Tài liệu Nghiên cứu khai thác một số module điều khiển quá trình của hệ simatic s7 300

Bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o Tr−êng ®¹i häc N«ng nghiÖp hµ néI --------------- Vò xu©n phong Nghiªn cøu khai th¸c mét sè module ®iÒu khiÓn qu¸ tr×nh cña hÖ SIMATIC S7-300 luËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt Chuyªn ngµnh : ®iÖn khÝ ho¸ s¶n xuÊt n«ng nghiÖp vµ n«ng th«n M· sè : 60.52.54 Ng−êi h−íng dÉn khoa häc: pgs.ts. phan xu©n minh Hµ néi – 2008 LỜI CAM ðOAN Tôi xin cam ñoan rằng ñây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong bản luận văn này là trung thực và chưa ñược công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào trước ñó. Tôi xin cam ñoan rằng các thông tin trích dẫn trong bản luận văn của tôi ñều ñược chỉ rõ nguồn gốc. Tác giả Vũ Xuân Phong Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………i LỜI CẢM ƠN ðể hoàn thành luận văn này, trong thời gian qua tôi nhận ñược sự giúp ñỡ nhiệt tình của quí thầy, cô giáo bộ môn ðiện kỹ thuật- Khoa Cơ ñiện trường ðại học NNHN, của qui thầy quí giáo bộ môn ðiều khiển tự ñộng- ðH BK Hà Nội. Tôi xin trân trọng cảm ơn quí thầy, cô bộ môn ðiện kỹ thuật, Khoa Cơ ñiện, Khoa SðH, Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội. Xin trân trọng gửi lời cảm ơn ñến quí thầy, cô giáo bộ môn ðiều khiển Tự ñộng- ðHBK Hà Nội. ðặc biệt, xin trân trọng gửi lời cảm ơn ñến PGS-TS Phan Xuân Minh- Người trực tiếp hướng dẫn ñã tận tình giúp ñỡ và ñóng góp nhiều ý kiến quí báu ñể tôi hoàn thành bản luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Cao ñẳng nghề Cơ ñiện Xây dựng & Nông Lâm Trung Bộ, khoa Khoa Kỹ thuật ñiện – nơi tôi ñang công tác ñã tạo mọi ñiều kiện thuận lợi ñể tôi hoàn thành khóa học. Trong quá trình thực hiện ñề tài không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận ñược ý kiến của quí thầy cô giáo và các bạn ñồng nghiệp. Tôi xin chân trọng cảm ơn! Tác giả Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………ii MỤC LỤC MỞ ðẦU................................................................................................................ 1 PHẦN 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN ................................................................. 3 1.1 Khái quát về kỹ thuật ñiều khiển .................................................................. 3 1.2. Thiết bị ñiều khiển khả trình (PLC) .............................................................. 6 1.3 Hệ SIMATIC PLC S7-300 ........................................................................... 8 1.3.1 PLC là gì? ............................................. Error! Bookmark not defined. 1.3.2. Nguyên lý chung và cấu trúc bộ PLC..................................................... 6 1.3.3. Hệ PLC S7-300 ................................. Error! Bookmark not defined. 1.3.4. Các module của PLC S7-300............................................................... 10 1.4 Phần mềm STEP – 7................................................................................... 12 1.4.1 STEP7 ñịnh nghĩa và chức năng .......................................................... 12 1.4.2 Bộ chương trình STEP7 chuẩn (STEP7 Standard Package) .................. 12 PHẦN 2 MODULE ðIỀU KHIỂN MỀM TRONG STEP 7................................. 17 2.1 Module ñiều khiển quá trình........................................................................ 17 2.1.1 Modul ñiều khiển liên tục với FB41 “CONT_C” .................................. 18 2.1.2 Modul ñiều khiển bước FB42 “CONT_S” ............................................ 28 2.1.3 Khối tạo hàm xung FB43 “ PULSEGEN”............................................. 30 2.1.4 Một số chú ý khi sử dụng modul mềm PID........................................... 38 2.2 Module xử lý tín hiệu .................................................................................. 38 2.2.1 Hàm chuyển ñổi tín hiệu “SCALE” FC105........................................... 38 2.2.2 Hàm chuyển ñổi ngược “UNSCALE” FC106 ....................................... 39 PHẦN 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG CỤ ................................................... 42 3.1 Giới thiệu System Toolbox Indentification (SIT)........................................ 42 3.1.1 Nhận dạng ñối tượng ñiều khiển ........................................................... 42 3.1.2 Mô hình hóa ñối tượng sử dụng công cụ System Identification ToolBox ...................................................................................................................... 43 3.2 Bộ ñiều khiển PID ...................................................................................... 47 3.2.1 Bộ ñiều khiển PID ................................................................................ 47 3.2.2. Một số tác ñộng phụ không mong muốn và phương pháp ngăn ngừa ...... 49 3.2.3 Một số phương pháp lựa chọn cấu trúc và tính toán tham số trên cở sở bộ ñiều khiển PID .............................................................................................. 50 3.4 Một số thuật toán ñiều khiển quá trình phát triển trên nền bộ ñiều khiển PID .......................................................................................................................... 57 3.4.1 Thuật toán ñiều khiển Cascade ............................................................. 57 3.4.2 Thuật toán ñiều khiển có bù ảnh hưởng của nhiễu từ tín hiệu ñặt (setpoin) ...................................................................................................................... 58 PHẦN 4 CÀI ðẶT BỘ ðIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNHTRÊN NỀN CÁC MODULE ðIỀU KHIỂN MỀM CỦA STEP 7....................................................................... 60 4.1 Cài ñặt bộ ñiều khiển PID bằng module mềm FB41 “CONT_C” và khối hàm tạo xung FB43 “PUSEGEN”............................................................................. 60 4.2 Cài ñặt bộ ñiều khiển Cascade trên cở sở FB 41 “CONT_C”.................. 62 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………iii 4.3 Cài ñặt bộ ñiều khiển bù ảnh hưởng của nhiễu từ tín hiệu ñặt bằng FB 41 “CONT_C” ......................................................................................................... 63 PHẦN 5 ỨNG DỤNG THÍ NGHIỆM TRÊN LÒ NHIỆT ðIỆN TRỞ ....................... 66 2,3 KVA ................................................................................................................ 66 5.1. ðặc ñiểm bộ thí nghiệm ñiều khiển lò ñiện trở ........................................... 66 5.1.1. Sơ ñồ thí nghiệm ................................................................................. 66 5.1.2 Các thành phần trong sơ ñồ thí nghiệm................................................. 66 5.2 Chọn tham số bộ ñiều khiển PID cho lò ñiện trở......................................... 68 5.2.1 Mô hình hóa lò ñiện trở bằng công cụ System Identifcation Toolbox trong MATLAB ............................................................................................ 68 5.2.2 Chọn tham số bộ ñiều khiển PID cho lò ñiện trở................................... 71 5.3 Kết quả thí nghiệm ñiều khiển lò nhiệt sử dụng bộ ñiều khiển PID trên cơ sở các module mềm trong STEP7 .......................................................................... 72 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................................... 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................... 80 PHỤ LỤC ............................................................................................................. 81 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BðK Bộ ñiều khiển ðTðK ðối tượng ñiệu khiển HTðK Hệ thống ñiều khiển Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………v DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 ðối tượng ñiều khiển ............................................................................... 4 Hình 1.2 Hệ thống ñiều khiển vòng hở ................................................................... 4 Hình 1.3 Hệ thống ñiều khiển vòng kín................................................................... 5 Hình 1.4 Sơ ñồ nguyên lý cấu trúc của bộ PLC ...................................................... 7 Hình 1.5 Hệ thống ñiều khiển có một PLC .............................................................. 9 Hình 1.6 Hệ thống ñiều khiển phức tạp ................................................................. 10 Hình 1.7 SIMATIC S7 300 của SIEMENS .............................................................. 9 Hình 1.8 Sơ ñồ kết nối các module của S7-300 trên rack...................................... 12 Hình 1.9 Giao diện màn hình Simatic Manager .................................................... 13 Hình 1.10 Giao diện chức năng chỉnh sửa tên hình thức (symbol)......................... 14 Hình 2.1 Sơ ñồ cấu trúc của khối FB41................................................................. 19 Hình 2.2 Sơ ñồ cấu trúc chức năng ñiều khiển của khối FB41 ............................. 20 Hình 2.3 Giao diện tạo khối DB mới ..................................................................... 21 Hình 2.4 Gán tham số cho khối FB 41 .................................................................. 21 Hình 2.5 Khối Dead Band ..................................................................................... 23 Hình 2.6 Sơ ñồ cấu trúc khối FB 42 ..................................................................... 29 Hình 2.7 Sơ ñồ của khối tạo xung của FB 43 ....................................................... 31 Hình 2.8 Nguyên lý tạo xung của FB43................................................................ 31 Hình 2.9 Biểu ñồ ñặc tính ở chế ñộ ñiều khiển 3 vị trí. ......................................... 34 Hình 2.10 Biểu ñồ ñặc tính ở chế ñộ 3 vị trí không ñối xứng ................................ 35 Hình 2.11 Biểu ñồ ñặc tính ở chế ñộ 2 vị trí ......................................................... 36 Hình 2.12 Biểu ñồ ñặc tính ở chế ñộ ñiều khiển 2 vị trí 0-100%........................... 36 Hình 2.13 Dạng LAD của hàm FC105 .................................................................. 39 Hình 2.14 Dạng LAD của hàm FC106 ................................................................. 41 Hình 3.1 Giao diện của System Identification Tool GUI........................................ 46 Hình 3.2 Cấu trúc bộ ñiều khiển PID .................................................................... 48 Hình 3.3 Cấu trúc bộ hiệu chỉnh khắc phục hiện tượng “Windup” ....................... 50 Hình 3.4 Xác ñịnh thông số ñối tượng từ hàm quá ñộ ........................................... 51 Hình 3.5 Cấu trúc hệ thống thực nghiệm ñể xác ñịnh kth và Tgh ........................... 53 Hình 3.6 Hàm quá ñộ h(t) thích ứng vói phương pháp Chien- Hrones- Reswic ..... 54 Hình 3.7 Mối quan hệ giữa diện tích và tổng các hằng số thời gian ...................... 56 Hình 3.8 Cấu trúc BðK theo nguyên lý Cascade................................................... 58 Hình 3.9 Cấu trúc bộ ñiều khiển có bù nhiễu từ tín hiệu ñặt................................. 58 Hình 4.1 Cấu trúc chương trình trong khối OB35 ................................................. 61 Hình 4.2 Sơ ñồ nguyên lý ñiều khiển PID trong khối OB 35 ..................................... 61 Hình 4.3 Sơ ñồ nguyên lý ñiều khiển Cascade trong khối OB 35............................... 62 Hình 4.4 Project của chương trình bộ ñiều khiển Cascade trong STEP7................... 63 Hình 4.5 Cấu trúc bộ ñiều khiển bù ảnh hưởng nhiễu ........................................... 64 Hình 4.6 Sơ ñồ nguyên lý ñiều khiển bù nhiễu trong khối OB35........................... 64 Hình 4.7 Project của chương trình bộ ñiều khiểnbù nhiễu trong STEP7 ................... 65 Hình 5.1 Sơ ñồ bố trí thí nghiệm .......................................................................... 66 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………vi Hình 5.2 Xung ñiện áp cấp cho lò nhiệt................................................................. 67 Hình 5.3 Giao diện của System Identification Tool và cửa sổ import data............ 70 Hình 5.4 Ước lượng mô hình quán tính bậc nhất có trễ........................................ 70 Hình 5.5 ðồ thị so sánh ñầu ra ño ñược với tập số liệu ñầu ra từ mô phỏng ........ 71 Hình 5.7 Sơ ñồ bộ ñiều khiển PID trong STEP7................................................... 73 Hình 5.8 Tạo Project “Bộ ñiều khiển nhiệt ñộ” trong STEP7 ............................. 74 Hình 5.9 Khai báo ñặt cấu hình cứng cho Project................................................ 74 Hình 5.10 Tạo Project mới trong WinCC ............................................................. 75 Hình 5.11 ðặt tên cho Project mới và ñường dẫn ................................................ 75 Hình 5.12 Chọn trạm SIMATC S7 ......................................................................... 76 Hình 5.13 Chọn kết nối cáp MPI.......................................................................... 76 Hình 5.14 Tạo các Tag.......................................................................................... 76 Hình 5.15 ðặc tính nhiệt ñộ lò qua thực nghiệm ñiều khiển PID trên hệ SIMATIC 77 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Kết hợp công tắc chuyển mạch.............................................................. 33 Bảng 2.2 Ví dụ về ñiều khiển nhiệt ñộ ................................................................... 33 Bảng 2.3 Tín hiệu ở chế ñộ ñiều khiển 2 vị trí ....................................................... 37 Bảng 2.4 Chế ñộ ñiều khiển 2 và 3 vị trí trong manual mode ................................ 37 Bảng 2.5 Giá trị của các biến của FC106 ............................................................ 40 Bảng 3.1 Công thức chuyển ñổi giữa bộ PID_ADD và PID_MUL ........................ 49 Bảng 3.2 Tham số bộ ñiều khiển Ziegler Nichols theo phương pháp 1 .................. 52 Bảng 3.3 Tham số bộ ñiều khiển Ziegler Nichols theo phương pháp 2 .................. 53 Bảng 3.4 Tham số BðK yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín không có ñộ quá ñiều chỉnh..................................................................................................................... 54 Bảng 3.5 Tham số BðK yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín có ñộ quá ñiều chỉnh ∆h<25%. .............................................................................................................. 54 Bảng 3.6 Tham số BðK yêu cầu tối ưu theo theo tín hiệu ñặt trước có ñộ quá ñiều chỉnh ∆h ≤ 20%. ................................................................................................... 55 Bảng 3.7 Tham số BðK yêu cầu tối ưu theo theo tín hiệu ñặt trước và không có ñộ quá ñiều chỉnh ∆h ≤ 20%. ..................................................................................... 55 Bảng 3.8 Tham số BðK ưu tiên chế ñộ chống nhiễu theo phương pháp tổng Kunh ............................................................................................................................. 56 Bảng 3.9 Tham số BðK ưu tiên chế ñộ tác ñộng nhanh theo phương pháp tổng Kunh ..................................................................................................................... 57 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………viii MỞ ðẦU Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ, các thiết bị ñiều khiển số “thông minh” ngày càng ñược sử dụng phổ biến trong các hệ thống ñiều khiển; các dây chuyền sản xuất ngày càng ñược thiết kế hoàn chỉnh và ñồng bộ các giải pháp tự ñộng hóa cao. ðặc biệt với việc sử dụng của PLC trong kỹ thuật ñiều khiển tự ñộng ngày càng tạo ñiều kiện thuận lợi cho việc xây dựng các sách lược và thuật toán ñiều khiển, các hệ thống ñiều khiển ngày càng linh hoạt và tối ưu . Các hệ tự ñộng tích hợp trọn gói như DCS, SCADA là các giải pháp không thể thiếu trong các giải pháp ñiều khiển tự ñộng công nghiệp. Ở nước ta, các thiết bị ñiều khiển logic khả trình PLC của hãng SIEMENS hiện nay ñang ñược dùng khá phổ biến. Việc nghiên cứu khai thác triệt ñể những tính năng của chúng trong kỹ thuật ñiều khiển là rất cần thiết, nó cho phép chúng ta phát huy tối ña tính năng công dụng của thiết bị; thực hiện ñược nhiều bài toán ñiều khiển mà không cần tăng thêm chi phí ñầu tư thêm thiết bị. Vì vậy, trọng tâm của luận văn là tập trung nghiên cứu và ứng dụng một số module ñiều khiển quá trình tích hợp trong phần mềm STEP7 và hệ SIMATIC S7-300 của hãng SIEMEN, ứng dụng thí nghiệm kiểm chứng trên lò ñiện trở 2,3 kVA tại phòng thí nghiệm. Nội dung ñề tài bao gồm các vấn ñề sau: Nghiên cứu tổng quan về thiết bị ñiều khiển, thiết bị ñiều khiển logic khả trình PLC và phần mềm STEP7 của hệ PLC SIMATIC S7-300 (Phần 1). Nghiên cứu ñặc ñiểm, cấu trúc, nguyên lý làm việc, các tham số ñầu vào ñầu ra của các module mềm PID tích hợp sẵn trong STEP7: FB41, FB42, FB43; các module xử lý tín hiệu FC105, FC106. (Phần 2). Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………1 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và công cụ ñể mô hình hóa ñối tượng và xây dựng một số thuật toán ñiều khiển sử dụng các module ñiều khiển quá trình của hệ SIMATIC S7-300 (Phần 3). Nghiên cứu cài ñặt một số bộ ñiều khiển PID sử dụng các module ñiều khiển quá trình của hệ SIMATIC S7-300 (Phần 4). Thí nghiệm kiểm chứng trên bộ thí nghiệm ñiều khiển lò ñiện trở, so sánh với một số bộ ñiều khiển khác. Từ ñó rút ra kết luận thực tiễn và những ñề xuất kiến nghị (Phần 5). Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………2 PHẦN 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Khái quát về kỹ thuật ñiều khiển ðiều khiển trong kỹ thuật ñược hiểu là khoa học nghiên cứu về quá trình thu thập, xử lý tín hiệu và ñiều khiển các quá trình và hệ thống thiết bị kỹ thuật. ðó là tập hợp tất cả các tác ñộng mang tính tổ chức của một quá trình nào ñó nhằm ñạt ñược mục ñích mong muốn của quá trình ñó. Hệ thống ñiều khiển (Controll System-HTðK) mà không có sự tham gia trực tiếp của con người ñược gọi là HTðK tự ñộng [2]. Kỹ thuật ñiều khiển phát triển từ rất xa xưa. Tuy nhiên, cho ñến những năm 1940 của thế kỷ XX, cơ sở lý thuyết ñiều khiển tự ñộng ñược hình thành. Khi ñó, các phương pháp khảo sát hệ “một ñầu vào, một ñầu ra SISO” như: Hàm truyền và biểu ñồ Bode ñể khảo sát ñáp ứng tần số và ổn ñịnh; biểu ñồ Nyquist và dự trữ ñộ lợi /pha ñể phân tích tính ổn ñịnh của hệ kín. Vào cuối những năm 1940 và ñầu những năm 1950 phương pháp ñồ thị nghiệm của Evans ñã ñược hoàn thiện. Giai ñoạn này ñược coi là “ñiều khiển cổ ñiển” [10]. ðến những năm 1960, là giai ñoạn phát triển của kỹ thuật ñiều khiển ñược gọi là “ñiều khiển hiện ñại” (Modern Control). Hệ kỹ thuật ngày càng trở nên phức tạp, có “nhiều ñầu vào, nhiều ñầu ra - MIMO”. Và phương pháp ñiều khiển bằng biến trạng thái, lý thuyết ñiều khiển tối ưu có những bước phát triển lớn dựa trên nền tảng nguyên lý cực ñại của Pontryagin và lập trình ñộng lực học của Bellman. ðồng thời, lọc Kalman ñược hoàn thiện và nhanh chóng trở thành công cụ chuẩn, ñược sử dụng trong nhiều lĩnh vực ñể ước lượng trạng thái bên trong của hệ từ tập nhỏ các tín hiệu ño ñược [10]. Bắt ñầu từ những năm 1980, ứng dụng những thành tựu của toán học, các nghiên cứu về ñiều khiển ñã ñưa ra ñược các phương pháp thiết kế bộ ñiều Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………3 khiển (BðK) ñể một hệ kỹ thuật vẫn ñảm bảo ñược các tính năng sử dụng khi có tác ñộng của nhiễu và sai số- “kỹ thuật ñiều khiển bền vững hệ ña biến” . Trong hai thập kỷ cuối, nhiều nhánh mới về ñiều khiển cũng ñã hình thành, ñó là: thích nghi, phi tuyến, hổn hợp, mờ và neural [10]. Một hệ thống ñiều khiển là một liên kết của nhiều thành phần, tạo nên một cấu hình hệ thống có khả năng ñáp ứng một nhu cầu nhất ñịnh. Một thành phần hay một quá trình (Process) cần ñược ñiều khiển ñược gọi là ñối tượng ñiều khiển (ðTðK), ñược biểu diễn bằng một khối có ñầu vào và ñầu ra. Quan hệ vào – ra thể hiện mối quan hệ nhân quả của quá trình ñiều khiển, trong ñó tín hiệu vào ñược xử lý nhằm tạo ra một tín hiệu ra, thường là với năng lượng ñã ñược khuyếch ñại [1]. vào ra ðT ðK Hình 1.1 ðối tượng ñiều khiển Một HTðK ñơn giản nhất bao gồm một bộ ñiều khiển (BðK) tác ñộng lên một ðTðK và ñược gọi là HTðK vòng hở (open loop), việc sử dụng BðK nhằm ñiều khiển một quá trình ñáp ứng một yêu cầu xác ñịnh trước. ðáp ứng mong muốn BðK ra ðT ðK Hình 1.2 Hệ thống ñiều khiển vòng hở Trong ñó, ðTðK là thành phần tồn tại khách quan có tín hiệu ra là ñại lượng cần ñiều khiển và nhiệm vụ cơ bản của thiết bị ñiều khiển là phải tác Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………4 ñộng lên ñầu vào của ðTðK sao cho ñại lượng ñiều khiển ñạt ñược yêu cầu mong muốn. Thiết bị ñiều khiển (TBðK) là tập hợp tất cả các thiết bị của hệ thống nhằm tạo ra tín hiệu ñiều khiển tác ñộng lên ðTðK. Trái với HTðK vòng hở, một HTðK vòng kín (closed loop) ñược sử dụng thêm một giá trị ño của tín hiệu ra thực sự ñể so sánh với ñáp ứng ñầu ra ñược mong muốn cho quá trình cần ñiều khiển. giá trị ño này ñược gọi là tín hiệu phản hồi (feedback signal). Sơ ñồ khối của bộ ñiều khiển vòng kín ñược thể hiện hư hình vẽ [1]. ðáp ứng mong muốn So sánh BðK ra ðT ðK ra Hệ ño Hình 1.3 Hệ thống ñiều khiển vòng kín Hệ thống ñiều khiển phản hồi thường sử dụng hàm mô tả mối quan hệ xác ñịnh trước giữa tín hiệu ra với tín hiệu vào ñối sánh ñể ñiều khiển. Thường thì sự sai khác tín hiệu ra và tín hiệu vào ñối sánh ñược khuyếch ñại và sử dụng ñể ñiều khiển sao cho sự sai khác liên tục giảm. Ngày nay, hầu như trong bất cứ ngành kinh tế kỹ thuật nào nhất là các ngành công nghiệp, ở ñâu cũng áp dụng kỹ thuật ñiều khiển tự ñộng hoá và vì thế ñã làm thay ñổi diện mạo nhiều ngành sản xuất, dịch vụ. ðã xuất hiện những nhà máy không có người, văn phòng không có giấy, cuộc chiến không có lính, rồi ñến những thuật ngữ máy thông minh, thiết bị thông minh v.v. Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………5 1.2. Thiết bị ñiều khiển khả trình (PLC) Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của lý thuyết ñiều khiển, các thiết bị ñiều khiển hiện ñại, “thông minh” ñã ñược ra ñời ñể giải quyết các bài toán ñiều khiển lớn cho những HTðK phức tạp. Hệ ñiều khiển này ñã xử lý hàng ngàn thông tin lấy từ cảm biến ñể ñiều khiển hàng trăm cơ cấu chấp hành: van, cấp nhiệt, bơm v. v. ñể cho ra sản phẩm với yêu cầu khắt khe về tính năng kỹ thuật. PLC (Programable Logic Controller) là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán ñiều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình thay cho việc phải thể hiện thuật toán ñó bằng mạch số. Như vậy, với chương trình ñiều khiển trong mình, PLC trở thành một bộ ñiều khiển số nhỏ gọn dễ thay ñổi thuật toán và ñặc biệt dễ trao ñổi thông tin với môi trường xung quanh (với PLC khác hoặc với máy tính). Toàn bộ chương trình ñiều khiển ñược lưu nhớ trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình và ñược thực hiện thực hiện lặp theo chu kỳ của vòng quét. PLC là một cụm từ chỉ tất cả các linh kiện, thiết bị hay một nhóm sản phẩm nào ñó kết hợp lại, những thiết bị này ñược lập trình tuân thủ các tác vụ logic ñể tạo nên một HTðK bán tự ñộng hoặc thuần tự ñộng. Nguyên lý chung và cấu trúc bộ PLC Hiện nay có khá nhiều hãng sản xuất PLC, nhưng nhìn chung trong cấu trúc ñược mô tả dưới ñây. * Sơ ñồ khối của PLC Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………6 CPU Bộ nhớ chương trình Bộ ñệm vào/ ra Khối xử lý trung tâm + Hệ ñiều hành Timer Counter Bit cờ Cổng vào/ ra onboard Cổng ngắt và ñếm tốc ñộ cao Bus của PLC Quản lý ghép nối Hình 1.4 Sơ ñồ nguyên lý cấu trúc của bộ PLC Cấu trúc BðK lập trình ñược rất gần gũi với máy tính PC (Personal Computer). Thành phần của PLC bao gồm: CPU (Central Preccesing Unit), RAM (Random-Access Memory), các bộ xử lý vào/ra, các bộ xử lý toán học và các thành phần khác tương tự như PC nhưng ñược chế tạo ñặc thù thích nghi với sử dụng vận hành trong môi trường công nghiệp. Cổng vào (input) của PLC bao gồm các thiết bị nhập logic (S/W contact, sensor digital, sensor analog, contac, bộ nhập panel số, HMI) ñưa ra ñồng thời một loạt các tác vụ ra lệnh cho PLC thi hành, có thể là một ñoạn chương trình thông qua ñường truyền thông và ñược lưu giữ trong bộ nhớ nội của PLC, Các lệnh logic ñược lập trình sẽ xử lý sẽ xử lý và thực thi từ các cổng vào sau ñó kết quả xử lý trả về qua ñường cổng ra (output) có thể là các relay, Tranzitor, Triac, kiểu ñiện áp thay ñổi ñược hay vòng dòng ñiện (4-20A), một nhóm bít ñơn hoặc thậm chí là cả một loạt các dòng lệnh có dung lượng lớn xuất ra một cổng (port) truyền thông khác [3]. Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………7 Ngày nay, các HTðK tự ñộng sử dụng thiết bị ñiều khiển khả trình (Programable Logic Controller- PLC) ngày càng phổ biến. Với những tính năng ưu việt như: cấu trúc nhỏ gọn, tốc ñộ xử lý thời gian thực cao, nhiều chức năng ñiều khiển, có ñộ mềm dẻo sử dụng rất cao, cộng với khả năng kết nối với các TBðK, theo dõi giám sát… ñã tạo cho PLC một khả năng làm việc linh họat và hiệu quả. Có thể nói, PLC như một máy tính số cho kỹ thuật ñiều khiển hiện ñại. Ở nước ta chủ yếu ñang sử dụng PLC của các hãng sản xuất PLC như SIEMENS, MITSHUBISHI, LG, SCHNEIDER…Các PLC hiện ñại ñược chế tạo ngày càng tối ưu và ñược module hóa tiện lợi cho việc sử dụng. Hiện nay, PLC của hãng Siemens là một trong những loại PLC ñược sử dụng phổ biến tại Việt Nam. Các PLC của hãng Siemens bao gồm các dạng: Simatic 505; Simatic S5; Simatic S7, C7. Trong ñó dòng Simatic S7 ñược sử dụng nhiều nhất trong các nhà máy xí nghiệp trong nước. Các họ PLC của dòng simatic S7 bao gồm: S7-200, S7-300, S7-400. 1.3 Hệ SIMATIC PLC S7-300 1.3.1 Khái quát về PLC S7-300 SIMATIC S7-300 là một hệ module PLC ( Modular PLC platform) ñã ñược tối ưu hóa ñể ñạt chất lượng cao trong các quá trình tự ñộng hóa, tiết kiệm giải pháp hệ thống trong kiến trúc ñiều khiển tập trung và phân tán. Hệ thống ñiều khiển sử dụng hệ SIMATIC S7-300 cung cấp HTðK tự ñộng trọn gói, bao gồm: Thiết bị ñiều khiển PLC S7, phần mềm lập trình STEP7, hệ thống giám sát HMI trên mát tính PC sử dụng phần mềm giám sát WinCC. Vấn ñề nghiên cứu khia thác sử dụng hệ SIMATIC S7 ñã ñược nhiều tài liệu ñề cập. Tuy nhiên trong phạm vi ñề tài, tôi chỉ ñề cập ñến nghiên cứu khai thác ứng dụng một số module mềm ñiều khiển quá trình ñược hỗ trợ trong phần mềm STEP 7 ñể sử dụng ñiều khiển các thông số quá trình như ñiều khiển áp suất, lưu lượng, nhiệt ñộ… Nhằm góp phần khai thác, sử dụng Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………8 có hiệu quả hệ SIMATIC S7-300 trong kỹ thuật ñiều khiển. Module PS Module CPU Module SM Module CP Hình 1.5 SIMATIC S7 300 của SIEMENS Một hệ thống có thể có 1 PLC hoặc gồm nhiều PLC kết qua MPI bus Cáp tải chương trình Tải chương trình Module ñầu ra Module ñầu vào Hình 1.6 Hệ thống ñiều khiển có một PLC Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………9 ðối với hệ thống ñiều khiển phức tạp gồm nhiều trạm PLC kết nối với nhau, với các thiết bị ñiều khiển, ño lượng khác qua MPI bus. S7-400 MPI-Bus Hình 1.7 Hệ thống ñiều khiển phức tạp 1.3.2. Các module của PLC S7-300 ðể tăng tính sử dụng mềm dẻo trong ứng dụng thực tế, hê SIMATIC S7300 ñược chia nhỏ thành các module. Do vậy số module ñược sử dụng nhiều hay ít tùy thuộc vào bài toán ñiều khiển. Song bao giờ cũng phải có một module chính là module CPU, còn lại là các module nhận và truyền tín hiệu với các ñôi tượng ñiều khiển, các module chuyên dụng như PID, ñiều khiển ñộng cơ bước…chúng ñược gọi là các module mở rộng. Tất các các module ñược gắn trên các thanh ray (rack). - Module CPU Module CPU là module có chứa bộ vi xử lý, hệ ñiều hành, bộ nhớ, bộ ñịnh thời, bộ ñếm, , cổng truyền thông RS485 và có thể có vài cổng vào ra số trên module (onboard). Trong họ PLC có nhiều loại CPU khác nhau như module CPU312, module CPU314… Ngoài ra còn các loại module CPU với 2 cổng truyền thông trong ñó cổng truyền thông thứ 2 có chức năng chính là phục vụ việc nối mạng trong hệ ñiều khiển phân tán. Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………10 - Module mở rộng Các module mở rộng ñược chia làm 5 loại chính: (1) Module nguồn PS (Power Supply): module nguồn nuôi có 3 loại là 2A, 3A và 10A. (2) Module cổng tín hiệu SM (Signal Module): module cổng tín hiệu vào, ra bao gồm: • DI (Digital Input): module mở rộng các cổng vào số. Số các cổng vào số mở rộng có thể là 8, 16 hoặc 32 tùy thuộc vào loại module. • DO (Digital Output): module mở rộng các cổng ra số. Số các cổng ra số mở rộng có thể là 8, 16 hoặc 32 tùy thuộc vào loại module. • DI/DO (Digital Input/Digital Output ): module mở rộng các cổng vào/ra số. Số các cổng vào ra số mở rộng có thể là 8, 16 hoặc 32 tùy thuộc vào loại module. • AI (Analog Input): module mở rộng các cổng vào số tương tự, số các cổng vào tương tự có thể là 2,4, 8 tùy thuộc vào loại module. • AO (Analog Output): module mở rộng các cổng ra số tương tự, số các cổng ra tương tự có thể là 2,4, 8 tùy thuộc vào loại module. • AI/AO (Analog Input/Analog Output) module mở rộng các cổng vào/ra số tương tự, số các cổng vào ra tương tự có thể là 4 vào 2 ra, hoặc 4 vào 4 ra tùy thuộc vào loại module. (3) Module ghép nối IM ( Interface Module): là loại module có nhiệm vụ kết nối các module mở rộng lại với nhau thành một khối và ñược quản lý chung bởi module CPU. (4) Module chức năng FM ( Function Module) Là module chức năng có chức ñiều khiển riêng, ví dụ như module PID, module ñiều khiển ñộng cơ bước, module ñiều khiển ñộng cơ servo, module ñiều khiển vòng kín. Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………11