k và Tp 1 10s, Tp2
5.2 Module mềm PID
5.2.1 Những module PID mềm cĩ trong cĩ trong step7
Phần mềm Step7 cung cấp các module mềm PID để điều khiển các đối tượng cĩ mơ hình liên tục như lị, động cơ, mức… đầu ra của đối tượng được đưa vào đầu vào của bộ điều khiển qua các cổng vào tương tự của các module vào tương tự của các Simatic S7-300/400. Tín hiệu ra của bộ điều khiển cĩ nhiều dạng và được đưa đến các cơ câu chấp hành qua các module vào ra khác nhau như:
- qua các cổng ra tương tự của module ra tương tự (AO) hoặc - qua các cổng ra số của module ra số (DO), hoặc
- qua các cổng phát xung ra tốc độ cao.
Phụ thuộc vào cơ cấu chấp hành, người sử dụng cĩ thể chọn được module mềm PID tương thích. Ba module PID được tích hợp trong phần mềm Step7 phù hợp với ba kiểu cơ cấu chấp hành nêu trên, đĩ là:
1 điều khiển liên tục với module mềm FB41 ( tên hình thứ CONT_ C). 2 Điều khiển bước với module mềm FB42 (tên hình thức CONT _ S) 3 Điều khiển kiểu phát xung với khối hàm hỗ trợ FB43 ( tên hình thức CONT_S)
Mỗi module mềm PID đều cĩ một khối lượng dữ liệu riêng (DB) để lưu giữ các dữ liệu phục vụ cho chương trình tính tốn thực hiện luật điều khiển. Các khối hàm FB của module mềm PID đều cập nhật được những khối dữ kiệu này ở mọi thời điểm.
Module mềm FB PULSEGEN được sử dụng kết hợp với module mềm FB CONT _ C nhằm tạo ra bộ điều khiển cĩ tín hiệu ra dạng xung tốc độ cao thích ứng với những cơ cấu chấp hành kiểu tỷ lệ.
Một bộ điều khiển PID mềm được hồn thiện thơng qua các khối hàm FB nhiều chức năng tạo ra tính linh hoạt cao trong thiết kế. Người sử dụng cĩ thể chọn các chức năng này hoặc loại bỏ các chức năng khơng cần cho một hệ thống. Các chức năng cơ bản khác như xử lý tín hiệu chủ đạo, tín hiệu quá trình và tính tốn các biến khác cùng với bộ điều khiển PID cũng được tích hợp sẵn trong một module điều khiển mềm.
Một điều cần chú ý là những module PID mềm khơng tồn năng tới mức cĩ thể ứng dụng được vào mọi bài tốn điều khiển. Đặc tính điều khiển và tốc độ xử lý của module PID mềm phụ thuộc vào loại CPU được chọn để giải quyết bài tốn điều khiển. Do khi xử ký một mạch vịng điều khiển người ta phải thực hiện cơng việc trích mẩu tín hiệu đầu vào cho mạch vịng điều khiển đĩ (liên
quan đến tín hiệu báo ngắt theo chu kỳ thời gian OB30 OB38), nên cần phải cĩ sự tương thích giữa số mạch vịng điều khiển PID và khả năng cũng như tốc độ tính tốn của CPU. Nếu bài tốn điều khiển yêu cẩu tần suất cập nhật càng cao thì số dịng điều khiển phải càng giảm. Chỉ ở những bài tốn cĩ số vịng điều khiển ít người ta mới cĩ thể sử dụng các bộ module PID mềm cĩ tần suất truy nhập cao.
Tất cả các module PID mềm đều cung cấp nhiều giải pháp lựa chọn luật điếu khiển trong khi thiết kế để độ điều khiển phù hợp được với đối tượng như : luật điều khiển tỷ lệ (luật P), luật điều khiển tỷ lệ – vi phân ( luật PD), luật điều khiển tỷ lệ – tích phân ( luật PI)…. Chất lượng của hệ thống phụ thuộc vào các tham số của bộ điều khiển do đĩ, điều kiện bắt buộc để đảm bảo thành cơng trong thiết kế là người sử dụng phải cĩ mơ hình đối tượng chính xác. Đĩ cũng chính là nhược điểm cơ bản của các phương pháp điều khiển kinh điển.
Các đại lượng vật lý của đối tượng và đặc tính của bộ điều khiển quyết định đặc tính động của hệ thống trong quá trình điều khiển và chỉ bị thay đổi rất ít so với thiết kế. Chỉ cĩ thể đạt được chất lượng điều khiển tốt nếu như người thiết kế chọn thuật điều khiển và thời gian trích mẩu phù hợp với đối tượng.
Hồn tồn cĩ thể thiết kế bộ điều khiển (cấu trúc ,tham số , gọi module mềm PID trong chương trình hệ thống ) mà khơng cần lập trình. Tuy nhiên muốn làm được như vậy phải nắm được phần mềm Step7.
5.2.2Khai báo tham số và các biến của module mềm PID
Người thiết kế cĩ thể khai báo tham số và các biến cho bộ điều khiển trong một dữ liệu địa phương (instance data block ) bằng cách sử dụng giao diện của module mềm PID. Để vào chương trình khai báo tham số khĩ thực hiện .
Star Simatic Step7 PID Control Paramete Assignment
Trong hộp hội thoại đầu tiên,ngươi thiết kế cĩ thể mở khối dữ kiệu (DB ) đã tích hợp sẵn cho FB14 :con- C”, FB42 “ CON_S “ hoặc mở một khối dữ liệu mới hồn tồn. Riêng FB43 “PULSEGEN” khơng thể thực hiện chọn tham số và biến qua giao diện, trong trường hợp này người thiết kế phải sử dụng cơng cụ của STEP7 để thiết lập tham số và khai báo biến cho bộ điều khiển .
Đối với CPU 314 IFM cĩ thể thiết lập tham số và biến cho module mềm SFB41 hoặc SFB42 bằng cách nhập trực tiếp một khối dữ liệu bất kỳ và chọn nĩ làm khối lượng dữ liệu cục bộ cho những module này.
5.3 điều khiển liên tục với FB41 “CONT C” 5.3.1Giới thiệu chung về FB41
Sơ đồ cấu trúc của module mềm FB41 “CONT- C” được minh họa trong hình 5.2
FB41 “ CONT – C” được sử dụng để điều khiển các quá trình kỹ thuật với các biến đầu vào và đầu ra tương tự trên cơ sở thiết bị khả trình Simatic. Trong khi thiết lập tham số, cĩ thể tích cực hoặc khơng tích cực một số thành phần chức năng của bộ điều khiển PID cho phù hợp với các đối tượng.
Cĩ thể sử dụng module mềm PID như một bộ điều khiển với tín hiệu chủ đạo đặt cứng (fixed setpoint) hoặc thiết kế một hệ thống điều khiển nhiều mạch vịng theo kiểu điều khiển cascade. Những chức năng điều khiển được thiết kế trên cơ sở của thuật điều khiển PID của bộ điều khiển mẩu với tín hiệu tương tự.
Module mềm PID bao gồm tín hiệu chủ đạo SP=INT, tín hiệu ra của các đối tượng PV_PER, tín hiệu giả để mơ phỏng tín hiệu ra của đối tượng PV_IN, các biến trung gian trong quá trình thực hiện luật và thuật điều khiển PID như PVPER-ON, P-SEL, D_SEL, Man-ON. …
Tín hiệu ra của CRP-IN = PV-PER x
27648100 100
Chuẩn hĩa :Chức năng của hàm chuẩn hĩa PV NORM tín hiệu ra của đối tượng là chuẩn hĩa tín hiệu ra của hàm CRP-IN theo cơng thức :
Tín hiệu ra của PV_NORM = ( Tín hiệu ra của Crp-IN) x PV- FAC- OFF
Hai tham trị khống chế dãy giá trị cho phép của PV_NORM là PV_FAC và PV_OFF. Mặc định PV_FAC của hàm PV_NORM cĩ giá trị bằng 1 và PV_ OFF cĩ giá trị bằng 0.
Lọc nhiễu tác động trong lân cận điểm làm việc : Tín hiệu sai lệch là hiệu giữa tín hiệu chủ đạo và tín hiệu ra của đối tượng.Nĩ được tạo ra t ngay trong FB41 và là dấu vào của khối DEADBAND cĩ tác dụng lọc những dạo động nhỏ xung quanh giá trị xác lập. Nếu khơng muốn sử dụng DEADBAND hoặc với đối tượng mà cĩ thể bỏ qua sự ảnh hưởng của nhiều trong lân cận điểm làm việc ta chọn DEAD- W =0
5.3.2 Chọn luật điều khiển trên Module FB41 “CONT- C”
Hình 5.3 mơ tả thuật PID được thiết kế theo kiểu song song của ba thuật điều khiển đơn lẻ: tỷ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D) theo sơ đồ cấu trúc trong hình 5.2(sau khối DEADBAND). Chính vì cấu trúc song song như vậy nên ta cĩ thể thơng qua các tham trị P_SEL, I-SEL hay D_SEL mà tích hợp được các thuật
điều khiển khác nhau từ bộ điều khiển mẩu này như thuật điều khiển P, PI, PD, PID.
5.3.3 Đặt giá trị
Phần mềm cho phép chọn chế độ tự động (automatic mode ) hoặc chế độ bằng tay. Ơû chế độ bằng tay các chế độ của các biến được chọn bằng tay. Bộ tích phân (INT) tự thiết lập chế độ LNM-LNM-P-DISV và bộ vi phân (DIF) tự động về 0. Điều đĩ đảm bảo cho việc chuyển chế độ từ thiết lập giá trị bằng tay về chế độ tự động khơng gây một biến đổi nào đối với các biến đã được thiết lập giá trị bằng tay.
Cũng cĩ thể đặt giới hạn cho các giá trị được thiết lập bằng tay nhờ hàm LMNLIMIT. Một bít cờ sẽ cĩ một giá trị logic bằng 1 khi biến vào cĩ giá trị vượt quá giới hạn đã chọn. Hàm LMN- NORM sẽ chuẩn hĩa tín hiệu ra của hàm LMNlimit theo cơng thức:
LMN = (TÍN HIỆU CỦA LMNLIMIT )*LMN-FAC + LMN-OFF
Mặc định LMN_FAC cĩ giá trị bằng bằng 1, cịn LMN_OFF cĩ giá trị bằng 0. Các giá trị đặt bằng tay cĩ thể theo một cách biểu diễn riêng. Hàm CRP-OUT cĩ chức năng biến đổi từ kiểu biểu diễn số thực dấu phẩy động sang kiểu biểu diễn riêng theo cơng thức:
LMN-PER = LMN *
10027648 27648
Ngồi ra nhiễu cĩ thể được lọc trước bằng cách đưa quan đầu vào DISV. 5.3.4 Khởi động và thơng báo lỗi
FB41 “CON- C” cĩ một chương trình con phục vụ cho việc khởi tạo lại hồn tồn hệ thống. Chương trình này được được gọi khi tín hiệu vào COM-RST cĩ giá trị logic bằng 1.
Trong khi khởi tạo, luật điều khiển tích phân được tự động thiết lập với giá trị khởi tạo I_ITVAL. Nếu luật điều khiển được gọi theo ngắt thời gian, nĩ sẽ luơn luơn làm việc với giá trị này. Tất cả đầu ra khác được đặt giá trị mặc định. Khối FB41 ‘ CON- C” khơng cĩ khả năng tự kiểm tra lỗi bên trong của module mềm PID. Mã báo lỗi RET-VAL khơng được sử dụng.
5.3.5 Tham biến hình thức đầu vào
Khối FB41 “Con – C” cĩ 26 tham biến hình thức đầu vào như sau:
Tên biến Kiểu dữ liệu
Phạm vi
giới hạn Giá trị mặc định Mơ tả chức năng
COM-RST BOOL FALSE COMPLETE RESTART
Khối cĩ chức năng khởi tạo lại hệ thống hồn tồn khi đầu vào “complete restart” được thiết lập giá trị logic TRUE.
MAN-ON BOOL TRUE MANUAL VALUE ON
khi đầu vào “manual value on” cĩ giá trị logic TRUE mạch vịng điều khiển sẽ bị ngắt, các giá trị sẽ được thiết lập bằng tay.
PVPER-ON BOOL FALSE PROCESS VARIABLE
PERIPHERAL ON
Khi đọc biến quá trình từ các cổng vào/ ra, đầu vào PV_PER phải được nối với cổng vào /ra và đầu vào “process variable peripheral on “ cĩ giá trị logic TRUE.
P-SEL BOOL TRUE PROPORTIONAL ACTION ON
Hoạt động của bộ điều khiển PID cĩ thể tích cực hoặc khơng tích cực từng phần riêng trong thuật điều khiển PID. Thuật điều khiển tỷ lệ được kích hoạt khi giá trị TRUE được thiết lập tại cổng vào “proportional action on”
I-SEL BOOL TRUE INTERGER ACTION ON
cĩ thể tích cực hoặc khơng tích cực từng phần riêng trong thuật điều khiển PID. Thuật điều khiển tỷ lệ được kích hoạt khi giá trị logic TRUE được thiết lập tại cổng vào “Proportional action on “
INT-
HOLD BOOL FALSE INTERGAR ACTION HOLD Đầu ra của bộ điều khiển tích phần cĩ thể bị “đơng lạnh “( khơng được sử dụng) khi thiết lập giá trị logic TRUE cho đầu vào “ intergral action hold”.
I-ITL-ON BOOL FALSE INTIALIZATION OF INTERGRAL ACTION
Đầu ra của bộ điều khiển tích phân cĩ thể được nối vào cổng vào I_ITL_VAL nếu như cổng vào “intialization of intergral action” cĩ giá trị logic TRUE.
D-SEL BOOL FALSE DERIVATE ACTION ON
Hoạt động của bộ điều khiển PID cĩ thể tích cực hoặc khơng tích cực từng phần riêng trong thuật điều khiển PID. Thuật điều khiển vi phân được kích hoạt khi giá trị TRUE được thiết lập tại cổng vào “derivate action on”
CYCLE TIME 1ms T#1s SAMPLING TIME
Thời gian lấy mẩu là khoảng thời gian khơng đổi giữa các lần khối được cập nhật. SP-INT REAL -100.0 …. 100.0% hoặc giá trị vật lý. 0.0 INTERNAL SEPOINT
Đầu vào “internal sepoint” được sử dụng để thiết lập tín hiệu chủ đạo ( tín hiệu mẩu)
PV-IN REAL -100.0 …100.0% hoặc giá trị