Tương tự như trong PLC S7-200, S7-300 cũng sử dụng cỏc Module Analog để vào/ra tớn hiệu analog. Trong thực tế ta gặp những bài toỏn như: Sử dụng biến tần để điều chỉnh tốc độ động cơ theo sự tăng của nhiệt độ, hay điều chỉnh van mở từ (0100)% phụ thuộc vào lưu lượng nước trong bể...Vậy làm thế nào để xử lý được cỏc tớn hiệu ở dạng tương tự đú? Module analog chớnh là một cụng cụ để giải quyết bài toỏn này.
1.1. Khỏi niệm module analog
Module analog là một cụng cụ để xử lý cỏc tớn hiệu tương từ thụng qua việc xử lý cỏc tớn hiệu số.
1.2. Analog input module
Là một bộ biến đổi tương tự/số (A/D). Nú chuyển tớn hiệu tương tự ở đầu
vào thành cỏc con số ở đầu ra. Dựng để kết nối cỏc thiết bị đo với bộ điều khiển.Vớ dụ như đo lưu lượng nước, đo nhiệt độ…
1.3. Analog output module
Là một bộ biến đổi số/tương tự (D/A). Nú chuyển tớn hiệu số ở đầu vào thành tớn hiệu tương tự ở đầu ra. Dựng để điều khiển cỏc thiết bị với dải đo tương tự. Vớ dụ như điều khiển quạt quay phụ thuộc vào nhiệt độ phũng…
1.4. Nguyờn lý chung của cỏc bộ cảm biến trong cụng nghiệp
Thụng thường đầu vào của cỏc module analog là cỏc tớn hiệu điện ỏp hoặc dũng điện. Trong khi đú cỏc tớn hiệu tương tự cần xử lý lại thường là cỏc tớn hiệu khụng điện như nhiệt độ, độ ẩm, ỏp suất, lưu lượng, khối lượng…Vỡ vậy người ta cần phải cú một thiết bị trung gian để chuyển cỏc tớn hiệu này về tớn hiệu điện ỏp hoặc tớn hiệu dũng điện. Thiết bị này được gọi là cỏc đầu đo hay cảm biến.
Để tiện dụng và đơn giản cỏc tớn hiệu vào của module analog input và tớn hiệu ra của module analog output tuõn theo chuẩn tớn hiệu của cụng nghiệp.
Cú 2 loại chuẩn phổ biến là chuẩn điện ỏp và chuẩn dũng điện.
127
- Dũng điện : (420)mA, (020)mA, 10mA…
Trong khi đú tớn hiệu từ cỏc cảm biến đưa ra lại khụng đỳng theo chuẩn. Vỡ vậy người ta cần phải dựng thờm một thiết bị chuyển đổi để đưa chỳng về chuẩn cụng nghiệp. Thiết bị này được gọi là cỏc Transmiter.
Kết hợp cỏc đầu cảm biến và cỏc thiết bị chuyển đổi này thành một bộ cảm biến hoàn chỉnh, thường gọi tắt là thiết bị cảm biến, hay chớnh xỏc là thiết bị đo và chuyển đổi đo (Transducer).
Hỡnh 8- 1 Sơ đồ biến đổi tớn hiệu Analog
1.5. Đặc điểm của module SM331 (AI2x12Bit)
SM 331 là một module đầu vào tương tự gồm cú:
Hai kờnh đầu vào tương tự, tạo thành nhúm.
Độ phõn giải tựy thuộc vào cỏch chọn giỏ trị của “integration time” :
- 9 bớt + dấu. - 12 bit + dấu. - 14 bớt + dấu. Phương phỏp cú thể chọn là: - Dũng điện. - Điện ỏp. - Điện trở. - Nhiệt đụ. Sơ đồ khối.
128
Hỡnh 8- 2 Sơ đồ khối module Analog SM331
129
Phương phỏp đo Dải đo Thiết lập
E : Điện ỏp ±80 mV ±250 mV ±500 mV ±1000 mV A ±2.5 V ±5 V 1 tới 5V ±10 V B Cỏc loại cặp nhiệt TC-I, TC-E A
2DMU : đo dũng 2 dõy 4ữ20mA D
4DMU: đo dũng 4 dõy C
R-4L A
TC-IL A
TC-EL A
RTD-4L A
1.6. Đặc điểm của module ra analog SM332 (AO2x12Bit)
SM332 là module đầu ra tương tự cú:
- Hai kờnh đầu ra riờng lẻ.
- Đầu ra cú thể lựa chọn kiểu dũng hoặc ỏp.
- Độ phõn giải 12 Bit.
130
Hỡnh 8- 3 Sơ đồ khối module Analog SM332
131
Kiểu Dải đầu ra
Điện ỏp ±10V 0ữ10V 1ữ5V Dũng điện ±20mA 0ữ20mA 4ữ20mA 2. SỬ DỤNG HÀM THƯ VIỆN FC 105 VÀ FC 106
Trong PLC S7-300 tớch hợp sẵn hàm chuyển đổi cỏc giỏ trị analog trong thư viện.
Đú là FC105 và FC106.
2.1. Hàm căn chỉnh tớn hiệu đầu vào FC105 .
Mụ tả chức năng SCALE:
Nhận một giỏ trị kiểu Integer (IN) và chuyển đổi thành giỏ trị kiểu số thực trong đơn vị điện và được scale giữa giới hạn thấp và giới hạn cao (LO_LIM và HI_LIM). Kết quả được ghi vào cổng OUT.
SCALE sử dụng phương trỡnh:
OUT=[((FLOAT (IN) – K1)/(K2 – K1))*(HI_LIM - LO_LIM) ] + LO_LIM
Trong đú :
K1 và K2 được set dựa vào giỏ trị đầu vào hoặc BIPOLAR hoặc
UNIPOLAR.
BIPOLAR: Giỏ trị integer đầu vào nằm giữa -27648 và 27648. + K1 = -27648.0
+ K2 = +27648.0
UNIPOLAR: Giỏ trị đầu vào integer nằm giữa 0 và 27648.
+ K1 = 0.0 + K2 = +27648.0
Nếu giỏ trị integer đầu vào lớn hơn K2 thỡ đầu ra (OUT) được giữ ở HI_LIM
và bỏo lỗi. Nếu giỏ trị integer đầu vào thấp hơn K1 thỡ đầu ra được giữ ở LO_LIM và bỏo lỗi
132
Cỏc tham số của hàm FC105:
Tham số Tờn Loại
Data Vựng nhớ Miờu tả
EN Input BOOL I, Q, M, D, L Cho phộp đầu vào với trạng thỏi tớn hiệu của 1
ENO Output BOOL I, Q, M, D, L
Cho phộp đầu ra cú một trạng thỏi tớn hiệu ra của 1 nếu chức năng được thực hiện khụng bị lỗi
IN Input INT I, Q, M, D, L, P, const
Giỏ trị đầu vào được scale thành giỏ trị thực của cỏc đơn vị điện
HI_LIM Input REAL I, Q, M, D, L, P, const Giới hạn trờn của cỏc đơn vị điện
LO_LIM Input REAL I, Q, M, D, L, P, const Giới hạn dưới của cỏc đơn vị điện
BIPOLAR Input BOOL I, Q, M, D, L, P
Trạng thỏi tớn hiệu của 1 chỉ thị giỏ trị Input là Bipolar. Trạng thỏi tớn hiệu 0 chỉ thị giỏ trị input là Unipolar
OUT Output REAL I, Q, M, D, L, P Kết quả của Scale
RET_VAL Output WORD I, Q, M, D, L, P
Giỏ trị trả về của W#16#0000 nếu chỉ dẫn lệnh khụng bị lỗi.
Thụng tin lỗi:
+ Nếu giỏ trị integer đầu vào lớn hơn K2 thỡ đầu ra (OUT) được giữ ở HI_LIM và bỏo lỗi. Nếu giỏ trị integer đầu vào nhỏ hơn K1 thỡ đầu ra được giữ ở LO_LIM và bào lỗi. Trạng thỏi tớn hiệu của ENO là 0 và RET_VAL bằng với W#16#0008.
133
2.2. Hàm căn chỉnh tớn hiệu đầu ra FC106 “UNSCALE”
Mụ tả chức năng.
+ Chức năng UNSCALE nhận một giỏ trị kiểu Real (IN) trong cỏc đơn vị
điện và được scale giữa giới hạn thấp và giới hạn cao (LO_LIM và HI_LIM) sau chuyển đổi thành giỏ trị kiểu nguyờn. Kết quả được ghi vào cổng OUT.
UNSCALE sử dụng phương trỡnh:
OUT=[((IN – LO_LIM)/(HI_LIM – LO_LIM))*(K2 – K1)]+ K1
Hằng số K1 và K2 được set dựa vào giỏ trị đầu vào hoặc BIPOLAR hoặc
UNIPOLAR.
BIPOLAR: Giỏ trị integer đầu ra nằm giữa -27648 và +27648. + K2 = -27648.0
+ K2 = +27648.0
UNIPOLAR: Giỏ trị đầu ra integer nằm giữa 0 và 27648.
+ K1 = 0.0
+ K2 = +27648.0
Nếu giỏ trị đầu vào nằm ngoài dải LO_LIM và HI_LIM thỡ đầu ra (OUT)
được giữ gần hơn với hoặc giới hạn thấp hoặc giới hạn cao trong một dải xỏc định (BIPOLAR hoặc UNIPOLAR) và bỏo lỗi.
134
Nếu giỏ trị đầu vào nằm ngoài dải LO_LIM và HI_LIM thỡ đầu ra (OUT) được giữ gần hơn với hoặc giới hạn thấp hoặc giới hạn cao trong một dải xỏc định (BIPOLAR hoặc UNIPOLAR) và bỏo lỗi. Trạng thỏi tớn hiệu ENO là 0 và RET_VAL bằng với W#16#0008.
Cỏc tham số FC106
Tham số Tờn Loại
Data Vựng nhớ Miờu tả
EN In BOOL I, Q, M, D, L Cho phộp đầu vào khi trạng thỏi tớn hiệu của 1.
ENO Out BOOL I, Q, M, D, L Cho phộp đầu ra cú trạng thỏi 1 nếu chức năng được thực hiện khụng bị lỗi.
IN In REAL I, Q, M, D, L,
Const. Giỏ trị đầu vào được unscale thành giỏ trị
nguyờn. HI_LIM In REAL I, Q, M, D, L,
Const. Giới hạn trờn của cỏc đơn vị điện.
LO_LIM In REAL I, Q, M, D, L,
Const. Giới hạn dưới của
cỏc đơn vị điện.
BIPOLAR In BOOL I, Q, M, D, L Trạng thỏi tớn hiệu 1 chỉ thị giỏ trị Input là
Bipolar.
Trạng thỏi tớn hiệu 0 chỉ thị giỏ trị input là
Unipolar
OUT Out INT I, Q, M, D, L Kết quả của unscale
RET_VAL Out WORD I, Q, M, D, L Giỏ trị trả về của W#16#0000 nếu chỉ dẫn lệnh khụng bị lỗi.
135
3. ỨNG DỤNG MODHLE ANALOG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC
3.1. Yờu cầu cụng nghệ
Bài toỏn điều khiển mức nước trong bỡnh:
Hỡnh 8 - 4 Yờu cầu cụng nghệ bài toỏn điều khiển mức nước
Ở đõy ta sẽ quan tõm tới hai tớn hiệu analog và ứng dụng module analog cũng như sử dụng cỏc hàm trong thư viện vào bài toỏn này:
- Tớn hiệu ra điều khiển van.
136
Hỡnh 8 - 5 Tớn hiệu mở van và tớn hiệu khoảng cỏch
Yờu cầu :
- Viết chương trỡnh đọc mức nước thực.
- Viết chương trỡnh mở van ở một vị trớ bất kỡ.
3.2. Tớnh toỏn mức nước từ cảm biến.
- Nguyờn tắc hoạt động của bộ cảm biến mức như sau:
+ Khi mức nước ở h1 : tớn hiệu ra là nhỏ nhất là 4mA
+ Khi mức nước ở h2 : tớn hiệu ra là lớn nhất là 20mA
- Nguyờn tắc của bộ analog đầu vào :
+ Khi cú dũng là 4 mA đặt ở đầu vào thỡ nú sẽ chuyển đổi thành số 0 ở đầu ra. Con số này sẽ được đưa tới CPU để xử lý.
+ Tương tự khi cú dũng là 20mA thỡ con số đú là 27648.
Sự biến đổi từ giỏ trị đầu vào tương tự sang đầu cỏc con số là sự biến đổi 1 – 1 và hoàn toàn tuyến tớnh. Như vậy ta lập được mối quan hệ như sau:
137
Mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra cú dạng đường thẳng : y = ax + 4 Dễ dàng nhận ra phương trỡnh trờn cú dạng:
+ y =
1728
1 x +4. Nếu cần tớnh dũng điện đầu vào.
+ y =
27648 4
h2 x +h1. Nếu cần tớnh mức đầu vào.
Dựa vào phương trỡnh trờn ta cú thể viết chương trỡnh tớnh toỏn. Hoặc là sử dụng hàm cú sẵn trong thư viện, là hàm FC105 “SCALE”.
3.3. Điều khiển van.
- Van được điều khiển bằng dũng điện .
+ Khi dũng điện cấp cho van là 4mA, van sẽ đúng hoàn toàn (0%).
+ Khi dũng điện cấp cho van là 20mA, van sẽ mở hoàn toàn (100%).
+ Nếu dũng điện ở một giỏ trị bất kỡ trong dải 4ữ20mA thỡ van sẽ mở ở một vị trớ bất kỳ 0ữ100%.
- Nguyờn tắc hoạt động của bộ analog đầu ra :
+ Khi đặt vào module số 0, đầu ra của module sẽ chuyển sang tớn hiệu dũng
4mA
+ Tương tự khi đặt con số 27648, thỡ giỏ trị đầu ra sẽ là 20mA Ta xõy dựng được mối quan hệ như sau :
Hỡnh 8 - 7 Mối quan hệ giữa tớn hiệu số và giỏ trị đầu ra Analog
Tương tự ta cũng xõy dựng được phương trỡnh biểu diễn mối quan hệ:
+ y = 1728x -6912. Nếu chọn x là dũng điện cần tạo ra.
+ y =
5
6912x . Nếu chọn x là độ mở van.
Ta cú thể viết hàm để tớnh toỏn theo phương trỡnh trờn. Hoặc sử dụng hàm sẵn cú trong thư viện, là FC106 “UNSCALE”
3.4. Viết chương trỡnh trong phần mềm Step7.
Tạo một Project mới. Cấu hỡnh phần cứng.
138
Viết chương trỡnh trong khối OB1.
Tiến hành mụ phỏng trờn PLCSIM.
139
Hỡnh 8 - 8 Mụ phỏng chương trỡnh
- Download cấu hỡnh cứng.
- Download cỏc khối hàm FC105,FC106.
- Download khối chương trỡnh trong OB1.
Hỡnh 8 - 9 Giỏm sỏt hoạt động của OB1
140
4. BÀI TẬP
Ứng dụng cỏc hàm FC105 và FC106 để điều khiển ổn định nhiệt độ trong cỏc lũ gia nhiệt.
141
BÀI 9. SỬ DỤNG MODULE PIDVÀ ỨNGDỤNG PID ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC
MÃ BÀI: PLCNC 9
Giới thiệu
Ta đó biết trong thực tế bộ điều khiển PID được sử dụng rất nhiều (>90% trong cụng nghiệp) và theo thống kờ thỡ bộ điều khiển PI được sử dụng nhiều nhất.
Trong phần mềm Step7 đó tớch hợp sẵn cỏc khối hàm thực hiện chức năng bộ điều khiển PID, bao gồm :
- Bộ điều khiển liờn tục : CONT_C.
- Bộ điều khiển bước : CONT_S.
- Ngoài ra cũn khối PULSEGEN phục vụ cho việc điều chế độ rộng xung.
Tựy vào cỏch điều khiển, cơ cấu chấp hành... mà ta lựa chọn bộ điều khiển cho phự hợp.
Bộ điều khiển được sử dụng để điều khiển cỏc đối tượng như : nhiệt độ, mức, lưu lượng, tốc độ của động cơ…
Ngoài ra, trong phần mềm Step7 cũn cú hai khối hàm chuyờn để điều khiển nhiệt độ : TCONT_CP và TCONT_S
Mục tiờucủa bài:
- Sử dụng được cỏc khối CONT_C và CONT_S.
- Sử dụng cỏc khối để lập trỡnh trờn cỏc loại PLC S7-300 để điều khiển ổn định mức.
- Sửa đổi chương trỡnh cho phự hợp với cỏc ứng dụng tương tự khỏc.
- Rốn luyện đức tớnh cẩn thận, tỉ mỉ, tư duy sỏng tạo và khoa học, đảm bảo an
toàn.
Nội dung chớnh:
1. SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
1.1. Khối tổ chức của bộ điều khiển PID
Hỡnh 9- 1 Khối tổ chức PID
Một module PID mềm gồm cú cỏc thành phần :
Cỏc khối hàm chức năng: cú thể là khối CONT_C, CONT_S, hoặc
PULSEGEN.
Phần giao diện gỏn tham số cho bộ điều khiển : gỏn cỏc tham số cần thiết cho bộ điều khiển.
142
- Sử dụng, vận hành: bao gồm cỏc phần mụ tả cỏc khối chức năng.
1. 2. Module mềm FB41 “CONT_C” .
Module mềm PID “CONT_C” là một bộ điều khiển PID cú đầu vào và đầu ra là cỏc tớn hiệu liờn tục (analog).
BộPID cú thể được sử dụng làm bộ điều khiển cú điểm đặt cố định hoặc sủ dụng là bộ điều khiển nhiều vũng như điều khiển tầng, và điều khiển tỉ lệ. Chức năng của bộ điều khiển này dựa trờn thuật toỏn điều khiển PID.
Sơ đồ khối của bộ điều khiển:
Hỡnh 9- 2 Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID
Module mềm PID gồm cú tớn hiệu chủ đạo SP_INT, tớn hiệu ra của đối tượng PVF_PER, tớn hiệu giả để mụ phỏng tớn hiệu ra của đối tượng PV_IN, cỏc biến trung gian trong trong quỏ trỡnh thực hiện luật và thuật toỏn điều khiển PID như PV_PERON, P_SEL, I_SEL…
143
Tớn hiệu chủ đạo SP_INT : được nhập dưới dạng dấu phẩy động.
Tớn hiệu ra của đối tượng PV_PER : được nhập dưới dạng số nguyờn cú dấu hoặc dưới dạng số thực dấu phảy động. Thụng qua một hàm nội CRP_IN nú sẽ chuyển đổi kiểu biểu diễn của PV_PER sang số thực dấu phảy động cú giỏ trị nằm trong khoản -100…100% theo cụng thức:
Tớn hiệu ra của CRP_IN = PV_PER.
27648100
Hàm chuẩn húa : PV_NORM sẽ chuẩn húa tớn hiệu ra của CRP_IN theo cụng thức :
Tớn hiệu ra của PV_NORM = (Tớn hiệu ra của CRP_IN).PV_FAC + PV_OFF Bảng mụ tả cỏc tham số của bộ điều khiển :
+ Bảng mụ tả tham số đầu vào :
Tham số Kiểu
loại Dải giỏ trị Giỏ trị mặc định
Mụ tả
COM_RS T
BOOL FALSE COMPLETE RESTART
Khối cú chức năng khởi tạo lại hệ thống hoàn toàn khi đầu vào “complete restart” được thiết lập giỏ trị logic là
TRUE
MAIN_O N
BOOL TRUE MANUAL VALUE ON
Khi đầu vào “manual value on” là TRUE, mạch vũng điều khiển sẽ bị ngắt , cỏc giỏ trị sẽ được thiết lập bằng
tay.
PVPER_O N
BOOL FALSE PROCESS VARIABLE
PERIPHERAL ON
Khi đọc biến quỏ trỡnh từ cỏc cổng vào/ra đầu vào PV_PER phải được nối tới cỏc cổng vào ra và đầu vào “process variable peripheral” cú giỏ trị là TRUE
P_SEL BOOL TRUE PROPORTIONAL ACTION
ON
Chọn luật điều khiển P
I_SEL BOOL TRUE INTEGRAL ACTION ON
Chọn luật điều khiển I
INT_HOL D
BOOL FALSE INTEGRAL ACTION
HOLD
Đầu ra của bộ điều khiển I cú thể bị giữ lại khụng được sử dụng khi ta thiết lập
144
TRUE cho thụng số này.
I_ITL_ON BOOL FALSE INITIALIZATION OF THE
INTEGRAL ACTION
Đầu ra của bộ điều khiển I cú thể được nối vào cổng vào I_ITL_VAL nếu đầu vào I_ITL_ON cú giỏ trị là
TRUE.
D_SEL BOOL FALSE DERIVATIVE ACTION
ON
Chọn thành phần D.
CYCLE TIME >=1ms T#1s SAMPLING TIME
Thời gian lấy mẫu.
SP_INT REAL 100.0…1 00.0% 0.0 INTERNAL SETPOINT Tớn hiệu chủ đạo PV_IN REAL 100.0…1 00.0% 0.0 PROCESS VARIABLE IN
Giỏ trị khởi tạo cú thể đặt ở