Module điều khiển quá trình của phần mềm STEP 7

3.2.1 Modul xử lý tín hiệu đo FC105

Để việc chuyển đổi thuận tiện, ta có thể sử dụng các hàm thƣ viện. Hàm thƣ viện FC105 (Thƣ viện Standard, mục TI-S7 converting blocks) có công dụng chuyển đổi dữ liệu đầu vào PIW của module Analog dạng INT sang dạng đại lƣợng cần đo. Nó là hàm tuyến tính:

OUT= IN K LO LIM K K LIM LO LIM HI _ ) ( _ _ 1 1 2     Trong đó:

OUT: giá trị đại lƣợng đo, dạng số thực.

IN : số đo từ PIW (ngõ vào Analog), dạng số nguyên K2 : giá trị số nguyên giới hạn trên ở đầu vào PIW (27648) K1 : giá trị số nguyên giới hạn dƣới ở đầu vào PIW

- với đầu vào Bipolar : -27648 - Với đầu vào Unipolar: 0 HI_LIM : giới hạn trên đại lƣợng đo. LO_LIM: giới hạn dƣới đại lƣợng đo. Biến đổi này có thể minh họa qua đồ thị

Ví dụ: Nếu đầu vào PIW0 của Module Analog có thang đo 010V

Ta gọi hàm FC105 và gán các tham số tƣơng ứng để đƣợc đầu ra là số thực tính theo đơn vị Volt, đƣa đến MD200

Hàm FC105 dạng LAD:

Nếu giá trị ở đầu vào PIW0 là 9123, ta có đầu ra là 6,6(v)

34

3.2.2 Modul xử lý tín hiệu ra FC106

Chuyển đổi số thực IN giữa hai giá trị LO_LIM và HI_LIM thành số nguyên đơn cực hay lƣỡng cực OUT theo công thức

OUT= ( 2 1) 1 _ _ _ K K K LIM LO LIM HI LIM LO IN     Trong đó:

OUT: giá trị đầu ra, dạng số thực.

IN : số đo từ PQW (ngõ ra Analog), dạng số nguyên K2 : giá trị số nguyên giới hạn trên ở đầu ra PQW (27648) K1 : giá trị số nguyên giới hạn dƣới ở đầu ra PQW

- Với đầu vào Bipolar : -27648 - Với đầu vào Unipolar: 0 HI_LIM : giới hạn trên đại lƣợng đo. LO_LIM: giới hạn dƣới đại lƣợng đo.

Ví dụ: Nếu đầu ra PQW0 của Module Analog có thang đo 010V

Ta gọi hàm FC106 và gán các tham số tƣơng ứng để đƣợc đầu ra là số thực tính theo đơn vị Volt, đƣa đến MW136

3.2.3 Module điều khiển PID 3.2.3.1 PID liên tục tục FB41 3.2.3.1 PID liên tục tục FB41

Sơ đồ cấu trúc:

FB41”CONT_C” đƣợc sử dụng để điều khiển các quá trình kỹ thuật với các biến đầu vào và ra tƣơng tự nhƣ trên cơ sở thiết bị khả trình Simatic. Trong khi thiết lập tham số, có thể tích cực hoặc không tích cực một số thành phần chức năng của bộ điều khiển PID cho phù hợp với đối tƣợng.

36

- Tín hiệu đầu vào SP_INT: Lệnh nhập mức tín hiệu điều khiển, là số thực, tính theo giá trị % của tín hiệu cực đại thang điều khiển.

- Tín hiệu phản hồi PV_PER: Tín hiệu phản hồi lấy từ đối tƣợng đƣợc điều khiển. Nó thƣờng đƣợc đọc từ một cảm biến Analog qua đầu vào Analog nên ngƣời ta chọn kiểu dữ liệu đầu vào này là số nguyên kiểu Word. Chức năng CRP_IN biến đổi kiểu dữ liệu từ số nguyên sang dạng số thực tính theo % cho phù hợp với lệnh. Do Module Analog có giới hạn thang đo tuyến tính là 27648 nên ta coi giới hạn đó là 100% và tín hiệu ra CRP_IN đƣợc tính:

CRP_IN=PV_PER

27648 100



- Để hiệu chỉnh giá trị cảm biến phản hồi, khối chức năng PV_NORM sẽ thực hiện biến đổi tuyến tính, hiệu chỉnh độ nhạy (PV_FAC) và độ trôi (PV_OFF):

PV_NORM= CRP_INPV_FAC +PV_OFF

Khi thay thế cảm biến, ta cần hiệu chỉnh 2 giá trị trên để kết quả đo lƣờng không đổi.

- Trong trƣờng hợp tín hiệu phản hồi không thu đƣợc từ cảm biến có dữ liệu tƣơng ứng đầu vàoPV_PER, ta có thể đƣa qua tính toán khác và đƣa đến đầu vào PV_IN dạng số thực, tính theo %, lúc đó lệnh PVPER_ON phải đặt về mức “0”.

- Khối  sẽ so sánh 2 giá trị vào, cho ra tín hiệu sai lệch. Tín hiệu sai lệch đƣợc đƣa qua khối chức năng DEADBAND để hệ thống không hoạt động với các sai lệch nhỏ dƣới mức cần tác động. Điều này cần thiết nếu các hệ làm việc trong môi trƣờng nhiều nhiễu. Trong môi trƣờng ít nhiễu, ta giảm DEAD_W về “0” để tăng độ nhạy, độ chính xác của hệ thống.

- Hệ số khuếch đại tín hiệu sai lệch của hệ chính là thành phần tỉ lệ Kp, đƣợc đặt bằng hệ số GAIN. GAIN là số thực, nếu chọn lớn hệ sẽ tác động nhanh, chính xác nhƣng dễ mất ổn định.

- Khâu PID thực sự gồm 3 thành phần:

+ Thành phần tỉ lệ, đƣợc lựa chọn nhờ lệnh chuyển mạch P_SEL

+ Thành phần tích phân đƣợc hình thành bởi khối chức năng INT và đƣợc chọn nhờ lệnh chuyển mạch I_SEL. Tính chất khối tích phân xác định nhờ giá trị hằng số thời gian TI (Dữ liệu kiểu TIME), giá trị ban đầu I_ITLVAL (Dạng số thực tính theo %). Có sử dụng giá trị ban đầu hay không

tuỳ thuộc lệnh I_ITL_ON, và có thể dùng quá trình tích phân giữ nguyên giá trị đầu ra bằng lệnh INT_HOLD.

+ Thành phần vi phân đƣợc hình thành bởi khối chức năng DIF, đƣợc lựa chọn nhờ lệnh chuyển mạch D_SEL. Tính chất khối vi phân đƣợc xác lập bởi hằng số thới gian TD (Dữ liệu kiểu TIME) và thời gian giữ chậm TM_LAG (Dữ liệu kiểu TIME).

Ba thành phần này đƣợc cộng với nhau. Nhờ các lệnh chuyển mạch P_SEL, I_SEL, D_SEL mà ta có thể thành lập các chế độ điều khiển P, PI, PD, PID khác nhau.

- Tín hiệu sai lệch tổng hợp đƣợc cộng thêm thành phần DISV dùng để bù tác động hiễu theo chiều thuận. Giá trị của DISV có dạng số thực, tính theo %.

- Tín hiệu sai lệch đƣợc đƣa qua bộ hạn chế mức tín hiệu điều khiển LMNLIMIT. Mức hạn chế trên LMN_HLM và hạn chế dƣới LMN_LLM đƣợc đƣa vào dạng số thực, tính theo%. Đầu vào của khối đƣợc lựa chọn theo chế độ bằng tay hay tự động nhờ lệnh MAN_ON. Đầu vào MAN, dạng số thực, tính theo %, dùng để đặt mức tín hiệu ra LMN trong chế độ điều khiển bằng tay.

- Khối LMN_NORM biến đổi tuyến tính, bù lệch tĩnh và độ nhạy của cơ cấu chấp hành. Tín hiệu điều khiển đầu ra LMN có dạng số thực, tính theo %.

LMN=LMNLIMITLMN_FAC+LMN_OFF

- Khối CRP_OUT biến đổi tín hiệu ra dạng số thực ra dạng số nguyên LMN_PER thích ứng với dạng ra các Module ra Analog.

LMN_PER=LMN

100 27648



- Các đầu ra trung gian, kiểm tra:

+ PV_IN: Tín hiệu phản hồi, dạng số thực, tính theo % ở đầu vào mạch so sánh.

+ ER: Tín hiệu sai lệch sau khi truyền qua DEADBAND.

+ LMN_P, LMN_I, LMN_D: các thành phần tỉ lệ, tích phân, vi phân của tín hiệu sai lệch ở đầu vào bộ tổng hợp.

+ QLMN_HLM, QLMN_LLM: Tín hiệu báo độ sai lệch vƣợt mức hạn chế trên và dƣới.

38

Các tín hiệu đầu ra này có thể dùng theo dõi, báo hiệu hoặc các xử lý khác.

Sử dụng khối hàm FB4:

- Lệnh điều khiển đƣợc đặt vào dạng số thực (%) qua đầu vào SP_INT. Đầu ra LMN (số nguyên) hoặc LMN_PER (số thực) đƣợc đƣa đến cơ cấu chấp hành, điều khiển đối tƣợng. Tín hiệu phản hồi đƣợc đƣa trở về đầu vào PV_PER (số nguyên) hoặc PV_IN (số thực).

- Đầu vào DISV sử dụng khi có tác động trực thuận có thể đo lƣờng đƣợc, giảm sai lệch đầu ra, nâng cao độ chính xác cho hệ.

3.2.3.2 Bộ điều độ rộng xung FB43

Hàm phát xung tạo ra xung điều rộng 2 hoặc 3 bƣớc có độ rộng điều chỉnh đƣợc. Hàm này kết nối tiếp sau hàm xử lý PID FB41 “CONT_C” tạo thành một hệ thống điều khiển liên tục.

Hàm PULSEGEN chuyển biến đầu vào INV(giá trị lấy ra từ hàm xử lý tín hiệu PID thành một một dạng xung điều rộng trong một chu kỳ không đổi. (đƣợc khai báo trong cycle time ). Độ rộng của xung là sự tỉ lệ giữa đầu vào.

INV REAL -100.0...100.0 (%)

0.0 Biến đầu vào dạng tƣơng tự lấy ra từ hàm FC41 PER_TM TIME >=20*CYCLE T#1s PERIOD TIME Giá trị

hằng số của chu kỳxung điều rộng .Chu kỳ xung điều rộng là khoãng cách thời gian giữa hai lần lấy mẫu của bộ phát xung. P_B_T TIME >= CYCLE T#0ms Xung nhỏ nhất hay thời

gian nhỏ nhất gán cho xung.

RATIOFAC REAL 0.1 ...10.0 1.0 Thông số đầu vào tỉ lệ, có thể dùng để thay đổi tỉ lệ giữa thời gian ON OF. Trong điều khiển nhiệt độ, điều này sẽ cho phép những thời gian hằng khác nhau cho việc gia nhiệt hay làm lạnh để bù nhiệt. STEP3_ON BOOL TRUE Điều khiển 3 bƣớc. Bits

này ON sẽ cho phép chế độ này.

ST2BI_ON BOOL FALSE Điều khiển hai bƣớc cho giá trị lƣỡng cực lấy ra từ hàm FB41. Có thể chọn điều khiển đơn cực hay lƣỡng cực bằng bít này.

Buộc phải gán

STEP3_ON = FALSE. COM_RST BOOL FALSE Reset hoàn toàn hoạt động

của hàm.

CYCLE TIME >= 1ms T#10ms Thời gian lấy mẫu (giữa hai lần gọi khối.

40

3.3 Lập trình và cài đặt bộ điều khiển PID cho hệ thống gia nhiệt 3.3.1. Khởi động phần mền SIMATIC 3.3.1. Khởi động phần mền SIMATIC

Khởi động phần mềm SIMATIC bằng cách doule click và biểu tƣợng của phần mềm SIMATIC.

Tạo Project mới và lựa chọn phần cứng: Click vào nút “Next” và lự chọn CPU 313C

3.3.2 Cài đặt giao thức truyền thông cho PLC

Trong quá trình kết nối với PLC ta sử dụng cáp kết nối MPI nên ta phải cài đặt truyền thông là MPI . Chọn mục Options/ Set PG/PC Interface. Ta đƣợc cửa sổ giao diện Set PG/PC Interface, trên cửa sổ giao diện ta chọn hình thức giao tiếp là “PC Adapter (MPI)”.

3.3.3. Xây dựng phần cứng cho PLC, cài đặt thời gian chƣơng trình ngắt

Doule Click vào biểu tƣợng Hardware trên Project ta có giao diện sau :

Cài đặt thời gian gọi chƣơng trình ngắt OB35 : Doule Click vào CPU313C , lựa chọn cửa sổ “Cyclic Interrupts” và cài đặt thời gian gọi là 100ms.

42

3.3.4. Định địa chỉ vào ra cho module analog

Doule click vào AI5/AI2, chọn cửa sổ Addresses và định địa chỉ vào ra nhƣ sau :

Lựa chọn kiểu tín hiệu analog input và ouput. Lựa chọn kiểu tín hiệu vào là điện áp giá trị từ 0-10V

Giá trị điện áp ra có giá trị từ 0-10V

3.3.5. Khởi tạo chƣơng trình chính OB1, chƣơng trình ngắt OB35 .

Sau khi lựa chọn CPU 313C, tiếp tục click vào nút “Next” và chọn OB1 và OB35 nhƣ hình:

Tiếp tục click vào nút “ Next” và đặt tên cho Project mới, sau đó click vào nút Finish để kết thúc bƣớc khởi tạo Project :

44

Sau khi kết thúc ta có giao diện nhƣ sau:

Khởi tạo khối PID FB41 trên chƣơng trình ngắt OB35. Từ giao diện chính doule click vào OB35

Gọi khối FB41 theo đƣờng link sau : “ Libraries/Stadard Library/ PID Control Blocks/ FB41 CONT_C ICONT.

46

3.3.6. Lập trình chƣơng trình cho OB35 và OB1

Chƣơng trình lập trình cho OB1

48

Trên khối DB41 các địa chỉ MD0 (giá trị SP ), MD20 (hệ số Gain), MD12 (hệ số Ti) đƣợc gán giá trị từ WinCC.

3.4 Lập trình giao diện ngƣời máy trên nền WinCC 3.4.1. Các bƣớc để tạo một Project mới với WinCC 3.4.1. Các bƣớc để tạo một Project mới với WinCC

Để tạo 1 Project mới trong WinCC, ta tiến hành theo các bƣớc sau: +Tạo ra 1 Project.

+Chọn và thiết lập Driver kết nối với PLC.

+Tạo ra các Tag liên kết với các địa chỉ của PLC mà ta cần sử dụng. +Tạo ra màn hình giao diện.

+Xác lập các thông số trong WinCC Runtime. +Kích hoạt giao diện của Project.

3.4.2. Giới thiệu sơ lƣợc các bƣớc

Bước 1: Tạo ra 1 Project

Khi vào màn hình của WinCC. Dùng phím chuột trái kích vào FileNew thì

trên màn hình sẽ xuất hiện các mục chọn sau:

Dùng chuột chọn mục Single-User System sau đó ấn phím OK để xác nhận. Sau khi đặt tên và đƣờng dẫn cho Project ứng dụng thì ta bắt đầu vào bƣớc 2.

50

Bước 2: Cài đặt Driver kết nối với PLC. Trong cửa sổ Project ta mới tạo:

Kích chuột phải vào Tag ManagementAdd New Driver sau đó chọn loại Driver phù hợp với loại PLC mà ta sử dụng (Trong luận văn là loại SIMATIC S7 Protocol Suite.CHN) sau đó kích chuột vào nút Open. Khi đó ta đã chọn xong loại Driver mong muốn.

Kích chuột phải vào MPINew Driver Connection. Hộp thoại Connection properties xuất hiện:

Đánh tên xong, ấn phím OK xác nhận, rồi tiến hành bƣớc 3.

Chú ý: Để liên kết được giữa PLC với WinCC thì trong mục Connection của hộp thoại Connection properties ta cần xác lập các thông số như sau:

Đánh vào tên

liên kết với PLC mà ta

52

Bước 3: Tạo ra các Tag

Giả sử trong hộp thoại Connection properties ta đặt tên là “PLC” thì khi kích chuột

phải vào PLC:

Chọn mục New Tag, hộp thoại Tag Properties sẽ hiện ra

Chọn xong ấn nút Select để mở hộp thoại Address properties :

Chọn kiểu dữ liệu của Tag Đặt tên Tag

Ta chọn, xác định loại dữ liệu và địa chỉ trong PLC cho Tag mà ta vừa tạo ra. An phím OK để xác nhận.

Bước 4: Tạo ra màn hình giao diện.

Trong cửa sổ chính của WinCC, kích chuột phải vào biểu tƣợng Graphic Designerchọn New Picture. Sau đó kích đôi vào biểu tƣợng NewPdl0.pdl.

Kích đôi chuột vào đây

54

Sau khi kích chuột xong, ta sẽ vào màn hình Graphics Designer.

Ta tiến hành tạo giao diện theo ý muốn. Sau khi tạo xong ta cần liên kết những biểu tƣợng vừa tạo với các Tag tƣơng ứng đã tạo ra ở Bước 3.

Bước 5 :Xác lập các đặc tính thời gian chạy trong WinCC

Trong cửa sổ chính của màn hình, kích chuột phải vào biểu tƣợng Computer trong Project, sau đó chọn Properties, xác lập các thông số nhƣ sau:

Thƣ viện chứa các công cụ cần

sử dụng

Bước 6:Kích hoạt giao diện trong WinCC

Để chạy Project vừa tạo, ta kích vào biểu tƣợng trên thanh công cụ của WinCC

Hình 3.2.Giao diện WinCC cho hệ thống gia nhiệt sử dụng S7- 300

3.5 Kết quả thực nghiệm

Áp dụng bộ điều khiển PI đƣợc xác định trong chƣơng 2 theo phƣơng pháp Tối ƣu mô đun, ta đƣợc nhƣ sau:

) 805 , 322 1 1 ( 099 , 133 ) 1 1 ( ) ( ) ( s s T K s G s G I p PI dk      Nhiệt độ đặt là 0 50 T = C

56

Đáp ứng của hệ thống gia nhiệt, và tín hiệu điều khiển:

Nhiệt độ đặt Nhiệt độ đầu ra

Khi nhiễu phụ tải: hai van điện từ 30% để cấp nƣớc lạnh vào trong bình gia nhiệt

Nhận xét: Với nhiệt độ đặt là 500C, sau khoảng thời gian 148 giây từ 3:40:40 đến 3:43:8 (3 giờ: 43 phút: 8 giây) là hệ thống đạt trạng thái xác lập. Độ quá điều chỉnh là 2.5%. Khi có nhiễu tác đông tại thời điểm 3:48:19, bộ điều khiển đƣa ra tác động cho đến khi hệ gia nhiệt đạt 500

C.

Khi có sự thay đổi tín hiệu đặt ở đầu vào, cụ thể nhiệt độ đặt 0

70C

T =

Nhiễu phụ tải Nhiệt độđặt Nhiệt độ đầu ra

58

Nhiệt độ đặt Nhiệt đầu ra

Nhiệt độ môi trƣờng

Khi có nhiễu phụ tải tác động: cụ thể mở thêm hai van điện từ 30% để cấp nƣớc lạnh vào trong bình gia nhiệt:

Nhận xét:

- Khi có sự thay đổi tín hiệu đặt cụ thể tăng 700C, bộ điều khiển tác động tín hiệu điều khiển làm cho nhiệt độ bình gia nhiệt tăng lên sau khoảng thời gian là 150 giây.

- Khi có nhiễu phụ tải tác động cụ thể tăng thêm 30% lƣợng nƣớc lạnh bơm vào bình gia nhiệt, là cho nhiệt độ trong bình giảm xuống, tuy nhiên do tác động của bộ điều khiển làm cho nhiệt độ trong bình gia nhiệt tăng lên bằng nhiệt độ đặt,

- Cả hai điều trên chứng tỏ tính ổn định và bền vững của bộ điều khiển đƣợc thực thi trên PLC S7 300

Nhiễu phụ tải Nhiệt đầu ra

60

Kết luận chƣơng 3

Chƣơng 3 tác giả đã giải quyết các vấn đề sau:

- Tìm hiểu các Modul đọc tín hiệu đầu vào FC105 và Modul xuất tín hiệu