điều chỉnh PID 18 CHƯƠNG 22 CƠ SỞ VỀ PHẦN MỀM PLC S7-300 VÀ WINCC 22 2.1 Giới thiệu PLC S7-300 .22 2.1.1 Cấu trúc chung PLC 22 2.1.2 Cấu tạo họ PLC S7-300 .25 2.1.3 Cấu trúc chương trình S7-300 27 2.1.4 Ngơn ngữ lập trình LAD 28 2.1.5 Bộ điều chỉnh PID PLC S7-300 .29 2.2 Tổng quan WINCC 35 2.2.1 Hướng dẫn cài đặt 35 2.2.2 Tạo dự án 37 2.2.3 Chọn PLC Drivers từ Tag Management 38 CHƯƠNG 43 LẬP TRÌNH TRÊN S7-300 VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN WINCC 43 3.1 Lập trình chương trình S7-300 .43 3.1.1 Tạo dự án mới, cấu hình cho phần cứng 43 3.1.2 Xử lý tín hiệu Analog .44 3.1.3 Tạo khối hàm PID 45 3.2 Thiết kế giao diện giám sát WinCC 48 3.2.1 Tạo dự án 48 3.2.2 Tạo thẻ tag đồng với S7-300 .50 3.2.3 Thiết kế đồ họa Graphics 50 3.3 Kết mô 52 KẾT LUẬN .56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 DANH MỤC HÌNH Trang Hình 1.1 Sơ đồ đoạn kênh thủy nơng Hình 1.2 Mơ hình hệ thống điều khiển mức nước 11 Hình 1.3 Sơ đồ khối hệ thống .11 Hình 1.4 Lưu đồ thuật toán hệ thống 12 Hình 1.5 Các khối chức điều khiển mờ .13 Hình 1.6 Cấu trúc điều khiển PID 15 Hình 1.7 Ví dụ ảnh hưởng tham số P 16 Hình 1.8 Ví dụ ảnh hưởng tham số I 17 Hình 1.9 Sự ảnh hưởng tham số D .17 Hình 1.10 Đặc tính độ hệ thống hở theo Zeigler-Nichols 18 Hình 1.11 Sơ đồ khối hệ kín có điều chỉnh PID 18 Hình 1.12 Đáp ứng hệ kín k=kgh .19 Hình 1.13 Đáp ứng nấc hệ thích hợp cho phương pháp Chien-Hrones-Reswick 20 Hình 2.1 Sơ đồ khối PLC 22 Hình 2.2 Chu kỳ vịng qt 23 Hình 2.3 Các khối modul PLC S7-300 .25 Hình 2.4 Sơ đồ Module FB41 “CONT_C” .30 Hình 2.5 Sơ đồ khối FB41 với đối tượng điều khiển 32 Hình 2.6 Các chân khối PID FB41 33 Hình 2.7 Cửa sổ soạn thảo WinCC 37 Hình 2.8 Kết nối WinCC với PLC 38 Hình 2.9 Chọn driver kết nối 38 Hình 2.10 Tag internal 39 Hình 2.11 Chọn kiểu liệu cho thẻ tag 40 Hình 2.12 Xác định địa PLC 40 Hình 2.13 Tạo tag trình 41 Hình 2.14 Giao diện Graphics Designer 42 Hình 3.1 Tạo dự án S7-300 43 Hình 3.2 Cấu hình phần cứng PLC 43 Hình 3.3 Nguyên lý hoạt động module Analog 44 Hình 3.4 HàmFC105 44 Hình 3.5 Tạo khối OB35 45 Hình 3.6 Khối PID FB41 46 Hình 3.7 Nhập cácđịa cho khối PID FB41 46 Hình 3.8 Màn hình lập trình S7-300 .47 Hình 3.9 Khối OB1 47 Hình 3.10 Khối PID FB41 48 Hình 3.11 Tạo dự án WinCC 48 Hình 3.12 Đặt tên dự án chọn đường lưu dự án 49 Hình 3.13 Giao diện dự án vừa tạo .49 Hình 3.14 Tạo thẻ tag đồng với S7-300 .50 Hình 3.15 Tạo thẻ tag 50 Hình 3.16 Đường dẫn để lấy bồn nước 51 Hình 3.17 Tạo I/O Field 51 Hình 3.18 Giao diện sau thiết kế xong 52 Hình 3.19 Giao diện S7-300 mô hệ thống 52 Hình 3.20 Giao diện WinCC mô hệ thống .53 Hình 3.21 Mở PID Control Parameter Assignment 53 Hình 3.22 Thay đổi thông số PID .54 Hình 3.23a Đồ thị đặt mức 70 cm 54 Hình 3.23b Đồ thị đặt mức 110 cm 55 DANH MỤC BẢNG Trang Bảng 1.1 Thông số điều chỉnh xác định theo phương pháp ZeiglerNichols 19 Bảng 1.2 Bảng tính thơng số PID theo Ziegler- Nichols thứ 20 Bảng 1.3 Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 20 Bảng 1.4 Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 21 Bảng 1.5 Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 21 Bảng 1.6 Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 21 Bảng 2.1 Mơ tả tóm tắt chân đầu vào 33 Bảng 2.2 Mô tả tóm tắt chân đầu 34 MỞ ĐẦU Tự động hóa q trình cơng nghệ thực phát triển ứng dụng mạnh mẽ công nghiệp, lựa chọn tối ưu lĩnh vực nhằm tạo sản phẩm chất lượng cao, tiết kiệm chi phí tạo khả cạnh tranh mạnh mẽ thị trường Trong ngành công nghiệp sản xuất chất lỏng hóa chất, nước uống đóng chai, sữa, nước mắm, dầu ăn, dầu khí,… vấn đề cần điều khiển mức chất lỏng cần đáp ứng với độ xác cao để phục vụ trình sản xuất đạt hiệu tốt hơn, đảm bảo trình sản xuất chất lỏng không bị gián đoạn, tăng tuổi thọ thiết bị, người vận hành không cần phải trực tiếp kiểm tra bồn chứa đóng mở bơm liên tục, vấn đề bị cạn hay tràn bồn chứa chất lỏng hoàn toàn khắc phục cho dù đầu thay đổi Đó lý em thực đề tài tốt nghiệp: “Úng dụng PID PLC S7-300 thiết kế điều khiển ổn định mức nước” Về nội dung đồ án chia thành chương: Chương Các phương pháp điều khiển mức Chương Cơ sở PLC S7-300 WinCC Chương Lập trình S7-300 mô WinCC Em xin gửi lời chân thành cảm ơn tới tất thầy cô Viện Kỹ thuật Công nghệ, đặc biệt ThS Tạ Hùng Cường tận tình giúp đỡ tạo điều kiện tốt giúp em hoàn thành đồ án Em kính chúc q thầy Viện Kỹ thuật Công nghệ thật nhiều sức khỏe công tác tốt để ngày đào tạo thêm nhiều hệ kỹ sư tài cho đất nước Nghệ An, tháng năm 2018 Sinh viên thực Ngơ Xn Bảo TĨM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án tìm hiểu ứng dụng điều khiển PID việc điều khiển ổn định mức nước Đồ án tìm hiểu vấn đề như: nguyên lý hoạt động cảm biến siêu âm, xử lý tín hiệu analog S7-300, điều khiển PID, mô hệ thống ổn định mức nước S7-300, WinCC ABSTRACT This thesis researches the application of the PID controller in controlling and stabilizing water level The thesis has already researched those problems such as: operating principle of ultrasonic sensor, processing the analog signals on S7-300, PID controller, simulating the water stabilizing system on S7-300, WinCC CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MỨC 1.1 Mơ hình tốn học điều khiển mức 1.1.1 Xây dựng mơ hình tốn học điều khiển mức Hình 1.1 Sơ đồ bể chứa nước đầu vào – đầu Lưu lượng nước thay đổi Q1(t) bơm vào bể Lưu lượng nước Q2(t) dẫn khỏi bể qua van xả có tiết diện ngang a đặt gần đáy bể; V(t), H(t) - thể tích mức nước bể Ở trạng thái cân động Q1(t) = Q2(t), mức nước bể H(t) không thay đổi Sự thay đổi lưu lượng dòng vào Q1(t) lưu lượng dòng Q2(t) ảnh hưởng đến thể tích chất lỏng V(t) bể, tức mức nước H(t) bể thay đổi theo Giả sử thiết diện ngang S1 bể khơng đổi, phương trình cân khối lượng viết cho bể chứa hình 1.1 có dạng: 𝑆 𝑑𝐻 (𝑡 ) = 𝑄1 (𝑡 ) − 𝑄2 (𝑡 ) 𝑑𝑡 (1.1) Lưu lượng nước Q2(t) khỏi bể qua van xả P2 có thiết diện ngang a thỏa mãn phương trình Bernouli: 𝑄2 (𝑡 ) = 𝑎√2𝑔𝐻(𝑡) (1.2) Trong - g gia tốc trọng trường Và phương trình cân khối lượng viết 𝑆 𝑑𝐻 (𝑡 ) = 𝑄1 (𝑡 ) − 𝑎√2𝑔𝐻 (𝑡 ) 𝑑𝑡 (1.3) Biểu diễn: 𝐻 (𝑡 ) = 𝐻0 + ∆𝐻 (𝑡 ) 𝑄1 (𝑡) = 𝑄10 + ∆𝑄1 (𝑡 ) Trong H0 giá trị định mức mức nước bể, Ql0 thành phần không đổi, ứng với trạng thái xác lập, H (t ) Q1 (t ) - thành phần biến đổi mức nước lưu lượng dịng vào.Tuyến tính hóa phương trình (1.3) cách phân tích √2𝑔𝐻 (𝑡 ) thành chuỗi Taylor, có ý đến 𝑄20 = a√2𝑔𝐻0 bỏ qua số hạng dư bậc cao, ta có phương trình: 𝑑∆𝐻 (𝑡 ) 𝑔 = ∆𝑄1 (𝑡) − 𝑎√ ∆𝐻 (𝑡 ) 𝑑𝑡 2𝐻0 𝑆 (1.4) Giả thuyết thành phần biến đổi lưu lượng dòng vào tỷ lệ với góc mở  (t ) biểu thức: ∆𝑄1 (𝑡) = 𝑘𝜑(𝑡) Trong k - hệ số tỷ lệ Thay giá trị ∆𝑄1 (𝑡) vào phương trình (1.4) ta có 𝑆 𝑑𝐻(𝑡) 𝑔 = 𝑘𝜑(𝑡 ) − 𝑎√ ∆𝐻 (𝑡 ) 𝑑(𝑡) 2𝐻0 (1.5) Ký hiệu 𝑢(𝑡 ) = 𝜑(𝑡) – tác động vào; 𝑥 (𝑡 ) = ∆𝐻(𝑡) – đại lượng ra, ta có phương trình động học hệ thống: 𝑆 𝑑𝑥(𝑡) 𝑔 + 𝑎√ 𝑥 (𝑡 ) = 𝑘𝑢(𝑡 ) 𝑑𝑡 2𝐻0 (1.6) viết dạng tổng quát: 𝑎0 𝑑𝑥(𝑡) + 𝑎1 𝑥 (𝑡 ) = 𝑘𝑢(𝑡 ) 𝑑𝑡 10 (1.7) CHƯƠNG LẬP TRÌNH TRÊN S7-300 VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN WINCC 3.1 Lập trình chương trình S7-300 3.1.1 Tạo dự án mới, cấu hình cho phần cứng Mở phần mềm Step 7, tạo dự án cách vào file -> new project wizard Sau đặt tên cho dự án, chọn đường dẫn lưu, chọn kiểu ngơn ngữ lập trình Ladder nhấn Finish Hình 3.1 Tạo dự án S7-300 Tiếp đến, ta cấu hình cho phần cứng cách ấn vào SIMATIC 300 Station, chọn Hardware.Chọn thông số với CPU sử dụng, em sử dụng CPU 313c mã 313-5BG04-0AB0 Hình 3.2 Cấu hình phần cứng PLC 43 3.1.2 Xử lý tín hiệu Analog Khái niệm: Module analog công cụ để xử lý tín hiệu tương tự thơng qua việc xử lý tín hiệu số Analog input: Thực chất biến đổi tương tự - số (A/D) Analog output: Thực chất biến đổi số - tương tự (D/A) Hình 3.3 Nguyên lý hoạt ðộng module Analog Trong S7-300, ta dùng hàm SCALE để biến đổi giá trị 4-20mA hay 010V nhận từ đầu vào Analog sang giá trị mức nước hay nhiệt độ Ta lấy hàm theo đường dẫn: Libraries -> Standard Library -> TI-S7 Converting Blocks Hình 3.4 Hàm FC105 44 FC105 hàm chức quét tín hiệu số nguyên đầu vào ANALOG đưa vào cổng IN chuyển đổi sang số thực khoảng giới hạn LO_LIM HI_LIM Kết ghi OUT Đầu tính theo cơng thức: OUT = [ ((FLOAT (IN) – K1)/(K2–K1)) * (HI_LIM–LO_LIM)] + LO_LIM Trong đó: K1 K2 giá trị set chế độ: BIPOLAR: , K1 = –27648.0 and K2 = +27648.0 UNIPOLAR: K1 = 0.0 and K2 = +27648.0 Chức chân hàm FC105: - EN = Enable : Cho phép khối hàm hoạt động - IN = Địa ngõ vào Analog - HI_LIM : Mức cao Analog - Lo_LIM : Giới hạn mức thấp analog - ENO = Trạng thái tín hiệu Enable out tín hiệu với EN - RET_VAL: giá trị trả lại, Ret_val = ok = bị lỗi ( chạy sai, khai báo chưa đúng.) Kiểu khai báo Word - OUT : Kiểu số thực lưu lại để xử lý tình theo theo người dùng (MD20, MD24 Đây kiểu Real) 3.1.3 Tạo khối hàm PID Trong S7-300, ta dùng khối hàm PID cách : Ở cửa sổ chương trình chính, ta nhấp chuột phải, chọn Insert New Object -> Organization Block Hình 3.5 Tạo khối OB35 45 Ở phần tên khối, ta đặt tên OB35, chọn ngơn ngữ lập trình kiểu Ladder Tiếp đến vào khối OB35, ta tạo network mới, lấy hàm FB41 theo đường dẫn Libraries -> Standard Library -> PID Control Blocks Hình 3.6 Khối PID FB41 Sau đó, ta nhập địa cho khối hình sau: Hình 3.7 Nhập địa cho khối PID FB41 46 Như ta xong việc lập trình S7-300, sau tồn chương trình: Hình 3.8 Màn hình lập trình S7-300 Hình 3.9 Khối OB1 47 Hình 3.10 Khối PID FB41 3.2 Thiết kế giao diện giám sát WinCC 3.2.1 Tạo dự án Ta vào file -> new chọn Single-User Project Hình 3.11 Tạo dự án WinCC 48 Đặt tên, chọn đường lưu dự án nhấn vào Create để tạo Hình 3.12 Đặt tên dự án chọn đường lưu dự án Sau tạo xong giao diện dự án Hình 3.13 Giao diện dự án vừa tạo 49 3.2.2 Tạo thẻ tag đồng với S7-300 Hình 3.14 Tạo thẻ tag đồng với S7-300 Ở mục MPI, ta nhấp chuột phải chọn New Connection tạo thẻ tag có địa bên S7-300 Hình 3.15 Tạo thẻ tag 3.2.3 Thiết kế đồ họa Graphics Để tạo bồn nơớc WinCC, ta theo đường dẫn Global Library -> Siemens HMI -> Tanks lấy bồn nước 50 Hình 3.16 Đường dẫn để lấy bồn nước Tương tự, ta lấy thêm ống nước, bơm, van xả, cảm biến… Để hiển thị mức nước đặt, ta chọn vào I/O Field, thiết lập thơng số hình nhấn OK Hình 3.17 Tạo I/O Field Tương tự mức nước thực tế, tín hiệu từ cảm biến, mức bơm… Và ta giao diện sau thiết kế xong: 51 Hình 3.18 Giao diện sau thiết kế xong 3.3 Kết mô Ta tiến hành nộp cho chạy chương trình Hình 3.19 Giao diện S7-300 mơ hệ thống 52 Hình 3.20 Giao diện WinCC mơ hệ thống Chương trình chạy mức nước chưa ổn định Ta cần hiệu chỉnh thông số cho điều khiển PID Ta mở PID Control Parameter Assignment theo đường dẫn: Start -> All Programs -> Siemens Automation -> SIMATIC -> STEP Hình 3.21 Mở PID Control Parameter Assignment Hiệu chỉnh thông số PID mức nước ổn định, độ vọt lố thấp, tốc độ đáp ứng nhanh lưu lại thơng số 53 Hình 3.22 Thay đổi thông số PID Chạy lại hệ thống với thông số phù hợp, ta thấy hệ thống ổn định Hình 3.23a Đồ thị đặt mức 70 cm 54 Hình 3.23b Đồ thị đặt mức 110 cm 55 KẾT LUẬN Trong khuôn khổ Đồ án tốt nghiệp, đồ án em hoàn thành vấn đề sau: - Tìm hiểu tổng quan hệ thống điều khiển ổn định mức nước - Cơ sở PLC S7-300, WinCC thuật toán PID - Lập trình S7-300, WinCC - Thực mơ Tuy nhiên, kết thu mang tính chất tương đối, đáp ứng phần yêu cầu điều khiển đặt Quá trình thực đồ án hướng dẫn tận tình thầy giáo ThS Tạ Hùng Cường cố gắng nỗ lực thân, em hoàn thành đồ án tốt nghiệp Trong trình thực em củng cố học hỏi thêm nhiều kiến thức kinh nghiệm cho thân Do vốn kiến thức thời gian có hạn nên đồ án em khơng tránh khỏi sai sót Do em mong nhận góp ý đánh giá quý thầy cô để đồ án em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Nghệ An, tháng năm 2018 Sinh viên thực Ngô Xuân Bảo 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Hoa Lư, Lê Văn Chương, Lí thuyết điều khiển tự động hệ tuyến tính, Nhà xuất Đại học Vinh, 2017; [2] Trần Thu Hà, Phạm Quang Huy, Tự động hóa công nghiệp với Wincc, Nhà xuất Hồng Đức, 2007; [3] Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Vũ Văn Hà, Tự động hóa với SIMATIC S7-300, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2007; [4] Nguyễn Trọng Thuần, Điều khiển logic ứng dụng, Nhà xuất thống kê, 2003; [5] Siemens – Manual PLC S7 – 300, SIEMENS; [6] Siemens – WinCC V 7.0, SIEMENS; 57 ... nghiệp: ? ?Úng dụng PID PLC S7- 300 thiết kế điều khiển ổn định mức nước? ?? Về nội dung đồ án chia thành chương: Chương Các phương pháp điều khiển mức Chương Cơ sở PLC S7- 300 WinCC Chương Lập trình S7- 300. .. chế phản hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát sử dụng rộng rãi hệ thống điều khiểncông nghiệp – điều khiển PID điều khiển sử dụng nhiều điều khiển phản hồi Bộ điều khiển PID tính tốn giá... phản hồivòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát sử dụng rộng rãi hệ thống điều khiển công nghiệp – điều khiển PID điều khiển sử dụng nhiều điều khiển phản hồi Bộ điều khiển PID tính tốn giá trị