2.1 Mục đích của thu thập dữ liệu
Muốn nhận dạng được mơ hình tốn học của hệ thống ta cần thu thập dữ liệu của hệ thống thật.
Để thu thập được dữ liệu này ta thực hiện các bước sau :
B1: Viết chương trình trên V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9 để đưa điện áp vào và nhận được chiều cao ở đầu ra
B2: Thiết kế giao diện Win CC để đưa các dữ liệu từ V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9 ra B3: Kết nối PLC s7-200 với V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9
B4: Kết nối WinCC với V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9 thông qua PC ACCESS. B5: Lấy dữ liệu trên WinCC
2.2 Giới thiệu các phầm mềm sử dụng để thiết kế chương trình và giao diện lấy dữ liệu liệu
2.2.1 PC ACCESS
Hình 2. 1 Giao diện PC ACCESS
Như chúng ta đều biết, WinCC không hỗ trợ driver kết nối trực tiếp riêng với PLC S7-200. Do đó chúng ta khơng thể kết nối WinCC với S7-200 theo cách thông thường vốn rất dễ dàng với PLC S7-300, S7-400.
Tuy nhiên, chúng ta có một giải pháp để kết nối S7-200 và WinCC với nhau. Đó là dùng PC-Access OPC Sever (S7-200) và kênh giao tiếp WinCC OPC (có sẵn trong WinCC. Theo phương thức này WinCC không giao tiếp trực tiếp với PLC S7-200 mà thông qua S7-200 PC Access.
S7-200: Áp dụng vào mơ hình hệ thống tại phịng thí nghiệm tự động hố
2.2.2 WinCC 7.4
Hình 2. 2 Logo WinCC
WinCC là 1 trong các chương trình ứng dụng Scada (HMI-Human Machine Interface) trong lĩnh vực dân dụng cũng như công nghiệp. WinCC được dùng để điều hành các màn hình hiển thị và hệ thống điều khiển trong tự động hố sản xuất và q trình.
WinCC viết tắt của Window Control Center, là một phần mềm của hãng siemens dùng để giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu trong quá trình sản xuất. Theo nghĩa hẹp WinCC là chương trình hỗ trợ cho người lập trình thiết kế các giao diện Người và Máy (HMI) trong hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), với chức năng chính là thu thập số liệu, giám sát và điều khiển quá trình sản xuất. Những thành phần có trong WinCC dễ sử dụng, giúp người dùng tích hợp những ứng dụng mới hoặc có sẵn mà khơng gặp bất kì trở ngại nào.
WinCC cung cấp các module chức năng thường dùng trong công nghiệp như: Hiển thị hình ảnh, tạo thơng điệp, lưu trữ và báo cáo. Giao diện điều khiển mạnh, việc truy cập ảnh nhanh chóng và chức năng lưu trữ an tồn (bảo mật) của nó đảm bảo tính hữu dụng cao.
Với WinCC người dùng có thể trao đổi dữ liệu trực tiếp với nhiều PLC của các hãng khác nhau như Misubishi, Allen Braddly, Siemens… thông qua cổng COM với chuẩn RS-232 của máy tính với chuẩn RS-485 của PLC.
Các ứng dụng phổ biến:
-Tự động hố q trình điều khiển và giám sát quy trình sản xuất.
-Khi một hệ thống dùng chương trình WinCC để điều khiển và thu thập dữ liệu từ q trình, nó có thể mơ phỏng bằng hình các sự kiện xảy ra trong quá trình điều khiển dưới dạng các chuỗi sự kiện.
S7-200: Áp dụng vào mơ hình hệ thống tại phịng thí nghiệm tự động hố
-WinCC cung cấp nhiều hàm chức năng cho mục đích hiển thị, thơng báo bằng đồ hoạ, xử lí thơng tin đo lường, các tham số cơng thức, các bảng ghi báo cáo, … đáp ứng yêu cầu công nghệ ngày một phát triển và là một trong những chương trình ứng dụng trong thiết kế giao diện Người – Máy (HMI), sử dụng phổ cập nhất tại Việt Nam hiện nay vào hệ thống trợ giúp của Siemens có mặt tại nhiều nước trên thế giới trong đó có Việt Nam.
Khi sử dụng WinCC để thiết kế giao diện điều khiển Người – Máy (HMI) và mạng SCADA, WinCC sử dụng các chức năng sau:
- Graphics Designer: Thực hiện dễ dàng các chức năng mô phỏng và hoạt động qua các đối tượng đồ hoạ của chương trình WinCC, Windows, OLE, I/O,…với nhiều thuộc tính hoạt động ( Dynamic)
- Alarm Logging: Thực hiện việc hiển thị các thông báo hay các báo cáo trong khi hệ thống vận hành. Đảm trách về các thông báo nhận được và lưu trữ. Nó chứa các chức năng để nhận các thơng báo từ các q trình, để chuẩn bị, hiển thị, hồi đáp và lưu trữ chúng. Ngồi ra Alarm Logging cịn giúp ta tìm ra nguyên nhân của lỗi.
- Tag Logging: Thu thập, lưu trữ và nén các giá trị đo dưới nhiều dạng khác nhau. Tag Logging cho phép lấy dữ liệu từ các quá trình thực thi, chuẩn bị để hiển thị và lưu trữ các dữ liệu đó. Dữ liệu có thể cung cấp các tiêu chuẩn về công nghệ và kỹ thuật quan trọng liên quan đến trạng thái hoạt động của tồn hệ thống.
- Report Designer: Có nhiệm vụ tạo các thông báo, báo cáo và các kết quả này được lưu dưới dạng các trang nhật kí sự kiện.
- User Achivers: Cho phép người sử dụng lưu trữ dữ liệu từ chương trình ứng dụng và có khả năng trao đổi với các thiết bị tự động hố khác. Điều này có nghĩa các cơng thức, thơng số trong chương trình WinCC có thể được soạn thảo, lưu trữ và sử dụng trong hệ thống.
WinCC sử dụng bộ công cụ thiết kế giao diện đồ hoạ mạnh như: Toolbox, các Control, OLE,… được đặt dễ dàng trên giao diện thiết kế. Ngồi ra để phục vụ cho cơng việc giám sát điều khiển tự động WinCC cịn trang bị thêm nhiều tính năng mới mà các cơng cụ khác khơng có như:
- Các Control thơng qua hệ thống quản trị dữ liệu có thể gắn với 1 biến theo dõi trạng thái của hệ thống điều khiển. Thơng qua đó tác động đến việc giám sát các trạng thái.
- Thơng qua hệ thống thơng điệp có thể thực hiện được những hành động tương ứng khi trạng thái thay đổi.
S7-200: Áp dụng vào mơ hình hệ thống tại phịng thí nghiệm tự động hố
- Trong WinCC, ngôn ngữ C-sript được dùng để thao tác giúp cho việc xử lí các sự kiện phát sinh một cách mềm dẻo và linh hoạt.
WinCC cho phép ngƣời sử dụng có khả năng truy cập vào các hàm giao diện chương trình ứng dụng API (Application Program Interface) của hệ điều hành. Ngoài ra sự kết hợp giữa chương trình WinCC và các cơng cụ phát triển riêng như: Visual C++ hoặc Visual Basic sẽ tạo ra hệ thống có tính đặc thù cao, tinh vi, gắn riêng với một cấu hình cụ thể nào đó.
WinCC có thể tạo 1 giao diện Người –Máy(HMI) dựa trên cơ sở giao tiếp giữa con người với các hệ thống máy, thiết bị điều khiển (PLC,CNC,) thơng qua các hình ảnh , sơ đồ , hình vẽ hoặc câu chữ có tính trực quan hơn. Có thể giúp người vận hành theo dõi được quá trình làm việc, thay đổi các tham số, cơng thức hoặc q trình hoạt động, hiển thị các giá trị hiện thời cũng như giao tiếp với q trình cơng nghệ thơng qua các hệ thông tự động. Giao diện HMI cho phép người vận hành giám sát các quy trình sản xuất và cảnh báo, báo động hệ thống khi có sự cố. Do đó WinCC là chương trình thiết kế giao diện Người –Máy thực sự cần thiết, không thể thiếu trong các hệ thống có q trình tự động hố phức tạp và hiện đại.
Việc sử dụng chương trình WinCC để điều khiển và giám sát hệ thống tự động hố trong q trình sản xuất đã cho kết quả điều khiển chính xác.
Từ máy tính trung tâm, có thể điều khiển sự hoạt động tồn bộ dây chuyền sản xuất được lập trình trên WinCC, bạn có thể giám sát tất cả các thiết bị trên dây truyền. Dựa vào giao diện HMI có thể giám sát và thu thập dữ liệu vào ra (I/O) một cách chính xác, hỗ trợ các phương thức sử lí dữ liệu tổ chức số liệu một cách linh hoạt thơng qua kiểu lập trình bằng ngơn ngữ C.
2.2.3 V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9
STEP 7 MicroWin là phần mềm lập trình PLC S7-200 của hãng Siemens. STEP 7 MicroWin là phần mềm lập trình PLC S7-200 của hãng Siemens. Phần mềm cịn cho phép kết nối giữa PLC và các module truyền thơng EM241, module điều khiển vị trí EM253, …Theo như mơ hình nhóm nghiên cứu, để lập trình và truyền thơng với S7- 200, các bạn cần phải có một trong các cách kết nối dùng cáp PC/PPI Cable USB kết nối với S7-200 qua cổng USB.
S7-200: Áp dụng vào mơ hình hệ thống tại phịng thí nghiệm tự động hố
Hình 2. 3 Giao diện STEP 7 MicroWIN SP9
2.3 Thu thập dữ liệu trên mơ hình tại phịng thí nghiệm tự động hóa
Thu dữ liệu bằng cách viết chương trình ở V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9 và nạp vào PLC S7-200 sau đó tạo giao diện WINCC và kết nối với PLC thông qua PC Access. Tải xuống PLC điện áp đầu vào qua WINCC và xuất các mẫu dữ liệu qua file EXCEL.
S7-200: Áp dụng vào mơ hình hệ thống tại phịng thí nghiệm tự động hố
2.3.1 Chương trình thu thập dữ liệu trên V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9
Chương trình dưới đây có đầu 1 đầu vào là điện áp và 1 đầu ra là chiều cao Điện áp kí hiệu Set_dap
Chiều cao kí hiệu là chieu_cao_thuc
Ta lập trình theo cơng thức sau để xử lý tín hiệu Analog Ta có cơng thức tính tốn cho giá trị đầu ra như sau:
𝐴𝑜 = 𝐴_𝑀𝑎𝑥 − 𝐴_𝑀𝑖𝑛
𝐷_𝑀𝑎𝑥 − 𝐷_𝑀𝑖𝑛(𝐷𝑜 − 𝐷_𝑀𝑖𝑛) + 𝐴_𝑀𝑖𝑛
Trong đó: - Ao: Giá trị analog cần đo
- A_Min: đầu ra min (0m) - A_Max: đầu ra max (5m)
- Do: Giá trị chuyển đổi bằng số của Ao - D_Min: giá trị đầu vào min (0)
- D_Max: giá trị đầu vào max (32000) Thay số ta được:
𝐴𝑜 = 250 − 0
32000 − 0(𝐷𝑜 − 0) + 0 = 250
S7-200: Áp dụng vào mơ hình hệ thống tại phịng thí nghiệm tự động hố
Sau đó ở Network 2 ta xử dụng lệnh Move Word (MOVW) để chuyển dữ liệu từ vùng nhớ MW24 sang AQW4.
2.3.2 Giao diện WinCC
Giao diện đầu tiên là phần giới thiệu về đồ án:
S7-200: Áp dụng vào mơ hình hệ thống tại phịng thí nghiệm tự động hố
Giao diện khảo sát dữ liệu
Hình 2. 6 Giao diện WinCC phần lấy dữ liệu
2.3.3 Kết nối PLC và WinCC
Ta kết nối thông qua PC access theo từng bước:
B1: Chọn tên tag, loại tag và địa chỉ tương ứng của tag cần thiết kế trong chương trình.
B2: Mở Wincc và thêm Driver mới cho việc kết nối với S7-200. Chọn loại Driver là OPC
S7-200: Áp dụng vào mơ hình hệ thống tại phịng thí nghiệm tự động hố
B3: Click chuột phải vào OPC groups, và chọn system Parameter, màn hình OPC item manager xuất hiện. Click chuột chọn vào Local, chương trình sẽ tự động tìm ra OPC driver
S7-200: Áp dụng vào mơ hình hệ thống tại phịng thí nghiệm tự động hố
B4: Click vào tại S7-200 OPC Server, chọn các Tag muốn add vào chương trình Wincc
B5: Gắn Tag cho các biến của WinCC
2.3.4 Thu dữ liệu
Thu lấy 2000 mẫu dữ liệu về thời gian lấy mẫu, điện áp đặt xuống và chiều cao quả bóng
S7-200: Áp dụng vào mơ hình hệ thống tại phịng thí nghiệm tự động hố
Bảng số liệu ở WinCC:
Hình 2. 7
Bảng số liệu thu thập trên WinCC Bảng Excel trang đầu tiên:
S7-200: Áp dụng vào mơ hình hệ thống tại phịng thí nghiệm tự động hố
2.3.5 Biểu đồ dữ liệu thu thập được
Dữ liệu thu được trên Excel là dữ liệu rời rạc với thời gian thu thập một dữ liệu cách nhau là 0.25 giây. Với các dữ liệu rời rạc mà ta thu được ở trên excel thì khi đưa ra biểu đồ sẽ là tập hợp 2000 điểm trên biểu đồ. Để chuyển sang 1 biểu đồ liên tục thì ta sẽ thực hiện việc nối 2000 điểm đó lại với nhau. Việc chuyển từ dữ liệu rời rạc sang dữ liệu liên tục sẽ giúp chúng ta dễ dàng hơn trong việc tính tốn thiết kế bộ PID.
Để vẽ được biểu đồ một cách dễ dàng và chính xác nhất thì ta sử dung matlab. Đầu tiên t sẽ đưa dữ liệu từ excel thì chúng ta sẽ đưa dữ liệu vào matlab.
Để vẽ biểu đồ thì ta đưa các dữ liệu thu thập được trên excel vào trong matlab:
Hình 2. 9 Đưa dữ liệu vào matlab để vẽ biểu đồ Với: x điện áp đã đưa vào Với: x điện áp đã đưa vào
y chiều cao tương ứng thu được z thời gian để lấy dữ liệu
Sau đó ta viết đoạn lệnh trong matlab để vẽ các biểu đồ dữ liệu: figure(1);
plot(z,x); figure(2);
S7-200: Áp dụng vào mơ hình hệ thống tại phịng thí nghiệm tự động hố
plot(z,y); figure(3); plot(x,y); grid on
Hình 2. 10 Biểu đồ điện áp và thời gian
Biểu đồ hình 2.10 là biểu đồ điện áp theo thời gian với các giá trị điện áp được đặt ngẫu nhiêu trong khoảng từ 0-3,5(V) trong khoảng thời gian 500 giây với mỗi 0,25 giây thì ta đặt 1 giá trị điện áp tương đương với 2000 giá trị điện áp ta đã thu được.
Hình 2. 11 Biểu đồ chiều cao và thời gian
Hình 2.11 là biểu đồ chiều cao và thời gian. Với giá trị chiều cao là khoảng cách từ cảm biến tới quả bóng mà ta thu được khi đưa điện áp vào mơ hình.
S7-200: Áp dụng vào mơ hình hệ thống tại phịng thí nghiệm tự động hố
Hình 2. 12 Biểu đồ điện áp và chiều cao
Hình 2.12 là biểu đồ chiều cao theo điện áp. Với một dữ liệu điện áp đưa vào thì ta sẽ có một chiều cao tương ứng.
Dữ liệu này được sử dụng để tiến hành xây dựng mơ hình tốn học của hệ thống thí nghiệm sẽ được triển khai phát triển trong phần tiếp theo.
S7-200: Áp dụng vào mơ hình hệ thống tại phịng thí nghiệm tự động hố
Chương 3: NHẬN DẠNG MƠ HÌNH TỐN HỌC 3.1 Xây dựng mơ hình tốn học của hệ thống
Trong phần này mơ hình tốn học của hệ thống được xây dựng.
Hình 3. 1 Các lực tác dụng lên quả bóng trong đường ống Áp dụng định luật 2 newton ta có: Áp dụng định luật 2 newton ta có: 𝐹 = 𝑚. 𝑎 (3.1) Trong đó F là lực M là khối lượng A là gia tốc Như ta thấy có 2 lực tác dụng là Ft và Fc Ft là lực kéo quả bóng bay lên
Fc là lực kéo quả bóng đi xuống trong đó gồm có có trọng lực và lực cản 𝐹 = 𝐹𝑡 − 𝐹𝑐 𝑎 = 𝑦̈ 𝑚. 𝑦̈ = 𝐹𝑡− 𝑚. 𝑔 Với 𝐹𝑡 =1 2 . 𝐶𝑑 . 𝜌. 𝐴 . (𝑣𝑤 − 𝑦̇)2 Ft Fc
S7-200: Áp dụng vào mơ hình hệ thống tại phịng thí nghiệm tự động hố
⇒ 𝑚. 𝑦̈ = 1
2 . 𝐶𝑑 . 𝜌. 𝐴 . (𝑣𝑤 − 𝑦̇)2− 𝑚. 𝑔 (3.2) Trong đó:
y là vị trí thẳng đứng của quả bóng trong ống
𝜌 là khối lượng riêng của khơng khí ( 𝜌 = 1,3 kg/𝑚3) A là diện tích vật thể tiếp xúc với luồng khí đi lên:
𝐴 =1 2𝑆𝑞𝑢ả 𝑏ó𝑛𝑔 = 1 2 .4𝜋. 𝑟 2=1 2 . 4𝜋. 0,02 2 = 0,0025(𝑚2)
𝑣𝑤 là vận tốc của khơng khí bên trong ống g là trọng lực ( 𝑔 = 9,8 m/𝑠2)
𝐶𝑑 là hệ số cản của khơng khí đối với quả bóng hình cầu nên hệ số cản là 𝐶𝑑 = 0,47
Đặt: 𝛼 = 1 2 . 𝐶𝑑 . 𝜌. 𝐴 ⇒ 𝐹𝑡 = 𝛼 (𝑣𝑤 − 𝑦̇)2 ⇒ 𝑚. 𝑦̈ = 𝛼 (𝑣𝑤 − 𝑦̇)2− 𝑚𝑔 ⇒ 𝑦̈ = 𝛼 𝑚 (𝑣𝑤 − 𝑦̇)2− 𝑔 (3.3)
Khi vật không duy chuyển 𝑦̈ = 𝑦̇ = 0. Chúng ta gọi 𝑣𝑤 lúc đó là 𝑣𝑒𝑞 tại điểm cân bằng
⇒ 𝑔 = 𝛼 𝑚 . 𝑣𝑒𝑞 2 (3.4) ⇒ 𝑦̈ = 𝛼 𝑚 (𝑣𝑤 − 𝑦̇)2−𝛼 𝑚 . 𝑣𝑒𝑞 2 = 𝛼 𝑚 . 𝑣𝑒𝑞2 𝑣𝑒𝑞2 (𝑣𝑤 − 𝑦̇)2− 𝛼 𝑚 . 𝑣𝑒𝑞 2 = 𝛼 𝑚 . 𝑣𝑒𝑞 2(𝑣𝑤 − 𝑦̇ 𝑣𝑒𝑞 ) 2 − 𝛼 𝑚 . 𝑣𝑒𝑞 2 = 𝑔 [(𝑣𝑤 − 𝑦̇ 𝑣𝑒𝑞 ) 2 − 1] ⇔ 𝑦̈ = 𝑔 [(𝑣𝑤 − 𝑦̇ 𝑣𝑒𝑞 ) 2 − 1] (3.5)
S7-200: Áp dụng vào mơ hình hệ thống tại phịng thí nghiệm tự động hố Đặt: 𝑥 = 𝑣𝑤 − 𝑦̇ 𝑣𝑒𝑞 ⇒ 𝑦̈ = 𝑔(𝑥2− 1) Đặt: 𝑓(𝑥) = 𝑔(𝑥2− 1) Tuyến tính tại 𝑥 = 1 ⇔ 𝑣𝑤 − 𝑦̇ = 𝑣𝑒𝑞