Hiện nay việc đảm bảo chất lượng cho mỗi sản phẩm là việc rất quan trọng đối với các doanh nghiệp. Do đó yêu cầu đặt ra là phải làm sao cho các sản phẩm đó phải có chất lượng và mẫu mã giống nhau. Trong quá trình sản xuất tạo ra sản phẩm, khâu định lượng đóng vai trò hết sức quan trọng, nhằm xác định chính xác khối lượng nguyên vật liệu, bán thành phẩm và sản phẩm. Các thiết bị định lượng có mặt hầu hết tại các công đoạn của quá trình sản xuất: cung ứng tồn trữ nguyên vật liệu, , cấp liệu cho từng giai đoạn công nghệ, định lượng và đóng gói sản phẩm Tự động điều khiển, giám sát các công đoạn của quá trình sản xuất nói Chung và khâu định lượng đóng gói sản phẩm nói riêng là một trong các giải pháp ưu tiên hàng đầu được lựa chọn của đề tài mà nhóm tác giả lựa chọn Hiện nay, tại một số cơ sở sản xuất việc định lượng và đóng bao sản phẩm dạng hạt còn thực hiện theo phương pháp thủ công, một số cơ sở được trang bị thiết bị Điều khiển tự động nhập ngoại có giá thành cao và không phù hợp với từng loại sản phẩm cụ thể. Do đó vấn đề tiếp cận, làm chủ, tự thiết kế, chế tạo các hệ thống Điều khiển và giám sát tự động của thiết bị định lượng là cần thiết, mang tính thực tiến.
MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU…………………………………………………………………1 LỜI NÓI ĐẦU…………………………………………………………………1 1.1 Lý thuyết chung hệ thống cân băng định lượng .2 1.1.1 Đặt vấn đề .2 1.1.2 Khái niệm 1.1.3 Cấu tạo cân băng định lượng 1.1.4 Nguyên lý tính lưu lượng cân băng định lượng .3 1.2 Cấu trúc hệ thống cân băng 1.3 Hệ điều chỉnh tốc độ động không đồng dùng biến tần .6 1.3.1 Động không đồng 1.3.2 Khái quát biến tần 10 1.3.3 Điều chỉnh tần số động biến tần 12 1.4 Cảm biến trọng lực Loadcell .13 1.4.1 Khái niệm Loadcell .13 1.4.2 Tế bào cân đo trọng lượng 13 1.4.3 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 16 1.5 Băng tải cao su .19 1.6 Sensor đo tốc độ 20 1.6.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 20 1.6.2 Đo vận tốc băng tải .22 1.7 Đo khối lượng liệu băng 23 1.8 Kết luận chương 23 CHƯƠNG LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ .24 2.1 Lựa chọn phương án thiết kế 24 2.1.1 Phương pháp (Điều chỉnh cấp liệu gián đoạn): .24 2.1.2 Phương pháp (Điều chỉnh cấp liệu liên tục): 24 2.1.3 Phương pháp (Điều chỉnh mức vật liệu ngăn xếp) 25 2.2 Lựa chọn thiết bị 25 2.2.1 Biến tần Mitsubishi FR-E740 .25 2.2.2 Màn hình HMi Xinje 27 2.2.3 Đầu cân BS-205 28 2.2.4 PLC S7- 200, modul EM235 EM231 29 - Module Siemens S7-200, EM235, AI, DC +/-10V; 1AQ, DC +/-10V, 12 bit, 6ES7235-0KD22-0XA0 30 2.2.5 Bộ nguồn 220 VAC/24VDC .30 2.2.6 Phễu chưa liệu .30 2.2.7 Băng tải định lượng 31 2.2.8 Động pha .32 2.2.9 Encoder E6B2-CWZ6C ( 360 xung ) 32 3.1 Sơ đồ đấu nối phần cứng PLC 34 3.1.1 Phân loại đầu vào 34 3.1.2.Phân loại đầu 34 3.1.2 Lưu đồ thuật toán 35 3.2 Thuật toán điều khiển PLC S7-200 35 3.2.1 Giới thiệu điều khiển PID 35 3.2.2 PID PLC S7-200 43 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 Sơ đồ cấu tạo cân băng định lượng Hình Cấu trúc hệ thống cân băng định lượng 11 Hình Đặc tính thay đổi tần số động không đồng 23 Hình Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động 26 Hình Biến tần .26 Hình 1.6 Nguyên lý hoạt động biến tần 27 Hình 1.7 Sơ đồ mạch lực biến tần nguồn áp dùng Tranzitor .27 Hình 1.8 Giản đồ điện điện áp pha A dùng phương pháp PWM 27 Hình 1.9 Sơ đồ tế bào cân số SFT 28 Hình 1.10 Sơ đồ tế bào cân Tezome 28 Hình 1.11 Cấu tạo Loadcell 29 Hình 1.12 Nguyên lý hoạt động Loadcell 29 Hình 1.13 Cấu trúc cầu cân mơ men lực 29 Hình 1.14 Băng tải cao su 31 Hình 1.15 Encoder quang tương đối .37 Hình 1.16 Mạch đo tín hiệu tốc độ 38 Hình 1.17 Mạch đo khối lượng 39 Hình 2.1 Định lượng gián đoạn 39 Hình 2 Định lượng liên tục 40 Hình 2.3 Biến tần Mitsubishi FR-E740 40 Hình 2.4 Màn hình HMi Xinje 41 Hình 2.5 Đầu cân BS-205 42 Hình PLC S7-200 modul EM235 EM 231 43 Hình 2.7 Bộ nguồn 220VAC/24VDC 47 Hình 2.8 Phễu chưa liệu 47 Hình 2.9 Cân băng định lượng 48 Hình 2.10 Động pha 48 Hình 2.11 Cấu tạo Encoder .49 Hình 2.12 Sơ đồ nối dây 49 Hình Sơ đồ đấu nối phần cứng PLC 52 Hình Lưu đồ thuật toán 55 Hình 3 Sơ đồ hệ thống điều khiển dùng PID 59 Hình Sơ đồ khối khâu P .65 Hình Đáp ứng khâu P 72 Hình Đáp ứng khâu I PI 82 Hình 3.7 Đáp ứng khâu D PD 82 Hình 3.8 Đáp ứng khâu PID .83 Hình 3.9 Xác định tham số cho mơ hình xấp xỉ bậc có trễ ………………… Hình 3.10 Mơ hình điều khiển với hệ số Kgh 84 Hình 3.11 Xác định hệ số khuyêchs đại giới hạn 85 LỜI NÓI ĐẦU Hiện việc đảm bảo chất lượng cho sản phẩm việc quan trọng doanh nghiệp Do yêu cầu đặt phải cho sản phẩm phải có chất lượng mẫu mã giống Trong trình sản xuất tạo sản phẩm, khâu định lượng đóng vai trị quan trọng, nhằm xác định xác khối lượng nguyên vật liệu, bán thành phẩm sản phẩm Các thiết bị định lượng có mặt hầu hết cơng đoạn q trình sản xuất: cung ứng tồn trữ nguyên vật liệu, , cấp liệu cho giai đoạn công nghệ, định lượng đóng gói sản phẩm Tự động điều khiển, giám sát cơng đoạn q trình sản xuất nói Chung khâu định lượng đóng gói sản phẩm nói riêng giải pháp ưu tiên hàng đầu lựa chọn đề tài mà nhóm tác giả lựa chọn Hiện nay, số sở sản xuất việc định lượng đóng bao sản phẩm dạng hạt cịn thực theo phương pháp thủ cơng, số sở trang bị thiết bị Điều khiển tự động nhập ngoại có giá thành cao không phù hợp với loại sản phẩm cụ thể Do vấn đề tiếp cận, làm chủ, tự thiết kế, chế tạo hệ thống Điều khiển giám sát tự động thiết bị định lượng cần thiết, mang tính thực tiến Nhóm tác giả thiết kế chế tạo hệ thống cân băng định lượng ứng dụng PLC Biến tần Trên cở sở xây dựng thực hành cho sinh viên Khoa Điện sử dụng làm tài liệu thực hành Page CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG 1.1 Lý thuyết chung hệ thống cân băng định lượng 1.1.1 Đặt vấn đề Việc đo lường kiểm sốt khối lượng nhà máy, xí nghiệp quan trọng Trong nhiều trình, việc đo lường kiểm sốt khối lượng khơng thể thiếu để đạt chất lượng sản phẩm cuối tốt nhất, với suất cao giá thành thấp Trước có hệ thống đo khối lượng dùng đối trọng lị xo kết cấu khí, việc sử dụng loại cân cồng kềnh độ xác khơng cao Ngày q trình/ hệ thống đại địi hỏi phải có độ xác cao việc đo lường thiết bị Vấn đề cơng nghệ đo phù hợp, hiển thị xác thông số đo lường vấn đề nhiều kỹ sư tích hợp, đo lường điều khiển quan tâm Hệ thống cân băng định lượng hệ thống có vai trị quan trọng dây truyền sản xuất cơng nghiệp, thương mại Các q trình cơng nghệ nói chung từ xử lý nguyên liệu thô ban đầu để tạo thành phẩm Vậy làm để định lượng khối lượng nguyên liệu đầu vào cách xác đời sản phẩm đạt tiêu chuẩn chất lượng với chi phí sản xuất thấp nhất? Trong nhà máy, xí nghiệp cơng đoạn xử lý ngun liệu cần định lượng, từ lĩnh vực đơn giản đưa khối lượng nguyên liệu đầu vào để sản xuất, đến công việc phức tạp sử dụng thương mại để buôn bán, trao đổi Vai trị việc cân định lượng khơng thể thiếu hệ thống tự động hoá như: nhà máy xi măng, nhà máy nhiệt điện Hệ thống cân băng định lượng tham gia vào trình sản xuất xi măng bao gồm: cân đo nguyên liệu cho máy nghiền nguyên liệu theo tỷ lệ, thành phần suất đặt trước, cung cấp nhiên liệu để đốt đảm bảo lưu lượng cho phù hợp với điều kiện trước, sau lò nung Ngồi hệ thống cân băng định lượng cịn cân đo nguyên liệu than, thạch cao… cho máy nghiền clanhke, nghiền than, máy đóng bao, máy sản xuất gạch men… 1.1.2 Khái niệm Cân băng định lượng bao gồm thiết bị ghép nối với mà thành, Page thuộc dạng cân định lượng băng tải, dùng cho hệ thống cân liên tục (liên tục theo chế độ dài hạn lặp lại) Thực việc phối liệu cách liên tục theo tỷ lệ yêu cầu công nghệ đặt Trong nhà máy sản xuất công nghiệp, hệ thống cân băng định lượng đáp ứng ổn định lưu lượng liệu điều khiển lượng liệu cho phù hợp với u cầu, đóng vai trị quan trọng việc điều phối hoạch định sản xuất, định vào chất lượng sản phẩm, góp phần vào thành cơng cơng ty Cân băng định lượng luận văn đề xuất nghiên cứu cân băng tải, thiết bị cung cấp kiểu trọng lượng vật liệu chuyên trở băng tải mà tốc độ điều chỉnh để nhận lưu lượng vật liệu ứng với giá trị người vận hành đặt trước 1.1.3 Cấu tạo cân băng định lượng Hình 1.1: Sơ đồ cấu tạo cân băng định lượng Cấu tạo cân băng định lượng gồm phân sau: Phễu cấp liệu Tang chủ động Cảm biến trọng lượng (Load Cell) Tang chủ động Băng truyền SenSor đo tốc độ Tang bị động Động khơng đống Bulơng khí (được nối với biến tần) 10.Cảm biến vị trí 1.1.4 Nguyên lý tính lưu lượng cân băng định lượng 1.1.4.1 Nguyên lý tính lưu lượng Cân băng định lượng (cân băng tải) thiết bị cung cấp liệu kiểu trọng Page lượng Vật liệu chuyên trở băng tải, mà tốc độ băng tải điều chỉnh để nhận lưu lượng đặt trước có nhiễu tác động lên hệ (ví dụ liệu khơng xuống đều) Cầu cân bao gồm: Một cảm biến trọng lượng (LoadCell) gắn giá mang nhiều lăn Trọng lượng vật liệu băng cảm biến trọng lượng (LoadCell) chuyển đổi thành tín hiệu điện đưa xử lý để tính tốn lưu lượng Để xác định lưu lượng vật liệu chuyển tới nơi đổ liệu phải xác định đồng thời vận tốc băng tải trọng lượng vật liệu đơn vị chiều dài ∂ (kg/m) Trong tốc độ băng tải đo cảm biến tốc độ có liên hệ động học với động Tốc độ băng tải V (m/s) tốc độ vật liệu truyền tải Tải băng truyền (ƍ) trọng lượng vật liệu truyền tải đơn vị chiều dài ∂ (kg/m) Cân băng tải có phận đo trọng lượng để đo ∂ điều khiển để điều chỉnh tốc độ băng tải cho điểm đổ liệu, lưu lượng dòng chảy liệu giá trị đặt người vận hành đặt trước Bộ điều khiển đo tải trọng băng truyền điều chỉnh tốc độ băng đảm bảo lưu lượng không đổi điểm đổ liệu Q=ƍ*V (1.1) Trọng lượng tổng băng lực F c(N) đo hệ thống cân trọng lượng ∂, tính theo biểu thức: δ= (1.2) Trong đó: L: Chiều dài cầu cân g: Gia tốc trọng trường (g=9,8 m/s2) Lực hiệu dụng Fm(N) trọng lượng vật liệu băng tải gây nên: Fm =Fc – F0 (1.3) Trong đó: F0: Lực đo trọng lượng băng tải lăn giá đỡ cầu cân Tải trọng băng truyền tính là: (1.4) Trong đó: γ : Khối lượng riêng vật liệu (kg/m3) Page S: Tiết diện cắt ngang vật liệu băng (m2) Do đó, lưu lượng tính là: Q= =2 (1.5) 1.1.4.2 Đo trọng lượng liệu băng tải Trọng lượng đo nhờ tín hiệu LoadCell bao gồm trọng lượng băng tải trọng lượng vật liệu băng Vì để đo trọng lượng liệu ta phải tiến hành trừ bì (tức trừ trọng lượng băng tải ) Bộ điều khiển xác định trọng lượng liệu nhờ trừ bì tự động phân đoạn băng tải Nguyên lý trình trừ bì sau: Băng tải phải chia thành phân đoạn xác định Trong lúc trừ bì băng tải rỗng (khơng có liệu băng) trọng lượng đoạn băng ghi vào nhớ Khi vận hành bình thường cân băng tải trọng lượng vật liệu phân đoạn xác định cách lấy trọng lượng đo đoạn trừ trọng lượng băng tải tương ứng ghi nhớ Điều đảm bảo cân xác trọng lượng liệu dùng băng tải có độ dày khơng chiều dài Việc điều chỉnh trọng lượng cần phải thực đồng với vị trí băng (belt index gắn băng) bắt đầu thực trừ bì Khi ngừng cân vị trí băng tải giữ lại nhớ lần khởi động việc trừ bì thực 1.2 Cấu trúc hệ thống cân băng Page (3.7) Sao cho hệ thống nhanh chóng trạng thái xác lập độ tới hạn δ max không vượt giới hạn cho phép, khoảng 40% so với h(∞) = lim h(t) : t →∞ δ max = ∆hmax ≤ 40% h(∞) (3.8) Ba tham số Tt (thời gian trễ), K (hệ số khuếch đại) T (hằng số thời gian quán tính) mơ hình xấp xỉ xác định gần từ đồ thị hàm độ h(t) đối tượng Nếu đối tượng có dạng hình 3.6a mơ tả từ đồ thị hàm h(t) ta đọc được: +Tt khoảng thời gian tín hiệu h(t) chưa có phản ứng với tín hiệu kích thích 1(t) đầu vào + K giá trị giới hạn h(∞) = lim h(t) : t→∞ Gọi A điểm kết thúc khoảng thời gian trễ, tức điểm trục hồnh có hồnh độ Tt Khi T khoảng cần thiết sau Tt để tiếp tuyến h(t) A đạt giá trị K a) b) Hình 3.9: Xác định tham số cho mơ hình xấp xỉ bậc có trễ Trường hợp hàm q độ h(t) khơng có dạng lý tưởng hình 3.6a, Nhưng có dạng gần giống hình chữ S khâu quán tính bậc bậc n mơ tả hình 3.6b ba tham số K, Tt, T xác định xấp xỉ sau: + K giá trị giới hạn h(∞) + Kẻ đường tiếp tuyến h(t) điểm uốn Khi Tt hồnh độ giao điểm tiếp tuyến với trục hoành T khoảng thời gian cần thiết để đường tiếp tuyến từ giá trị tới giá trị K Như ta thấy điều kiện để áp dụng phương pháp xấp xỉ mơ hình bậc có trễ đối tượng đối tượng phải ổn định, dao động hàm q độ phải có dạng chữ S Sau có tham số cho mơ hình xấp xỉ đối tượng, ta chọn thông số điều khiển theo bảng sau : Bảng 3.1: Lựa chọn thông số điều khiển theo phương pháp Ziegler – Nichols Bộ điều khiển KP P PI PID TI TĐ - - 0.9 2.Tt 1.2 0.5 Tt Từ suy : + Hệ số tích phân : + Hệ số vi phân : Ki = KD = KP.TV (3.9) (3.10) 3.2.1.7 Sử dụng giá trị tới hạn thu từ thực nghiệm Trong trrường hợp xây dựng phương pháp mơ hình cho đối tượng phương pháp thiết kế thích hợp phương pháp thực nghiệm Thực nghiệm tiến hành hệ thống đảm bảo điều kiện: Khi đưa trạng thái làm việc hệ đến biên giới ổn định giá trị tín hiệu hệ thống điều phải nằm giới hạn cho phép Phương pháp cịn có tên phương pháp thứ hai Ziegler – Nichols Điều đặc biệt phương pháp không sử dụng mô hình tốn học đối tượng điều khiển, mơ hình xấp xỉ gần Các bước tiến hành sau : + Trước tiên, sử dụng P lắp vào hệ kín (hoặc dùng PID chỉnh thành phần KI KD giá trị 0) Khởi động trình với hệ số khuếch đại K P thấp, sau tăng dần K P tới giá trị tới hạn Kgh để hệ kín chế độ giới hạn ổn định, tức tín hiệu h(t) có dạng dao động điều hịa Xác định chu kỳ tới hạn Tgh dao động Hình 3.10: Mơ hình điều khiển với Kgh h(t) Tgh 0t Hình 3.11: Xác định hệ số khuếch đại tới hạn Xác định thông số điều khiển theo bảng sau: Bảng 3.2: Thông số điều khiển theo thực nghiệm Bộ điều KP TI TD P 0,5 Kgh - - PI 0,45 Kgh 0,83 Tgh - PID 0,6 Kgh 0,5 Tgh 0,125 Tgh khiển 3.2.2 PID PLC S7-200 3.2.2.1 Lệnh vòng lặp PID S7-200 Lệnh vịng lặp PID tính tốn vòng lặp PID (PID Loop) theo đầu vào thông số từ bảng định địa TBL Lệnh PID Loop (Proportional, Integral, Derivative Loop) sử dụng để tính tốn vịng lặp PID Lệnh thực đỉnh ngăn xếp STL hay có Power Flow LAD Lệnh có hai tốn hạng : [TBL] địa byte bảng liệu [LOOP] số nằm khoảng từ đến Điều có nghĩa có tối đa lệnh PID Loop sử dụng chương trình Nếu có hai bảng khác ảnh hưởng đến gây hậu không lường trước Những lỗi gây nên lệnh này: + Bit đặc biết SM4.3 = : lỗi Run – Time + Lỗi 0006: địa gián tiếp + Bit đặc biết SM1.1 = 1: lỗi tràn (Overflow) Bảng liệu lệnh PID Loop bao gồm 09 tham số dùng để điều khiển hoạt động vòng lặp: + Giá trị tức thời (current value) + Giá trị kế trước (current and previous value) biến điều khiển (process vafiable) + Giá trị yêu cầu (setpoint) + Giá trị xử lý (output-đầu PID) + Hệ số khuếch đại (Gain) + Thời gian lấy mẫu (sample time) + Hệ số tích phân (integral time – reset) + Hệ số vi phân (derivative time – rate) integral sum (bias) Để thực lệnh tần suất lấy mẫu xác định, phải đặt ngắt thời gian thực chương trình qua kiểm sốt định thời Đồng thời, thời gian lấy mẫu tương ứng phải đưa vào bảng liệu lệnh Trong STEP Micro / Win 32, sử dụng PID Wizard để tạo thuật toán với PID cho mạch điều khiển kín cách chọn Tools Instruction Wizard -> PID từ menu Ở trạng thái ổn định, điều khiển PID điều chỉnh cho sai số giá trị yêu cầu (setpoint SP) giá trị điều khiển (process variable PV) Nguyên lý điều khiển thể phương trình sau: M(t) = Kc.e + K + M t + Kd (3.11) Trong đó: - M(t) : đầu PID (đại lượng xử lý) hàm theo thời gian - Kc: số khuếch đại - e: sai số e = SP – PV - Mi : giá trị ban đầu PID Nhằm mục đích áp dụng điều khiển PID máy vi tính hay PLC nói riêng kỹ thuật số nói chung, phải tiến hành “rời rạc hóa” phương trình nêu Cụ thể lấy mẫu lượng tử hóa biến Phương trình viết lại sau: Mn= n K c en + K i ∑ ei + M i + K d (en - en-1 ) i= Trong đó: - Mn : Đầu PID (đại lượng xử lý) thời điểm lấy mẫu n - Kc : Hằng số khuếch đại - en : Sai số thời điểm lấy mẫu n en = SPn - PVn - en-1 : Sai số thời điểm lấy mẫu trƣớc (n – 1) en-1 = SPn-1 - PVn-1 - Ki : Hằng số khuếch đại thành phần tích phân (3.12) - Mi : Giá trị ban đầu PID - Kd : Hằng số khuếch đại thành phần vi phân Từ phương trình ta nhận thấy rằng, thành phần tỉ lệ (proportional) hàm sai số thời điểm lấy mẫu thành phần vi phân (differential) hàm số sai số thời điểm lấy mẫu thời điểm lấy mẫu Trong kỹ thuật số, lưu lại tất sai số điều thực hiện, thật không cần thiết Vì giá trị xử lý ln tính tốn thời điểm lấy mẫu, kể từ thời điểm đầu tiên, nên cần lưu lại giá trị kế trước sai số thành phần tích phân Phương trình đơn giản thành: M n = K c en + K i en + M x +K d (en - en-1 ) Trong đó: (3.13) -Mn : Đầu PID (đại lượng xử lý) thời điểm lấy mẫu n - Kc : Hằng số khuếch đại - en : Sai số thời điểm lấy mẫu en = SPn - PVn (3.14) - en-1 : Sai số thời điểm lấy mẫu trước (n – 1) en-1 = SPn-1 - PVn-1 - Ki : Hằng số khuếch đại thành phần tích phân - Mx : Giá trị thành phần tích phân thời điểm lấy mẫu kế trước (n-1) - Kd : Hằng số khuếch đại thành phần vi phân - Một cách viết khác phương trình: Mn = MPn + MIn + MDn (3.15) Trong đó: - Mn : Đầu PID (đại lượng xử lý) thời điểm lấy mẫu n - MPn : Thành phần tỉ lệ đầu PID thời điểm lấy mẫu n - MIn : Thành phần tích phân đầu PID thời điểm lấy mẫu n - MDn : Thành phần vi phân đầu PID thời điểm lấy mẫu n 3.2.2.2.Thành phần tỉ lệ (P) Thành phần tỉ lệ (Proportional) MP tích số khuếch đại Kc với sai số e Trong Kc đặc trưng cho độ nhạy đầu PID (Kc lớn, điều khiển PID nhạy) e sai số đại lượng yêu cầu (setpoint SP) đại lượng thực tế (process variable PV) Phương trình biểu diễn: MPn = KC (SPn - PVn ) (3.16) Trong đó: -MPn : Thành phần tỉ lệ đầu PID thời điểm lấy mẫu n - Kc : Hằng số khuếch đại - SPn, PVn: Đại lượng yêu cầu đại lượng thực tế thời điểm lấy mẫu n 3.2.2.3.Thành phần tích phân(I) Thành phần tích phân (Integral) MI tỉ lệ với tổng sai số qua thời gian, thể phương trình: MI n = K c Ts ( SPn − PVn ) + MX TI (3.17) Trong đó: - MIn: Thành phần tích phân đầu PID thời điểm lấy mẫu n - Kc: Hằng số khuếch đại - Ts: Thời gian lấy mẫu - Ti: Hệ số tích phân - SPn: Đại lượng yêu cầu thời điểm lấy mẫu n - PVn: Đại lượng thực tế thời điểm lấy mẫu n - MX: Giá trị thành phần tích phân thời điểm lấy mẫu kế trước (n-1), gọi Integral sum hay Bias Sau tính toán giá trị MIn, Bias MX thay giá trị MIn với khả bị điều chỉnh cắt (chặn giới hạn) Giá trị ban đầu Bias MX, Mi thường lấy giá trị đầu PID trước thời điểm thực lệnh PID Các số khác ảnh hưởng đến thành phần là: Kc – Hằng số khuếch đại Ts – Thời gian lấy mẫu Ti – Hệ số tích phân đặc trưng cho ảnh hưởng thành phần lên toàn lượng xử lý 3.2.2.4.Thành phần vi phân Thành phần vi phân (Differential) MD tỉ lệ với độ thay đổi sai số, thể qua phương trình: MDn = K c TD (( SPn − PVn ) − ( SPn −1 − PVn −1 )) TS (3.18) Với đặc tính có qn tính hệ vật chất, giả thiết đại lượng thực tế PV khơng có thay đổi cách gián đoạn Tuy nhiên đại lượng u cầu tăng giảm gãy khúc (do tính lý thuyết) Về chất toán học, thành phần vi phân phép lấy đạo hàm nên thay đổi gián đoạn gây nên giá trị vơ lớn đầu Để tránh tượng này, phương trình ta giả thiết SPn = SPn – viết: MDn = K c TD ( PVn −1 − PVn ) TS (3.19) - MDn: Thành phần vi phân đầu PID thời điểm lấy mẫu n - Kc, Ts, Td: Hằng số khuếch đại, thời gian lấy mẫu, thời gian vi phân - SPn, PVn: Đại lượng yêu cầu đại lượng thực tế thời điểm lấy mẫu n - SPn-1, PVn-1: Đại lượng yêu cầu đại lượng thực tế thời điểm lấy mẫu n-1 Như thực tế không cần nhớ sai số thời điểm lấy mẫu kế trước mà cần nhớ đại lượng thực tế Trong lần tính tốn PVn-1 = PVn Tùy theo ứng dụng thực tế, bỏ bớt thành phần điều khiển PID không thiết phải bao gồm đủ ba thành phần, chẳng hạn tạo điều khiển tỉ lệ(P) hay điều khiển chứa thành phần tỉ lệ tích phân (PI) Sự lựa chọn dựa cách đặt tham số Nếu muốn bỏ thành phần tích phân , ta chọn hệ số tích phân vơ (Ti = 0) Trong trường hợp này, thành phần tích phân khơng thiết khơng mà giá trị không đổi thông qua giá trị bias MX ban đầu Nếu muốn bỏ thành phần vi phân, ta chọn hệ số vi phân không (T d = 0.0) Nếu muốn bỏ thành phần tỉ lệ, ta chọn hệ số khuếch đại không (K c = 0.0) Trong trường hợp này, số thành phần tích phân vi phân có tính theo Kc nên thành phần ấy, Kc hiểu 1.0 Một điều kiển PID có hai đầu vào: Đại lượng yêu cầu đại lượng thực tế Đây đại lượng thật ứng dụng nhiệt độ, áp suất, tốc độ,… Để đưa vào tính tốn điều khiển, chúng phải đo, chuyển đổi giá trị thích hợp chuẩn hóa (nếu cần) Các bước cần thiết cho điều khiển PID, đòi hỏi giá trị đầu vào giá trị số thực (dấu phẩy động) nằm khoảng từ 0.0 đến 1.0 Thông thường, giá trị đo được đưa vào PLC qua đầuvào tương tự (quy điện áp khoảng – 10VDC dòng điện – 20mADC) thành giá trị số nguyên 16 bit có dấu Trước hết giá trị phải đổi thành số thực 32 bit (dấu phẩy động) Bước chuẩn hóa khoảng [0.0 – 1.0] theo phương trình: NNorm = (NRaw / Span) + Offset (3.20) Trong đó: - NNorm : Giá trị chuẩn hóa, đại diện cho đại lượng thật - NRaw : Giá trị thực chưa chuẩn hóa, đại diện cho đại lượng thật Span: Là hiệu giá trị lớn có trừ giá trị nhỏ có giá trị chưa chuẩn hóa Trong S7 – 200 thường 32000 – = 32000 đại lượng khơng đổi dấu (unipolar) offset = 0.0 hay 32000 – (-32000) = 64000 đại lượng vừa có giá trị dương vừa có giá trị âm (bipolar) Offset = 0.5 Một cách logic thấy cần phải có trình ngược lại với trình giá trị đầu điều khiển PID Nghĩa biến đổi đưa thang giá trị thích hợp cho đầu từ giá trị đầu chuẩn hóa khoảng 0.0 đến 1.0 Phương trình thuật tốn RScale = (MNorm - Offset).Span (3.21) Trong đó: - RScale : Giá trị thích hợp cho đầu ra, đại diện cho đại lượng thật - MNorm : Giá trị đầu chuẩn hóa, đại diện cho đại lượng thật Chúng ta thường nói vịng lặp điều khiển thuận hệ số khuếch đại dương (Kc > 0) hay vòng lặp điều khiển đảo (nghịch) hệ số khuếch đại âm (Kc < 0) Trong trƣờng hợp khơng có thành phần P (Kc = 0), ta xét dấu hệ số Ti Td Các giá trị yêu cầu giá trị thực tế (biến điều khiển) đầu vào điều khiển PID, trường tương ứng với chúng bảng liệu PID không bị thay đổi lệnh Ngược lại trường tương ứng với đầu cập nhật PID Nó bị cắt (chặn) vượt khoảng cho phép [0.0 – 1.0] Nếu có sử dụng thành phần tích phân (I), bias cập nhật lại dùng làm đầu vào cho lần lấy mẫu Tuy nhiên điều chỉnh trường hợp đầu bị chặn (vì vượt ngồi khoảng [0.0 – 1.0]) theo phương trình sau: - Khi đầu lớn 1.0 : MX = 1.0 - (MPn + MDn ) (3.22) - Khi đầu nhỏ 0.0: MX = - (MPn + MDn ) (3.23) Trong đó: - MX: Giá trị bias điều chỉnh - MPn : Giá trị thành phần tỉ lệ (P) đầu thời điểm lấy mẫu n - MDn: Giá trị thành phần vi phân (D) đầu thời điểm lấy mẫu n - Mn: Giá trị đầu thời điểm lấy mẫu n Bằng điều chỉnh này, giá trị đầu đưa khoảng hợp lệ Giá trị bias bị chặn khoảng [0.0 – 1.0] ghi vào bảng liệu cho lần lấy mẫu sử dụng Giá trị bias bảng liệu thay đổi trước thực lệnh PID phải ý số thực nằm khoảng [0.0 – 1.0] Giá trị đại lượng thực tế lần lấy mẫu trước lưu lại bảng liệu để tính tốn thành phần vi phân, khơng thay đổi giá trị Một điều khiển PID hoạt động hai chế độ : Auto Manual Thực khơng có chế độ hoạt động xây dựng sẵn cho PID S7-200 Sự tính tốn thực có dịng lượng (powerflow) đến đầu En (enable) PID PID xem hoạt động chế độ Auto thực tính tốn cách tuần hoàn liên tục Trong trường hợp ngược lại, PID xem hoạt động chế độ Manual Vấn đề cần xét đến chuyển đổi đảm bảo tính liên tục từ chế độ Manual sang chế độ Auto Điều địi hỏi đầu tính chế độ Manual phải ghi vào đầu vào thời điểm chuyển đổi: Khi dòng lượng thay đổi từ lên Lúc CPU thực loạt thao tác cần thiết: -Đặt giá trị yêu cầu giá trị thực tế: SPn = PVn - Đặt giá trị kế trước giá trị thực tế: PVn-1 = PVn - Đặt bias giá trị đầu ra: MX = Mn Bit nhớ PID có giá trị mặc định (ON), đặt CPU khởi động hay chuyển từ chế độ STOP sang chế độ RUN Điều có nghĩa PID thực lần đầu tiên, CPU không nhận biết chuyển đổi trạng thái dòng lượng từ lên khơng thực thao tác nêu Khi chương trình sử dụng biên dịch, lỗi biên dịch xuất địa bảng tham số [TBL] toán hạng [LOOP] PID vượt phạm vi cho phép (out of range) Một số phạm vi cho phép không kiểm tra, người lập trình phải ý Chẳng hạn giá trị yêu cầu thực tế phải số thực nằm khoảng từ 0.0 đến 1.0 giá trị thực tế kế trước hay bias, sử dụng, khơng vượt ngồi khoảng [0.0 – 1.0] Nếu lỗi xuất trình tính tốn thuật tốn PID, bit đặc biệt SM1.1 (overflow) q trình tính tốn bị dừng lại Trong trường hợp , đầu PID chưa hồn thành, người lập trình phải ý kiểm tra bit đặc biệt để sử dụng đầu cách hợp lý điều chỉnh đầu vào cần thiết Định dạng bảng tham số PID bao gồm 36 bytes sau: Bảng 3.3: Bảng thông số PID offset Field Fomat Type Process Double In variable (PVn) word – Real Description + Contains the process variable, which must be scaled between 0.0 and 1.0 Setpoint (SPn) Double word – Real In + Contains the Setpoint, which must be scaled between 0.0 and 1.0 Output (Mn) Double In/Out + Contains the calculated word – Real output, scale between 0.0 and 1.0 12 Gain (KC) Double In word – Real + Contains the Gain, which is proportional constant Can be o positive or negative number 16 Sample time Double (TS) word – Real In + Contains the sample time, in seconds, must be a positive number 20 Integral time or Double reset (TI) word – Real In + Contains the integral time or reset, in minutes Must be a positive number offset Field Fomat Type 24 Derivative Double In time or rate word – Real (TD) 28 Bias (MX) Description + Contains the derivative time or rate, in minutes Must be a positive number Double word – Real In/Out + Contains the bias or integral sum value between 0.0 and 1.0 32 Previous + Contains the previous process Double variable (PVn- word – Real ) In/Out value of the process variable stored from the execution of the PID instruction last ... cận, làm chủ, tự thiết kế, chế tạo hệ thống Điều khiển giám sát tự động thiết bị định lượng cần thiết, mang tính thực tiến Nhóm tác giả thiết kế chế tạo hệ thống cân băng định lượng ứng dụng PLC... V1) – Hệ số khuếch đại vi sai: A = Rf /R 1.8 Kết luận chương Chương trình bày khái quát chung hệ thống cân băng định lượng Xây dựng cấu trúc chung hệ thống cân băng định lượng; thành phần hệ thống. .. Một số trường hợp loadcell thiết kế để đo lực tác động mạnh phụ thuộc vào thiết kế Loadcell 1.4.2 Tế bào cân đo trọng lượng Là thiết bị đo trọng lượng hệ thống cân định lượng bao gồm loại tế bào