“Khâu tích phân (khi cộng thêm khâu tỉ lệ) sẽ tăng tốc chuyển động của quá trình tới điểm đặt và khử số dư sai số ổn định với một tỉ lệ chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển” [10]. Tuy nhiên, vì khâu tích phân là đáp ứng của sai số tích lũy trong quá khứ, nó có thể khiến giá trị hiện tại vọt lố qua giá trị đặt (ngang qua điểm đặt và tạo ra một độ lệch với các hướng khác).
11
Hình 2.4: Đồ thị PV theo thời gian với Ki thay đổi 2.5.2.3 . Khâu vi phân (Ki)
Hình 2.5: Đồ thị PV theo thời gian với Kd thay đổi
“Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển và đặc tính này là đang chú ý nhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều khiển” [10]. Từ đó, điều khiển vi phân được sử dụng để làm giảm biên độ vọt lố được tạo ra bởi thành phần tích phân và tăng cường độ ổn định của bộ điều khiển hỗn hợp. Tuy nhiên, phép vi phân của một tín hiệu sẽ khuếch đại nhiễu và do đó khâu này sẽ nhạy hơn đối với nhiễu trong sai số, và có thể khiến quá trình trở nên không ổn định nếu nhiễu và độ lợi vi
12 phân đủ lớn. Do đó một xấp xỉ của bộ vi sai với băng thông giới hạn thường được sử dụng hơn. Chẳng hạn như mạch bù sớm pha.
2.5.3 Các phương pháp điều chỉnh vòng lặp PID Bảng 2.2: Lựa chọn phương pháp điều chỉnh Bảng 2.2: Lựa chọn phương pháp điều chỉnh
Phương pháp
Ưu điểm Khuyết điểm
Điều chỉnh thủ công
Không cần hiểu biết về
toán. Phương pháp online. Yêu cầu nhân viên có kinh nghiệm.
Ziegler– Nichols
Phương pháp chứng minh. Phương pháp online.
Làm rối loạn quá trình, một số thử nghiệm và lỗi, phải điều chỉnh nhiều lần
Các công cụ phần mềm
Điều chỉnh chắc chắn. Phương pháp online hoặc offline. Có thể bao gồm phân tích các van và cảm biến. Cho phép mô phỏng trước khi tải xuống để thực thi.
Giá cả cao, và phải huấn luyện.
Cohen-Coon Xử lý các mô hình tốt.
Yêu cầu kiến thức toán học. Phương pháp offline. Chỉ tốt đối với các quá trình bậc một.
2.5.3.1 . Phương pháp thủ công:
Bảng 2.3: Tác động của việc tăng một thông số độc lập Thông số Thời gian
khởi động
Quá độ Thời gian xác lập
Sai số ổn định Độ ổn định
Kp Giảm Tăng Thay đổi nhỏ Giảm Giảm cấp
Ki Giảm Tăng Tăng Giảm đáng kể Giảm cấp
Kd Giảm ít Giảm ít Giảm ít Về lý thuyết không tác động
Cải thiện nếu Kd nhỏ
2.5.3.2 . Phương pháp Ziegler – Nichols:
Một phương pháp điều chỉnh theo kinh nghiệm khác là phương pháp Ziegler– Nichols, được đưa ra bởi John G. Ziegler và Nathaniel B. Nichols vào những năm 1940. Giống phương pháp trên, độ lợi Ki và Kd lúc đầu được gán bằng không. Độ
13 lợi P được tăng cho đến khi nó tiến tới độ lợi tới hạn Ku, ở đầu ra của vòng điều khiển bắt đầu dao động. Thời gian dao động Pu được dùng để gán độ lợi như sau:
Bảng 2.4: Phương pháp Ziegler-Nichols
Dạng điều khiển Kp Ki Kd
P 0.5Ku - -
PI 0.45Ku 1.2Kp/Pu -
PID 0.6Ku 2Kp/Pu KpPu/8
Ở dạng PID lý tưởng các thông số được liên kết với dạng tiêu chuẩn thông qua: Ki= Kp
Ti (2.7)
Kd = Kp × Td (2.8)
2.6. Giới thiệu PLC S7-1200 và các module 2.6.1. Giới thiệu PLC S7-1200 2.6.1. Giới thiệu PLC S7-1200
Hình 2.6: CPU PLC S7 – 1200
Bộ điều khiển logic khả trình (PLC) S7-1200 mang lại tính linh hoạt và sức mạnh để điều khiển nhiều thiết bị đa dạng hỗ trợ các yêu cầu về điều khiển tự động. Sự kết hợp giữa thiết kế thu gọn, cấu hình linh hoạt và tập lệnh mạnh mẽ đã khiến
14 cho S7-1200 trở thành một giải pháp hoàn hảo dành cho việc điều khiển nhiều ứng dụng đa dạng khác nhau.
Kết hợp một bộ vi xử lý, một bộ nguồn tích hợp, các mạch ngõ vào và mạch ngõ ra trong một kết cấu thu gọn, CPU trong S7-1200 đã tạo ra một PLC mạnh mẽ. Sau khi người dùng tải xuống một chương trình, CPU sẽ chứa mạch logic được yêu cầu để giám sát và điều khiển các thiết bị nằm trong ứng dụng. CPU giám sát các ngõ vào và làm thay đổi ngõ ra theo logic của chương trình người dùng, có thể bao gồm các hoạt động như logic Boolean, việc đếm, định thì, các phép toán phức hợp và việc truyền thông với các thiết bị thông minh khác.
Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ việc truy xuất đến cả CPU và chương trình điều khiển:
• Mỗi CPU cung cấp một sự bảo vệ bằng mật khẩu cho phép người dùng cấu hình việc truy xuất đến các chức năng của CPU.
• Người dùng có thể sử dụng chức năng “know-how protection” để ẩn mã nằm trong một khối xác định.
CPU cung cấp một cổng PROFINET để giao tiếp qua một mạng PROFINET. Các module truyền thông là có sẵn dành cho việc giao tiếp qua các mạng RS232 hay RS485.
Hình 2.7: Các khối chức năng S7-1200
Bộ phận kết nối nguồn
Các bộ phận kết nối dây của người dùng có thể tháo được (phía sau các nắp che)
Khe cắm thẻ nhớ nằm dưới cửa phía trên
15
Cổng truyền thông Profinet (Ethernet) được tích hợp sẵn
− Dùng để kết nối máy tính, với màn hình HMI hay truyền thông PLC-PLC.
− Dùng kết nối với các thiết bị khác có hỗ trợ chuẩn Ethernet mở.
− Đầu nối RJ45 với tính năng tự động chuyển đổi đấu chéo.
− Tốc độ truyền 10/100 Mbits/s.
− Hỗ trợ 16 kết nối Ethernet.
− TCP/IP, ISO on TCP, và S7 protocol.
Các tính năng về đo lường, điều khiển vị trí, điều khiển quá trình
− 6 bộ đếm tốc độ cao (high speed counter) dùng cho các ứng dụng đếm và đo lường, trong đó có 3 bộ đếm 100kHz và 3 bộ đếm 30kHz.
− 2 ngõ ra PTO 100kHz để điều khiển tốc độ và vị trí động cơ bước hay bộ lái servo (servo drive).
− Ngõ ra điều rộng xung PWM, điều khiển tốc độ động cơ, hay điều khiển nhiệt độ...
− 16 bộ điều khiển PID với tính năng tự động xác định thông số điểu khiển (auto- tune functionality).
Thiết kế linh hoạt
− Mở rộng tín hiệu vào/ra bằng board tín hiệu mở rộng (signal board), gắn trực tiếp phía trước CPU, giúp mở rộng tín hiệu vào/ra mà không thay đổi kích thước hệ điều khiển.
− Mỗi CPU có thể kết nối 8 module mở rộng tín hiệu vào/ra.
− Ngõ vào analog 0-10V được tích hợp trên CPU.
− 3 module truyền thông có thể kết nối vào CPU mở rộng khả năng truyền thông, ví dụ như module RS232 hay RS485.
− 50KB work memory, 2MB load memory.
− Card nhớ SIMATIC, dùng khi cần rộng bộ nhớ cho CPU, copy chương trình ứng dụng hay khi cập nhật firmware.
− Chẩn đoán lỗi online / offline
2.6.2. Module mở rộng cho PLC S7-1200
PLC S7-1200 có thể mở rộng các module tín hiệu và các module gắn ngoài để mở rộng chức năng của CPU. Ngoài ra, có thể cài đặt thêm các module truyền thông để hỗ trợ giao thức truyền thông khác.
16 Khả năng mở rộng của từng loại CPU tùy thuộc vào các đặc tính, thông số và quy định của nhà sản xuất.
S7-1200 có các loại module mở rộng sau:
− Communication module (CP).
− Signal board (SB).
− Signal Module (SM).
❖ Board tín hiệu của S7-1200 (Signal Board)
Hình 2.8: Signal Board (SB)
Các Led trạng thái trên Signal Board
Bộ phận kết nối dây người dùng có thể tháo ra
Board tín hiệu – một dạng module mở rộng tín hiệu vào/ra với số lượng tín hiệu ít, cho phép người dùng thêm vào I/O cho CPU. Người dùng có thể thêm một Signal Board với cả I/O kiểu tín hiệu số hay tương tự, Signal Board kết nối vào phía trước của CPU.
SB với 4 I/O kiểu số (2 ngõ vào DC và 2 ngõ ra DC). SB với 1 ngõ ra kiểu tương tự 12 bit (±10VDC, 0-20mA).
❖ Module mở rộng tín hiệu vào/ ra
Các module mở rộng tín hiệu vào/ra được gắn trực tiếp vào phía bên phải của CPU. Với dải rộng các loại module tín hiệu vào/ra số và analog, giúp linh hoạt trong sử dụng S7-1200.
17
Hình 2.9: Module mở rộng tín hiệu vào /ra
Các LED trạng thái dánh cho I/O của module tín hiệu
Bộ phận kết nối đường dẫn
Bộ phận kết nối dây của người dùng, có thể tháo ra.
2.6.3. Giao tiếp
Hình 2.10: Các kết nối giao tiếp của S7-1200
S7-1200 hỗ trợ kết nối Profibus và kết nối PTP (point to point).
Giao tiếp PROFINET với:
18
− Thiết bị HMI
− Các bộ điều khiển SIMATIC khác
Hỗ trợ các giao thức kết nối:
− TCP/IP
− SIO-on-TCP
− Giao tiếp với S7
2.7. Phần mềm TIA Portal V15 2.7.1 Giới thiệu
“TIA Portal là phần mềm lập trình điều khiển trực quan, hiệu quả và xác thực, giúp người sử dụng thiết kế toàn bộ chương trình tự động hóa một cách tối ưu chỉ trong một giao diện phần mềm duy nhất” [3].
2.7.2 Tag PLC
Tag các biến số bên trong hệ điều hành thiết bị, dùng để làm các biến trung gian cho quá trình tính toán, các biến số quá trình trong các thiết bị trên mạng điều khiển: trong PLC, trong thiết bị đo lường thông minh, trong các thiết bị nhúng nà controller khác.
Hình 2.11: PLC Tags trong TIA PORTAL
Một số thuộc tính cơ bản của Tag trong PLC
− Name: chỉ được khai báo và sử dụng một lần trên CPU
− Data type: kiểu dữ liệu chỉ định cho các tag
− Address: địa chỉ của tag
− Retain: khai báo của tag sẽ được lưu trữ lại
19
− Nhóm tag: tạo nhóm tag bằng cách chọn add new tag table
2.7.3 Khối tổ chức OB (Oganization Blocks)
OB (Organization Blocks) là giao diện giữa hoạt động hệ thống và chương trình người dùng. Chúng được gọi ra bởi hệ thống hoạt động, và điều khiển theo quá trình
− Xử lý chương trình theo quá trình
− Báo động – kiểm soát xử lý chương trình
− Xử lý lỗi
Startup OB, Cycle OB, Timing Error OB và Diagnosis OB: có thể chèn và lập trình các khối này trong các project. Không cần phải gán các thông số cho chúng và cũng không cần gọi chúng trong chương trình chính.
Process Alarm OB và Time Interrupt OB: Các khối OB này phải được tham số hoá khi đưa vào chương trình. Ngoài ra, quá trình báo động OB có thể được gán cho một sự kiện tại thời gian thực hiện bằng cách sử dụng các lệnh ATTACH, hoặc tách biệt với lệnh DETACH
Start Information: Khi một số OB được bắt đầu, hệ điều hành đọc ra thông tin được thẩm định trong chương trình người dùng, điều này rất hữu ích cho việc chẩn đoán lỗi, cho dù thông tin được đọc ra được cung cấp trong các mô tả của các khối OB.
2.7.4 Hàm chức năng (Function)
Funtions (FCs) là các khối mã không cần bộ nhớ. Dữ liệu của các biến tạm thời bị mất sau khi FC được xử lý. Các khối dữ liệu toàn cục có thể được sử dụng để lưu trữ dữ liệu FC.
Functions có thể được sử dụng với mục đích:
• Trả lại giá trị cho hàm chức năng được gọi
• Thực hiện công nghệ chức năng, ví dụ: điều khiển riêng với các hoạt động nhị phân
• Ngoài ra, FC có thể được gọi nhiều lần tại các thời điểm khác nhau trong một chương trình, tạo điều kiện cho lập trình chức năng lập đi lặp lại phức tạp.
FB (Function Block): đối với mỗi lần gọi, FB cần một khu vực nhớ. Khi một FB được gọi, một Data Block (DB) đƣợc gán với instance DB. Dữ liệu trong Instance DB sau đó truy cập vào các biến của FB. Các khu vực bộ nhớ khác nhau đã được gán cho một FB nếu nó được gọi ra nhiều lần.
DB (Data Block): DB thường để cung cấp bộ nhớ cho các biến dữ liệu. Có hai loại của khối dữ liệu DB: Global DBs vùng nhớ tất cả các OB, FB và FC có thể đọc
20 được dữ liệu lưu trữ, hoặc có thể tự ghi dữ liệu vào DB, và mặc định DB được gán cho một FB nhất định.
2.7.5 Cấu trúc lập trình
Hình 2.12: Cấu trúc lập trình
PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp. Mỗi vòng lặp được gọi là vòng quét. Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn chuyển dữ liệu từ các cổng vào số tới vùng bộ đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình. Trong từng vòng quét chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối OB1.
2.7.6 Giới thiệu tập lệnh của PLC sử dụng trong luận văn Bảng 2.5: Bảng tập lệnh PLC S7-1200 Bảng 2.5: Bảng tập lệnh PLC S7-1200
Tập lệnh Ký hiệu Mô tả
Thường hở Tiếp điểm thường hở sẽ đóng khi giá
trị của bit có địa chỉ là n bằng 1 Vùng nhớ: I, Q, M, L, D
Thường đóng Tiếp điểm thường hở sẽ đóng khi giá
trị của bit có địa chỉ là n bằng 0 Vùng nhớ: I, Q, M, L, D
Lệnh OUT Giá trị của bit có địa chỉ là n sẽ bằng
1 khi đầu vào của lệnh này bằng 1 và ngược lại.
21
Lệnh SET Giá trị của các bit có địa chỉ là n sẽ
bằng 1 khi đầu vào của lệnh này bằng 1 Khi đầu vào của lệnh bằng 0 thì bit này vẫn giữ nguyên trạng thái.
Vùng nhớ: Q, M, L, D
Lệnh Reset Giá trị của các bit có địa chỉ là n sẽ
bằng 0 khi đầu vào của lệnh này bằng 1. Khi đầu vào của lệnh bằng 0 thì các bit này vẫn giữ nguyên trạng thái. Vùng nhớ: Q, M, L, D
Lệnh Timer Khi ngõ vào IN ngừng tác động thì
reset và dừng hoạt động Timer. Thay đổi PT khi Timer vận hành không có ảnh hưởng gì
2.7.7 Lập trình TIA Portal cho PLC S7-1200
Khởi động phần mềm TIA Portal V15
Hình 2.13: Giao diện tạo dự án mới của TIA Portal
Trong phần Create new project có các mục
− Project name: Tên dự án
− Parth: Đường dẫn đến dự án
− Author: Tác giả
− Comment: Thêm những ghi chú cho dự án
22 Xem project bằng cách click vào Open the project view
Hình 2.14: Mở project Tia Portal
Cấu hình cho PLC
Thêm thiết bị PLC S7-1200 vào dự án. Bằng cách click vào Add new device Trong luận văn sử dụng PLC S7 1200 (CPU 1214 AC/DC/RLY). Thêm CPU phù hợp với PLC thực tế.
Để PC và PLC có thể giao tiếp được với nhau thì PC và PLC phải cùng lớp mạng. Cần đặt địa chỉ IP tĩnh cho PC và PLC.
Đặt địa chỉ IP cho PLC S7-1200 trong IP protocol với thông số:
− IP address: 192.168.1.201
− Subnet mask: 255.255.255.0 2.8 Giới thiệu màn hình HMI
2.8.1 HMI Kinco MT4434TE
HMI là từ viết tắt của Human Machine Interface là thiết bị giao tiếp giữa người điều hành và máy móc thiết bị. Màn hình HMI hiện nay đã được sử dụng phổ biến và
23 rộng rãi trong công nghiệp, có vai trò quan trọng trong việc kết nối người vận hành và máy móc.
MT4434TE là một dòng sản phẩm HMI mạnh mẽ, giúp nâng cao các ứng dụng. Tốc độ xử lý của dòng HMI này cao, hỗ trợ giao tiếp đồng thời thông qua nhiều cổng kết nối với nhiều phương thức truyền thông. Cùng với phần mềm Kinco HMIware, người sử dụng có thể dễ dàng, đơn giản, thuận tiện thiết kế, lập trình, sử dụng màn hình HMI này.
Hình 2.15: Màn hình HMI Thông số kỹ thuật:
• Màn hình 7”
• Độ phân giải: 800 x 480 pixels
• Màu sắc: 65536 màu
• Bảng cảm ứng: Mạng điện trở 4 dây
• Bộ xử lý: CPU RISC 32bit 800MHz
• Bộ nhớ: 128Mb Flash
• Điện áp cung cấp: 24 VDC
• Công suất: 7.2 W
• Nhiệt độ hoạt động: 0 ÷ 50 ℃
• Chế độ làm mát: làm mát bằng không khí
24
• Hỗ trợ giao tiếp truyền thông RS232/RS422/RS485