Đối tượng được sử dụng để điều khiển trong đề tài là mô hình điều khiển quá trình – phòng thí nghiệm 109B3 (Hình 5.1).
Hình 5.1: Mô hình thí nghiệm điều khiển quá trình 5.1. Mô tả mô hình
Đây là mô hình được sử dụng trong điều khiển quá trình, nó trang bị các thiết bị để thực hiện các thí nghiệm về điều khiển mức, lưu lượng, nồng độ pH, tách chất lỏng, điều khiển quá trình từ xa, giao diện điều khiển…
Mô hình gồm có:
- Bồn chứa: 3 bồn; 1 chứa nước, 1 chứa dầu và 1 làm bồn phản ứng.
- Thùng chứa dung dịch axít, bazơ: dùng cho các thí nghiệm về điều khiển nồng độ pH. Mỗi thùng chứa được nối với 2 bơm nhỏ để bơm axít và bazơ lên bồn chứa.
66
- Các cảm biến đo: mực nước, nhiệt độ, lưu lượng, nồng độ pH; các cảm biến này thường là loại cảm biến xuất tín hiệu tương tự 4-20 mA và đưa về các mô-đun analog vào của PLC.
- Bộ điều khiển: cụm thiết bị xuất nhập dữ liệu số và tương tự để đọc tín hiệu và xuất tín hiệu điều khiển mô hình. Bộ điều khiển có thể giao tiếp với PLC Siemens S7-300 qua cổng Profibus-DP
- Bơm chất lỏng: gồm 3 bơm được điều khiển bởi 3 biến tần; Các biến tầng này được điều khiển bởi mô-đun analog ra của PLC, nhận tín hiệu điện áp từ 0-10 VDC và cho ra tần số tương ứng từ 0-50 Hz.
- Hệ thống giá đỡ, ống dẫn và dây nối 5.2. Kết nối mô hình với máy tính
Các cơ cấu chấp hành và cảm biến của toàn hệ thống được nối với cụm thiết bị xuất nhập dữ liệu của bộ điều khiển. Đây là một mô hình được xây dựng theo mục đích sử dụng của nhà sản xuất. Để có thể điều khiển được mô hình này trước tiên phải can thiệp bằng kỹ thuật kết nối và thu thập dữ liệu giữa PLC và máy tính.
Sơ đồ kết nối điều khiển giữa máy tính và mô hình được trình bày ở hình 5.2.
67
Hình 5.2: Sơ đồ kết nối điều khiển giữa máy tính và mô hình
68 Giải thích sơ đồ
Vì PLC Wago 750-833 chỉ trang bị truyền thông Profibus-DP, không có chuẩn Ethernet nên ở đây sử dụng PLC S7-300 cpu 314 2PN/DP làm trung gian kết nối giữa máy tính và Wago 750-833.
- Máy tính: Matlab nhận dữ liệu và đưa kết quả thực thi thuật toán qua khối OPC Read và OPC Write của Matlab OPC Toolbox. Matlab OPC Toolbox được cấu hình kết nối với OPC KepServer nhằm giao tiếp với vùng nhớ trong PLC S7-300 cpu 314 2PN/DP với Matlab thông qua chuẩn Ethernet.
- PLC S7-300 cpu 314 2PN/DP: được cấu hình bằng phần mềm SIMATIC STEP 7 để giao tiếp với máy tính qua chuẩn Ethernet và PLC Wago 750-833 qua chuẩn Profibus-DP. Bao gồm cấu hình kết nối Ethernet, Profibus-DP, địa chỉ IP, địa chỉ Profibus, mô-đun và vùng nhớ.
- PLC Wago 750-833: đóng vai trò là phần tổng hợp các mô-đun kết nối với nó bao gồm các mô-đun DI/DO, mô-đun AI, mô-đun AO, mô-đun Driver để các thiết bị khác có thể đọc hoặc ghi dữ liệu vào chúng thông qua Profibus.
- Mô hình: các đối tượng điều khiển là bơm được điều qua driver từ PLC Wago 750-833 hoặc thông qua biến tần, van được điều khiển thông qua mô-đun DO, các đối tượng lấy dữ liệu là các loại cảm biến mức, lưu lượng, nhiệt độ, nồng độ, áp suất…được truyền về mô-đun AI qua chuẩn 4-20 mA.
5.3. Đọc dữ liệu và điều khiển
Để đọc được dữ liệu và gửi dữ liệu xuống điều khiển mô hình, việc đầu tiên là phải cấu hình để PLC Siemens S7-300 và PLC Wago 750-833 hiểu nhau. Công việc này được thực hiện bằng phần mềm SIEMENS STEP 7 Manager có cài thêm thư viện Profibus cho PLC Wago 750-833 (Hình 5.3). PLC Siemens S7-300 và PLC Wago 750-833 được thiết lập để giao tiếp với nhau qua chuẩn Profibus.
Điều cần lưu ý phải chọn đúng địa chỉ profibus cho PLC Wago 750-833 như đã định sẵn trong phần cứng của nó. Sau khi thiết lập thành công, cần can thiệp vào các vùng nhớ Profibus trên PLC Siemens S7-300 để đọc và ghi dữ liệu (hình 5.4).
69
Hình 5.3: Kết nối giữa PLC Siemens S7-300 và PLC Wago 750-833 qua profibus
Hình 5.4: Các vùng nhớ của PLC Wago 750-833
70
Để điều khiển và đọc dữ liệu từ các cảm biến, cần xác định vùng nhớ chứa các dữ liệu liên quan, các dữ liệu này được mô tả ở hình 5.5.
Hình 5.5: Các vùng nhớ tương ứng phần cứng 5.4. Mô hình pH trong đối tượng thực
- Mô hình pH trong đối tượng thực bao gồm 2 bình chứa, 1 chứa axít acetic (CH3COOH) và 1 chứa bazơ soda (Na2CO3).
71
- 4 bơm nhỏ để bơm axít và bazơ theo hai hướng khác nhau, điều này cho phép ta có thể sử dụng dòng axít hoặc dòng bazơ làm dòng chuẩn độ cho dung dịch trong bồn. Vì vậy trong một lúc chỉ cần sử dụng 1 bơm axít và 1 bơm bazơ.
- Dung dịch trong bồn được tạo ra bằng cách cho axít hoặc bazơ trộn với dòng nước bơm vào bồn chứa.
Hình 5.6: Sơ đồ mô hình pH trong đối tượng thực 5.5. Điều khiển mô hình pH
5.5.1. Xác định vùng nhớ
Công việc đầu tiên để điều khiển được mô hình thực là xác định các vùng nhớ của PLC kết nối với phần tử cần điều khiển và thu thập dữ liệu. Giá trị các vùng nhớ này được làm ngõ vào và ngõ ra của bộ điều khiển qua các công cụ như trình bày ở sơ đồ kết nối hình 5.2.
− Biến cho phép điều khiển mô hình (Control On)
− Các đối tượng điều khiển bao gồm: bơm axít, bơm bazơ, bơm nước (cấp nước cho bồn chứa).
− Các giá trị cảm biến cần đọc về: cảm biến nồng độ pH, cảm biến mức nước trong bồn chứa, lưu lượng dòng nước cấp.
72
Bảng 5-1: Vùng nhớ các đối tượng trên PLC S7300
Đối tượng Vùng nhớ Đối tượng Vùng nhớ
Bơm axít PQW256÷261 Cảm biến pH PIW270
Bơm bazơ PQW262÷267 Cảm biến lưu lượng PIW256 Control On Q10.4 Cảm biến mực nước PIW258 Bơm nước PQW270, Q10.0
5.5.2. Trình tự điều khiển
Trong nguyên tắc điều khiển pH, thể tích dung dịch trong bồn trộn phải được giữ không đổi, vì vậy cần một bộ điều khiển PI độc lập để điều khiển mức nước trong bồn. Sau khi mức nước trong bồn đã ổn định mới tiến hành cấp axít và bazơ theo chiến lược điều khiển, lúc này mới sử dụng bộ điều khiển dự báo đã xây dựng.
KẾT LUẬN CHƯƠNG 5
Trong Chương 5 tác giả mô tả đối tượng thực được sử dụng trong luận văn. Để có thể điều khiển được đối tượng này, tác giả trình bày chi tiết phương pháp kết nối bộ điều khiển trên máy tính và mô hình thực, phương pháp thu thập dữ liệu từ các cảm biến thông qua PLC và việc truyền thông giữa các PLC với nhau.
73