Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Trường: Xây dựng mô hình điều khiển nhiệt độ phục vụ chương trình đào tạo của bộ môn điện, khoa Điện cơ, Trường Đại học Hải Phòng

Mục tiêu Xây dựng module thực hành điều khiển nhiệt độ ứng dụng vào học phần thực hành trong chương trình đào tạo của Bộ môn Điện, Khoa Điện – Cơ, Đại học Hải Phòng.. Tính mới và sáng t

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG NĂM HỌC 2019 - 2020

XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ PHỤC VỤ CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO CỦA BỘ MÔN ĐIỆN, KHOA ĐIỆN

– CƠ, TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG

<ĐT.CN.2020.06>

Chủ nhiệm đề tài : Thạc sỹ Vũ Văn Tú

Thành viên tham gia : Nguyễn Thị Thắm

Nguyễn Thị Thu Hiền

Bùi Văn Điệp

Đơn vị : Khoa Điện Cơ

Hải Phòng, 09/2020

i

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

1.1 Giới thiệu chung về PLC S7-1200 5

1.1.1 Khái niệm PLC S7-1200 5

1.1.2 Các module trong hệ PLC S7-1200 6

1.2 Làm việc với phần mềm Tia Portal 8

1.3 Làm việc với phần mềm WinCC 9

1.4 Cơ sở xây dựng bộ điều khiển PID của mô hình 11

1.4.1 Thuật toán điều khiển PID 11

1.4.2 Thiết kế bộ điều khiển PID theo phương pháp tương quan 23

1.5 Tìm hiểu khối hàm PID_COMPACT trong Tia Portal 27

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 31

2.1 Mô hình điều khiển nhiệt độ của lò nhiệt sử dụng PLC S7-1200 31

2.1.1 Xây dựng bài toán điều khiển nhiệt độ 31

2.1.2 Các thiết bị trong mô hình 32

2.2 Thiết kế sơ đồ mạch điện 39

2.2.1 Mạch điện động lực 39

2.2.2 Mạch điện điều khiển 39

2.2.3 Bố trí thiết bị trên Panel thực hành, thí nghiệm 39

2.3 Lưu đồ thuật giải điều khiển của chương trình 40

2.4 Chương trình điều khiển 41

2.5 Tổng hợp bộ hiện khiển PID cho mô hình điều khiển nhiệt độ 43

2.5.1 Tổng hợp bộ điều khiển PID trên cơ sở lý thuyết 43

2.5.2 Tổng hợp bộ điều khiển PID trên phần mềm TIA 47

2.6 Chương trình trên PC bằng phần mềm WINCC và kết quả mô hình 51

i

2.6.2 Kết quả mô hình 52

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG BÀI THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH ĐIỀU KHIỂN CỦA MÔ HÌNH LÒ NHIỆT 53

3.1 Mục đích thí nghiệm 53

3.2 Thiết bị thí nghiệm 53

3.3 Sơ đồ kết nối cho thí nghiệm 53

3.4 Các bước tiến hành 57

3.5 Các giá trị ghi lại trong thí nghiệm 57

3.6 Câu hỏi ôn tập 58

KẾT LUẬN 59

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA ĐỀ TÀI 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

PHỤC LỤC 1

ii

Bảng 1.1 Module CPU nguồn [7] 6

Bảng 1.2 Signal modules và signal boards số nguồn [7] 7

Bảng 1.3 Signal modules và signal boards tương tự nguồn [7] 7

Bảng 1.4 Module truyền thông nguồn [7] 7

Bảng 1.5 Bảng tóm tắt tác động của từng khâu P, I, D đến hệ kín 12

Bảng 1.6 Thông số của bộ PID [4] 28

Bảng 2.1 Thông số điện trở của PT100 ứng với nhiệt độ đo 35

Bảng 3.1 Bảng ghi các giá trị thí nghiệm 57

iii

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 PLC S7-1200 5

Hình 1.2 Phần mềm TIA PORTAL V1 8

Hình 1.3 Hệ thống điều khiển với bộ điều khiển PID nguồn [9] 11

Hình 1.4 Đặc tính đáp ứng đầu ra của bộ điều khiển 12

Hình 1.5 Cấu trúc PID mắc song song 13

Hình 1.6 Cấu trúc PID mắc nối tiếp 14

Hình 1.7 Sơ đồ khối khâu P 14

Hình 1.8 Đáp ứng của khâu P 15

Hình 1.9 Sơ đồ khối khâu I 16

Hình 1.10 Đáp ứng của khâu I và PI 16

Hình 1.11 Sơ đồ khối khâu D 17

Hình 1.12 Đáp ứng của khâu D và PD 17

Hình 1.13 Sơ đồ khối bộ PID 18

Hình 1.14 Đáp ứng của khâu P, PI và PID 18

Hình 1.15 Một số đáp ứng quá độ tiêu biểu nguồn [13] 20

Hình 1.16 Phương pháp kẻ tiếp tuyến trên đồ thi đáp ứng quá độ nguồn [13] 22

Hình 1.17 Phương pháp đồ thị đáp ứng sử dụng hai điểm quy chiếu nguồn [13] 22 Hình 1.18 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển tương quan nguồn [13] 23

Hình 1.19 Mô tả đáp ứng quá trình khi thay đổi giá trị đặt nguồn [13] 24

Hình 1.20 Bộ PID Compact trong TIA Portal v12 27

Hình 1.21 Sơ đồ hoạt động của bộ PID 30

Hình 1.22 Bộ điều khiển PIDT1 với anti-windup 30

Hình 2.1 Nguyên lý điều khiển nhiệt độ trong mô hình 31

Hình 2.2 PLC S7-1200 CPU 1214DC/DC/DC 32

Hình 2.3 Phương pháp điều khiển theo kiểu PWM nguồn [7] 33

Hình 2.4 Cảm biến nhiệt độ PT 100 34

Hình 2.5 Đồ thị biểu diễn mối liên quan giữa điện trở và nhiệt độ của PT 100 34

Hình 2.6 Điện trở nhiệt 36

Hình 2.7 Bộ TT-P-F chuyển đổi tín hiệu PT100 sang mA 36

Hình 2.8 Solid State Relay 37

Hình 2.9 Mô hình tổng thể 38

Hình 2.10 Lưu đồ thuật giải điều khiển 40

Hình 2.11 Khai báo PLC tags 41

iii

Hình 2.12 Tạo Data Block 1 41

Hình 2.13 Đọc giá trị nhiệt độ 42

Hình 2.14 Bật rơle và tắt rơle 42

Hình 2.15 Chế độ tự động và chế độ bằng tay 42

Hình 2.16 Chế độ pretuning và chế độ finetuning 43

Hình 2.17 Bộ PID Compact 43

Hình 2.18 Chạy quạt làm mát khi dừng hệ thống 43

Hình 2.19 Đáp ứng quá độ của đối tượng 44

Hình 2.20 Phương pháp 2 điểm quy chiếu 44

Hình 2.21 Đối tượng điều khiển 45

Hình 2.22 Mô hình đối tượng điều khiển trên matlab 45

Hình 2.23 Đáp ứng trên matlab 45

Hình 2.24 Cửa sổ configuaration trong khối PID Compact 48

Hình 2.25 Cài đặt loại điều khiển,thông số vào ra bộ PID 48

Hình 2.26 Cài đặt giá trị quá trình 48

Hình 2.27 Cài đặt Ton,Toff của PWM 49

Hình 2.28 Cài đặt thông số Kp,Ti,Td cho bộ PID 49

Hình 2.29 Vào cửa sổ commission 50

Hình 2.30 Cửa sổ commision 50

Hình 2.31 Cửa sổ commision 50

Hình 2.32 Giao diện thiết kế WinCC 51

Hình 2.33 Kết quả giám sát trên wincc 52

Hình 3.1 Sơ đồ kết nối thí nghiệm mạch điều khiển 54

Hình 3.2 Sơ đồ kết nối thí nghiệm mạch động lực 55

Hình 3.3 Sơ đồ kết nối thí nghiệm với điện trở nhiệt 56

iv

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

PLC Programmable Logic Controller Thiết bị điều khiển lập

trình

WinCC Windows Control Center Trung tâm điều khiển

chạy trên nền Windows

PID Proportional Integral Derivative Bộ điều khiển vi tích phân

tỉ lệ

FOPDT First – order plus dea time Khâu quán tính bậc nhất

có trễ

DCCUDS Deriving Controller Correlations

Using Direct Synthesis Bộ điều khiển tương quan PWM Pulse Width Modulation Điều chỉnh độ rộng xung

RTD Resistance Temperature Detector Nhiệt điện trở

SOPDT Second – order plus dea time Khâu quán tính bậc hai có

vi

UBND THÀNH PHỐ HẢI PHÒNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG NĂM HỌC 2019 - 2020

1 Thông tin chung

Tên đề tài: Xây dựng mô hình điều khiển nhiệt độ phục vụ chương trình

đào tạo của Bộ môn Điện, Khoa Điện – Cơ, Trường Đại học Hải Phòng

Mã số: ĐT.CN.2020.06

Chủ nhiệm: Thạc sỹ Vũ Văn Tú

Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Hải Phòng

Thời gian thực hiện: 12 tháng

2 Mục tiêu

Xây dựng module thực hành điều khiển nhiệt độ ứng dụng vào học phần

thực hành trong chương trình đào tạo của Bộ môn Điện, Khoa Điện – Cơ, Đại

học Hải Phòng

3 Tính mới và sáng tạo

Sử dụng các thiết bị hiện có trên thị trường, nghiên cứu và ứng dụng khoa

học công nghệ hiện tại vào hệ thống điều khiển để xây dựng mô hình thực tế

trực quan cho đào tạo, giúp sinh viên hiểu rõ hơn về hệ thống điều khiển trong

thực tế, điều khiển logic, lập trình PLC

Xây dựng kết nối tạo thành hệ thống các bài thí nghiệm phục vụ cho công tác

đào tạo và làm cơ sơ để xây dựng và phát triển thiết bị thí nghiệm tại khoa Điện

– Cơ, Trường Đại học Hải Phòng

4 Kết quả nghiên cứu

- Tìm hiểu về PLC S7-1200 và bộ PID của PLC S7-1200

- Tổng hợp bộ điều khiển PID của mô hình điều khiển nhiệt độ

- Xây dựng mô hình vật lý và chương trình điều khiển nhiệt độ

- Xây dựng chương trình giám sát trên WinCC

5 Công bố sản phẩm khoa học từ kết quả nghiên cứu của đề tài (ghi rõ tên tạp

chí năm xuất bản và minh chứng kèm theo nếu có) hoặc nhận xét, đánh giá của cơ

sở đã áp dụng các kết quả nghiên cứu (nếu có):

Bài báo khoa học:

vi

“Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ lò nung và khảo sát trường nhiệt độ vật nung”

Tạp chí khoa học Trường ĐH Hải Phòng; Số 40 (05/2020); Tr.64-74 ISSN

1859-2368

6 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng

6.1 Phương thức chuyển giao

- Chuyển giao tài liệu và hướng dẫn công nghệ

6.2 Địa chỉ ứng dụng

- Bộ môn Điện, Khoa Điện Cơ, Trường ĐH Hải Phòng

- Cơ sở giáo dục có chuyên ngành Điện

Hải Phòng, ngày 26 tháng 03 năm 2020

Chủ nhiệm đề tài

(Ký và ghi rõ họ tên)

Vũ Văn Tú

MỞ ĐẦU

1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ở trong và ngoài nước

1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Trong thực tế công nghiệp và sinh hoạt hiện nay, năng lượng nhiệt đóng một vai trò vô cùng quan trọng Việc sử dụng nguồn năng lượng này vào các ứng dụng trong cuộc sống một cách hợp lý và có hiệu quả là rất cần thiết Năng lượng nhiệt được sử dụng trong các nhà máy nhiệt điện, nhà máy luyện gang thép, và hầu hết các quy trình nung sấy khác

Để có một mô hình thí nghiệm cho sinh viên làm quen với môi trường công nghiệp, thực tế trong nước đã có rất nhiều công trình từ những nghiên cứu khoa học phát triển thành những bộ mô hình thí nghiệm, thực hành cho sinh viên Việc phát triển những thiết bị thực hành, thí nghiệm cho sinh viên từ những thiết bị đã có trong trang bị của cơ sở đào tạo có ý nghĩa rất lớn Nó thực sự hiệu quả với những cơ sở đào tạo mà có nguồn kinh phí được cấp rất hạn chế để xây dựng những phòng thực hành đạt chuẩn Trong công trình [1] tác giả đã phát triển nghiên cứu khoa học của mình để xây dựng bộ thí nghiệm điều khiển nhiệt

độ sử dụng PLC S7-1200 dành cho sinh viên của trường Đại học Hàng Hải, bộ thí nghiệm này phù hợp với chương trình đào tạo sinh viên của Trường Hàng Hải Do đó nếu mang bộ thí nghiệm này mà áp dụng cho sinh viên của Trường khác thì sẽ không phù hợp vì mỗi Trường khi xây dựng chương trình đào tạo

áp dụng cho sinh viên thì đều mang một sắc thái riêng Trong khi đó, chúng ta muốn có công nghệ để chế tạo bộ thí nghiệm, thực hành để trang bị cho Trung tâm thực hành thì vẫn cần phải có kinh phí để chuyển giao công nghệ dẫn tới hiệu quả về mặt kinh tế sẽ giảm đi Vì vậy cần thiết phải xây dựng bộ thí nghiệm dành cho sinh viên ngành Điện của trường Đại học Hải Phòng theo chuẩn thiết

kế, phù hợp với chương trình đào tạo, làm chủ được công nghệ là một yêu cầu tất yếu

Trong công trình nghiên cứu của tác giả Nguyễn Ngọc Anh [2] được thực hiện vào năm 2018 tại Thái Nguyên Trong công trình này tác giả ứng dụng bộ PID của PLC S7-300 để điều khiển và giám sát nhiệt độ trên máy tính (PC) qua phần mềm WinCC điều này có ý nghĩa rất lớn đối với thành phố Thái Nguyên nơi có nhà máy luyện kim lớn cả nước, sản suất ra hàng vạn tấn phôi trong một năm dựa trên nguồn nguyên liệu là quặng Mà trong công nghệ luyện kim để

phôi có chất lượng thì quan trọng nhất là điều khiển được nhiệt độ lò nung phù hợp các giản đồ trạng thái biến đổi pha của từng loại kim loại Trở lại với Hải Phòng nơi mà nền công nghiệp đúc, luyện kim, cán, kéo thép rất phát triển với gần hai mươi nhà máy sản xuất phôi thép, cán thép, làng nghề đúc đồng đã tạo

ra rất nhiều việc làm cho lao động và mang lại lợi ích rất lớn về giá trị sản xuất công nghiệp cho Thành Phố Hiểu được những giá trị to lớn đó, UBND TP.Hải Phòng đã ban hành kế hoạch hoạt động giai đoạn 2016 - 2020 của Chương trình

nghiên cứu khoa học trong đó nội dung “Nghiên cứu, đổi mới, nâng cao, tiếp thu chuyển giao công nghệ tiên tiến, hiện đại về sản xuất gang, phôi thép” để phát triển

công nghệ phục vụ sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa và hội nhập quốc

tế của TP.Hải Phòng đến năm 2020 Nếu chúng ta làm chủ được công nghệ điều khiển nhiệt độ của lò nung tiên tiến thì có ý nghĩa về KHCN rất lớn Bài toán điều khiển nhiệt độ trong lò nung kim loại và trên mô hình thí nghiệm cho sinh viên cũng gần như nhau về thuật toán điều khiển và thiết bị, chỉ khác nhau về công suất và quy mô Mô hình thực hành, thí nghiệm để sinh viên có thể xây dựng bài toán điều khiển nhiệt độ trên những thiết bị có sẵn trong phòng thí nghiệm, thực hiện từng bước thiết kế công nghệ kỹ thuật trên những lý thuyết

đã học làm cho quá trình tiếp thu kiến thức trở nên dễ dàng hơn

1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Trong những năm gần với sự phát triển của lý thuyết điều khiển hiện đại đã

có những nhà khoa học tập trung nghiên cứu về điều khiển lò nhiệt, biến cần điều khiển chính là nhiệt độ với sự tối ưu hóa cao Việc áp dụng các giải pháp,

bộ điều khiển nâng cao đang dần phát triển thay thế các bộ điều khiển truyền thống Khoảng 5 năm gần đây các nghiên cứu đã công bố về lĩnh vực điều khiển nhiệt độ sử dụng thuật toán kinh điển như PI, PID của PLC S7-1200 như các công trình [3]–[5] những công trình này chủ yếu là những bộ sách chi tiết và đầy

đủ đi kèm theo là ví dụ hướng dẫn người lập trình sử dụng công cụ trên phần mềm TIA PORTAL của hãng Siemens để lập trình điều khiển Những công trình này mới dừng lại mức độ hướng dẫn sử dụng và thiết kế phần điều khiển nhưng chưa đưa ra các bước cụ thể để xây dựng mô hình thí nghiệm, thực hành tại phòng thí nghiệm cho sinh viên chuyên ngành

Trong công trình nghiên cứu [6], nhóm tác giả đã nghiên cứu về điền khiển nhiệt độ bằng phương pháp sử dụng bộ PID của PLC S7-1200 Công trình dành

phần lớn nghiên cứu cho phần lý thuyết tổng hợp bộ điều khiển, phương pháp lập trình và tiến hành xây dựng giám sát hệ thống trên máy tính (SCADA) Đây là cơ sở khoa học để có thể xây dựng nên mô hình thực hành, thí nghiệm,

do đó về cơ bản công trình này chỉ đáp ứng được yêu cầu về mặt lý thuyết, các bước thiết kế công nghệ, đưa ra bài thí nghiệm cụ thể chưa được nhóm tác giả trên đề cập Do đó đề tài NCKH của Chủ nhiệm và các thành viên đã dựa trên những kết quả nghiên cứu của những tác giả trước, sau đó đưa ra những nghiên cứu của mình với 04 nhiệm vụ cụ thể:

1) Thiết kế kỹ thuật mô hình thực hành điều khiển nhiệt độ theo tiêu chuẩn

2) Trên cơ sở lý thuyết tổng hợp được bộ điều khiển nhiệt độ theo mô hình đã xây dựng trước đó

3) Xây dựng chương trình giám sát trên máy tính bằng phần mềm WinCC V7.4

4) Đưa ra bài thí nghiệm, thực hành cho sinh viên ngành Điện

2 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu

Hiện nay Khoa Điện – Cơ, Trường Đại học Hải Phòng được xây dựng thành Khoa trọng điểm, chương trình đào tạo đang thay đổi để thích ứng với yêu cầu

xã hội, trong đó vấn đề thực hành đang đặt trọng số 30% trong cấu trúc một học

phần

Trong khi kinh phí để xây dựng phòng thực hành quy mô và đạt chuẩn còn hạn chế thì việc xây dựng được một module thực hành giúp giải quyết được rất nhiều học phần thực hành là rất cần thiết

Module được nhóm nghiên cứu đưa ra vừa giải quyết được vấn đề thực hành trong bộ môn Điện, trường Đại học Hải Phòng thời gian tới và xa hơn là cung cấp cho các cơ sở đào tạo khác hay có thể đào tạo để cấp chứng chỉ cho người

đã đi làm cần nâng cao kiến thức

3 Mục tiêu của đề tài nghiên cứu

Xây dựng module thực hành điều khiển nhiệt độ ứng dụng vào học phần thực hành trong chương trình đào tạo của Bộ môn Điện, Khoa Điện – Cơ, Đại học Hải Phòng

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4.1 Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết và tiến hành thực nghiệm trên một mô hình đơn giản

4.2 Phạm vi nghiên cứu

Phòng thí nghiệm Bộ môn Điện, Khoa Điện – Cơ, Trường Đại học Hải Phòng

5 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

5.1 Cách tiếp cận

Tìm hiểu và nghiên cứu tổng quan về bài toán điều khiển nhiệt độ, xây dựng

mô hình vật lý

5.2 Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng cá phương pháp tổng hợp và suy luận, suy diễn trong việc xây dựng chương trình điều khiển Sử dụng các phương pháp thực nghiệm để điều tra

kết quả

6 Nội dung nghiên cứu

Tìm hiểu về PLC S7-1200 và bộ PID của PLC S7-1200

- Tổng hợp bộ điều khiển PID của mô hình điều khiển nhiệt độ

- Xây dựng mô hình vật lý và chương trình điều khiển nhiệt độ

- Xây dựng chương trình giám sát trên WinCC V7.4

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Giới thiệu chung về PLC S7-1200

1.1.1 Khái niệm PLC S7-1200

Năm 2009, Siemens ra dòng sản phẩm PLC S7-1200 dùng để thay thế dần cho PLC S7-200 Bộ điều khiển PLC S7-1200 cung cấp sự linh hoạt một loạt các thiết

bị hỗ trợ các nhu cầu tự động hóa của bạn.Thiết kế nhỏ gọn,cấu hình linh hoạt

và tập lệnh được kết hợp mạnh mẽ để kiểm soát nhiều ứng dụng đã làm cho PLC S7-1200 trở nên hoàn hảo hơn

PLC S7-1200 bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợp sẵn, các đầu vào/ra (DI/DO)

Hình 1.1 PLC S7-1200

- Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU PLC

S7-1200 và chương trình điều khiển :

+ Tất cả các CPU đều cung cấp bảo vệ bằng password chống truy cập vào PLC

+ Tính năng “know-how protection” để bảo vệ các block đặc biệt của mình

- S7-1200 cung cấp một cổng PROFINET , hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP Ngoài ra ta có thể dùng các module truyền thông mở rộng kết nối bằng RS485 hoặc RS232,GPRS

- Tốc độ truyền 10/100 Mbit/s

- Ngõ ra điều rộng xung PWM,điều khiển tốc độ động cơ, vị trí valve, hay điều khiển nhiệt độ…

- Mở rộng tín hiệu vào ra bằng board tín hiệu mở rộng ( Signal Board), gắn trực tiếp phía trước CPU, giúp mở rộng tín hiệu vào ra mà không thay đổi kích thước hệ điều khiển Mỗi CPU của PLC S7-1200 có thể kết nối 8 module mở rộng tín hiệu vào/ra Ngõ vào analog 0-10V được tích hợp trên CPU

Phần mềm dùng để lập trình cho S7-1200 là Step7 Basic Step7 Basic hỗ trợ ba ngôn ngữ lập trình là FBD, LAD và SCL Phần mềm này được tích hợp trong TIA Portal 12 của Siemens Vậy để làm một dự án với S7-1200 chỉ cần cài TIA Portal vì phần mềm này đã bao gồm cả môi trường lập trình cho PLC và thiết

kế giao diện HMI

1.1.2 Các module trong hệ PLC S7-1200

Các module CPU ( theo Simen “S7-1200 Programable Controller”)

Các module CPU khác nhau có hình dạng, chức năng, tốc độ xử lý lệnh, bộ nhớ chương trình khác nhau …

PLC S7-1200 có các loại sau :

Bảng 1.1 Module CPU nguồn [7]

Tính năng CPU 1211C CPU 1212C CPU 1214C CPU1215C Kích thước 90x100x75 90x100x75 110x100x75 130x100x75

Digital signal modules và signal boards

Bảng 1.2 Signal modules và signal boards số nguồn [7]

Digital SB 4x24VDC,200kHz

4x5VDC,200kHz

4x24VDC,200kHz 4x5VDC,200kHz

2x24VDC In/2x24VDC Out

2x24VDC In/

2x24VDC Out,200kHz 2x5VDCIn/2x5VDC Out

Digital SM

8x24 VDC 8x24 VDC

8x Relay Out

8x24 VDC In/8x24 VDC Out 8x24 VDC In/8 x ReLay Out 8x120/230 VAC In/ 8x Relay

Bảng 1.3 Signal modules và signal boards tương tự nguồn [7]

Analog SB

1x12 bit Analog In 1x16 bit RTD 1x16 bit Thermocouple

1x analog

Analog SM

4x analog 4x analog x16 bit 8x analog In + Thermocouple:

-4x16 bit TC -8x16 bit TC +RTD:

-4x16 bit RTD -8x16 bit RTD

2x analog 4x analog

4x analog In/2x analog out

Module truyền thông

Bảng 1.4 Module truyền thông nguồn [7]

Communication module

CM

RS422/485 Full duplex (RS422)

Communication processor Modem connectivity GPRS

1.2 Làm việc với phần mềm Tia Portal

Trong tiến trình cải tiến việc thực hiện các giải pháp tự động hóa cho công nghiệp, Siemens đã mở rộng đáng kể môi trường thiết kế, lập trình trong lĩnh vực này Chương trình phần mềm Tự động hóa Tích hợp Toàn diện - TIA Portal cung cấp một chương trình thống nhất giúp tránh phải sử dụng các giao diện riêng rẽ cho các hệ thống thiết kế, lập trình khác nhau Đặc tính này giúp đơn giản hóa công việc của người lập trình các giải pháp tự động và truyền động Với phiên bản TIA Portal V12, chúng ta có thể điều khiển tự động hệ truyền động trong công nghiệp một cách nhanh chóng và hiệu quả Chẳng hạn, việc chuẩn đoán lỗi và hệ thống không những đã được tích hợp toàn bộ vào chương trình TIA Portal một cách thân thiện với người sử dụng, mà còn có giao diện thống nhất cho toàn bộ hệ thống Hơn nữa, mức độ bảo mật gia tăng giúp bảo

vệ chống lại các thay đổi không cho phép

cứ thay đổi về thiết kế trong mỗi chương trình và đảm bảo rằng mọi chi tiết không được sai lệch Đây là một khối lượng công việc rất lớn, chưa kể tới sự đa dạng của các loại máy móc ngày một tăng Trong khi đó, TIA Portal tạo ra một môi trường thống nhất để lập trình tất cả các giải pháp tự động và qua đó, giảm đáng kể thời gian thiết kế, công sức và chi phí

Một hệ thống lập trình tự động cho các biến tần thường có trong các ứng dụng bơm, thang máy hay hệ thống nghiền, đã được tích hợp vào chương trình TIA Portal Việc chuẩn đoán hệ thống hiện nay cũng đã được tích hợp hoàn toàn vào TIA Portal và qua đó, có thể kích hoạt chỉ bằng một cái nhấp chuột, chứ không phải tự thiết kế, lập trình như trước Ngoài ra, các thông báo lỗi cũng đồng nhất trên tất cả các giao diện của người sử dụng web servers và các bộ điều khiển TIA Portal cũng có chức năng chống lỗi cho các biến tần, truyền động công nghiệp

Sự kết hợp chương trình TIA Portal với thế hệ các bộ điều khiển mới mang lại thêm nhiều chức năng hơn cho môi trường thiết kế, lập trình Đối với vấn đề bảo mật dữ liệu, hệ thống còn được bảo vệ tốt hơn, chống lại sự sao chép của các máy móc và truy cập bất hợp pháp Cuối cùng, các ngôn ngữ lập trình không chỉ tương thích với phiên bản trước đó mà còn hiệu quả hơn nhiều

+ Ngoài ra, FC có thể được gọi nhiều lần tại các thời điểm khác nhau trong một chương trình Điều này tạo điều kiện cho lập trình chức năng lặp đi lặp lại phức tạp

- FB (function block): đối với mỗi lần gọi, FB cần một khu vực nhớ Khi một

FB được gọi, một Data Block (DB) được gán với instance DB Dữ liệu trong Instance DB sau đó truy cập vào các biến của FB Các khu vực bộ nhớ khác nhau

đã được gán cho một FB nếu nó được gọi ra nhiều lần

- DB (data block): DB thường để cung cấp bộ nhớ cho các biến dữ liệu Có hai loại của khối dữ liệu DB: Global DBs nơi mà tất cả các OB, FB và FC có thể đọc được dữ liệu lưu trữ, hoặc có thể tự mình ghi dữ liệu vào DB và instance DB được gán cho một FB nhất định [7]

1.3 Làm việc với phần mềm WinCC

Phần mềm WinCC của Siemens [8] là một phần mềm chuyên dụng để xây dựng giao diện điều khiển HMI (Human Machine Interface) cũng như phục vụ việc xử lý và lưu trữ dữ liệu trong một hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Aquisition) thuộc chuyên ngành tự động hóa

WinCC là chữ viết tắt của Windows Control Center ( Trung tâm điều khiển chạy trên nền Windows ), nói cách khác nó cung cấp các công cụ phần mềm để thiết lập một giao diện điều khiển chạy trên các hệ điều hành của Microsoft như Windows NT hay Windows 2000, XP, Vista 32bit (Not SP1) Trong dòng các sản phẩm thiết kế giao diện phục vụ cho vận hành và giám sát, WinCC thuộc thứ hạng SCADA (SCADA class) với những chức năng hữu hiệu cho việc điều khiển

WinCC kết hợp các bí quyết của Siemens, công ty hàng đầu trong tự động hóa quá trình và năng lực của Microsoft, công ty hàng đầu trong việc phát trỉên phần mềm cho PC Ngoài khả năng thích ứng cho việc xây dựng các hệ thống

có qui mô lớn nhỏ khác nhau, WinCC còn có thể dễ dàng tích hợp với những ứng dụng có qui mô toàn công ty như việc tích hợp với những hệ thống cấp cao như MES (Manufacturing Excution System - Hệ thống quản lý việc thực hiện sản suất) và ERP (Enterprise Resource Planning) WinCC cũng có thể sử dụng trên cơ sở qui mô toàn cầu nhờ hệ thống trợ giúp của Siemens có mặt khắp nơi trên thế giới Ở Việt Nam hệ thống của Siemens được tài trợ đưa vào hệ đào tạo chính thức

Tùy theo chức năng sử dụng mà người dùng có thể chọn các gói khác nhau của WinCC như là một trong các lựa chọn của sản phẩm Các gói cơ bản của WinCC chia làm hai loại như sau:

WinCC Runtime Package (Viết tắt là RT): chứa các chức năng ứng dụng dùng để chạy các ứng dụng của WinCC như hiển thị, điều khiển, thông báo các trạng thái, các giá trị điều khiển và làm các báo cáo

WinCC Complete Package (Viết tắt là RC): bao gồm bản quyền để xây dựng cấu hình hệ thống (configuration licence) và bản quyền để chạy ứng dụng (Runtime)

Các gói này có các phiên bản khác nhau tùy theo số lượng các tham số làm việc (Powertag) mà nó có thể đáp ứng: 128, 256, 1024, 65536 Powertag Powertag

là các tham số làm việc mà bộ điều khiển theo dõi giá trị của nó bằng việc nối ghép với quá trình và thiết bị mà nó điều khiển hoặc giám sát Trong trường hợp người sử dụng muốn nâng cấp từ một phiên bản có số powertag nhỏ lên cấp lớn hơn, họ có thể mua các phiên bản chuyên để năng cấp gọi là WinCC Powerpacks

Ngoài các gói phần mềm cơ bản trên, WinCC còn có các module nâng cao dành cho những ứng dụng cấp cao hơn (WinCC Options) và các mô đun mở rộng đặc biệt (WinCC Add-on) Các WinCC Option là sản phẩm của Siemens Automation and Drive (A&D) Các WinCC Add-on là các sản phẩm của các bộ phận khác của Siemens hay các đối tác của Siemens xây dựng lên nhằm mở rộng chức năng hay để phù hợp với từng loại ứng dụng

Để soạn thảo một dự án ( project ) trong WinCC tiến hành thực hiện theo các bước :

1) Tạo một dự án ( project ) mới trong WinCC

2) Chọn PLC hoặc DRIVERS từ Tag Management

3) Tạo các biến nội (Internal )

4) Tạo hình ảnh từ cửa sổ giao diện Graphics Designer

5) Thiết lập các thuộc tính của hình ảnh được tạo từ Graphics Designer 6) Thiết lập môi trường thời gian thực hiện

7) Chạy mô phỏng

1.4 Cơ sở xây dựng bộ điều khiển PID của mô hình

1.4.1 Thuật toán điều khiển PID

Bộ điều khiển PID (A proportional integral derivative controller) là viết tắt

của ba thành phần cấu tạo lên bộ điều khiển gồm khâu khuếch đại P, khâu tích phân I và khâu vi phân D Khâu PID được mô tả bằng mô hình vào – ra như sau

[9]:

𝑢(𝑡) = 𝐾𝑃[𝑒(𝑡) + 1

𝑇𝑖∫ 𝑒(𝜏)𝑑𝜏

𝑡 0

+ 𝑇𝑑𝑑𝑒(𝑡)

Trong đó 𝐾𝑃 gọi là hệ số khuếch đại, 𝑇𝑖 là hằng số tích phân và 𝑇𝑑 la hằng số

vi phân Từ phương trình Error! Reference source not found., dễ thấy hàm

truyền của khâu PID có dạng:

Mỗi khâu trong bộ điều khiển PID đóng một vai trò khác nhau Khâu tích phân có vai trò triệt tiêu sai lệch tĩnh khi tín hiệu ra phải bám theo một giá trị không đổi Khâu khuếch đại bù sai lệch một cách tức thời Khâu vi phân tỷ lệ với sự thay đổi của sai số 𝑒(𝑡) nên phản ứng nhanh với sai số Ảnh hưởng của

từng khâu đến hệ kín có thể được tóm tắt như trên Error! Reference source not found

Bảng 1.5 Bảng tóm tắt tác động của từng khâu P, I, D đến hệ kín

Thành phần Quá độ điều

chỉnh

Thời gian quá độ Sai lệch tĩnh

Hình 1.4 Đặc tính đáp ứng đầu ra của bộ điều khiển

Bộ điều khiển PID được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp vì cấu trúc đơn giản Người ta tổng kết rằng có đến 90% các bộ điều khiển trong thực tế là các

bộ điều khiển PID Trong vòng hơn 50 năm qua, rất nhiều công trình nghiên cứu gồm cả lý thuyết và thực tế, đã được công bố liên quan đến việc chỉnh định

và cải tích cấu trúc, đặc tính chất lượng và ứng dụng của các bộ điều khiển PID

và tiếp theo đó là một vài phương pháp chỉnh định các tham số bộ điều khiển PID

Bộ PID có nhiệm vụ đưa sai lệch 𝑒(𝑡) của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá

độ thỏa mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng [10]:

+ Nếu sai lệch 𝑒(𝑡) càng lớn thì thông qua thành phần 𝑢𝑝(𝑡), tín hiệu điều chỉnh 𝑢(𝑡) càng lớn (vai trò của khuếch đại 𝐾𝑝)

+ Nếu sai lệch 𝑒(𝑡) chưa bằng 0 thì thông qua thành phần 𝑢𝐼(𝑡), PID vẫn còn tạo tín hiệu điều chỉnh (vai trò của tích phân 𝑇𝐼)

+ Nếu sự thay đổi của sai lệch 𝑒(𝑡) càng lớn thì thông qua thành phần 𝑢𝐷(𝑡), phản ứng thích hợp của 𝑢(𝑡) sẽ càng nhanh (vai trò của khuếch đại 𝑇𝐷) Thường xuyên tham khảo bảng phân tích phía trên để biết đặc tính các thành phần trong bộ điều khiển Ví dụ, nếu bộ PI đủ đáp ứng yêu cầu thì không cần thêm vào thành phần vi phân Kd, bộ điều khiển càng đơn giản càng tốt

Có nhiều cấu trúc khác nhau của bộ PID, tuy nhiên ta thường hay sử dụng nhất là hai cấu trúc đó là: PID mắc song song và PID mắc nối tiếp Cấu trúc PID mắc song song hầu hết được nói đến trong lý thuyết, vì vậy nó còn được gọi là

“lý tưởng” Cấu trúc này được tạo nên bởi ba chế độ: Tỷ lệ , tích phân, vi phân

và mỗi chế độ này độc lập nhau Cấu trúc song song này vẫn còn rất hiếm trên thị trường Bộ điều khiển đầu tiên được tạo nên từ khí nén và nó thì rất khó để xây dựng nên cấu trúc song song tạo bởi các phần tử khí nén Để bảo đảm cho các quá trình trong công nghiệp hầu hết các bộ điều khiển được sử dụng vẫn là cấu trúc mắc nối tiếp Trong các lĩnh vực khác, bộ điều khiển PID mắc nối tiếp

có thể được tìm thấy nhiều hơn trên thị trường

1.4.1.1 PID mắc song song

Kết nối song song các thành phần tỷ lệ, tích phân, vi phân được gọi là bộ điều khiển PID mắc song song như hình bên dưới:

Hình 1.5 Cấu trúc PID mắc song song

Tín hiệu đầu ra được viết theo công thức [10]:

𝑢(𝑡) = 𝐾 [𝑒(𝑡) + 1

𝑇𝑖∫ 𝑒(𝑡)𝑑𝑡 + 𝑇𝑑𝑑𝑒(𝑡)

1.4.1.2 PID mắc nối tiếp

Cấu trúc này rất phổ biến trong các quá trình công nghiệp Kênh I sử dụng

cả 2 tín hiệu sai lệch e(t) và 𝑑𝑒(𝑡)

𝑑𝑡 Nó thực hiện như một chuỗi các kết nối của bộ điều khiển PI và PD Thuật toán điều khiển như sau:

Hình 1.6 Cấu trúc PID mắc nối tiếp

Tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển:

𝑇𝑖𝑠∫ 𝑒1(𝑡)𝑑(𝑡)

𝑡 0

Bộ điều khiển PID ra đời và nổi lên như một giải pháp cho vấn đề chống sai

số trong điều khiển bằng cách dùng các mô hình điều khiển lặp và điều chỉnh đáp ứng ngõ ra của hệ thống dựa trên các giá trị hồi tiếp của quá trình

Sơ đồ khối của khâu P:

Hình 1.7 Sơ đồ khối khâu P

Hàm truyền:

Theo tính chất của khâu khuếch đại, tín hiệu ra sẽ có biên độ hoặc năng lượng lớn hơn tín hiệu đầu vào, còn dạng tín hiệu không đổi và luôn trùng pha với tín hiệu vào, thể hiện ưu điểm của khâu khếch đại tác động nhanh Vì vậy bộ điều khiển tỷ lệ có thể làm việc ổn định với mọi đối tượng điều khiển Nhược điểm

cơ bản của bộ điều khiển tỷ lệ là khi sử dụng với các đối tượng tĩnh, hệ thống luôn tồn tại sai lệch Để giảm giá trị sai lệch tĩnh thì phải tăng hệ số khuếch đại, nhưng khi tăng hệ số khuếch đại thì hệ thống sẽ bị dao động tăng lên và nếu tăng hệ số khuếch đại quá lớn có thể làm hệ thống mất ổn định Trong công nghiệp, bộ điều khiển tỷ lệ thường được dùng cho những hệ thống cho phép tồn tại sai lệch tĩnh

Hình 1.8 Đáp ứng của khâu P

b Bộ điều khiển tích phân (I)

Khâu I cộng thêm tổng các sai số trước đó vào giá trị điều khiển Việc tính tổng các sai số được thực hiện liên tục cho đến khi giá trị đạt được bằng với giá trị đặt, và kết quả là khi hệ cân bằng thì sai số bằng 0

Khâu I được tính theo công thức:

𝑢(𝑡) = 𝐾𝑖∫ 𝑒(𝜏)𝑑𝜏

𝑡 0

Hình 1.9 Sơ đồ khối khâu I

Thấy rằng, giá trị điều khiển u chỉ đạt được giá trị xác lập khi 𝑒 = 0 Như vậy

ưu điểm lớn nhất của quy luật tích phân là triệt tiêu sai lệch tĩnh Xét đặc tính của khâu tích phân, tín hiệu của nó luôn chậm pha so với tín hiệu vào một góc

𝜋

2, điều này có nghĩa bộ điều khiển tích phân có tác động chậm hơn so với tín hiệu vào Vì lý do tác động chậm mà trong công nghiệp, hệ thống điều khiển tự động sử dụng bộ điều khiển tích phân thường kém ổn định

Khâu I thường đi kèm với khâu P, hợp thành bộ điều khiển PI Nếu chỉ sử dụng khâu I thì đáp ứng của hệ thống sẽ chậm và thường bị dao động

Hình sau chỉ ra sự khác biệt giữa khâu I và PI:

Hình 1.10 Đáp ứng của khâu I và PI

Ta có thể nhận thấy là khâu I làm cho đáp ứng của hệ thống bị chậm đi rất nhiều, còn khâu PI giúp triệt tiêu sai số xác lập

c Bộ điều khiển vi phân (D)

Bộ điều khiển vi phân xây dựng trên cơ sở của luật vi phân, tín hiệu điều khiển được xác định theo biểu thức:

𝑢(𝑡) = 𝐾𝑑𝑑𝑒(𝑡)

Với: u(t): ngõ ra khâu D

Kd: hệ số vi phân

e: sai số: e = SP – PV

Sơ đồ khối khâu D:

Hình 1.11 Sơ đồ khối khâu D

Hình 1.12 Đáp ứng của khâu D và PD

Theo hình trên, bộ PD tạo đáp ứng có thời gian tăng trưởng nhỏ hơn so với

bộ P Nếu giá trị D quá lớn sẽ làm cho hệ thống không ổn định

1.4.1.4 Bộ điều khiển tỷ lệ - vi phân – tích phân (PID)

Bộ điều khiển PID là cấu trúc ghép song song giữa 3 khâu P, I và D

Phương trình vi phân của bộ PID lý tưởng:

Hình 1.13 Sơ đồ khối bộ PID

Hàm truyền đạt của bộ PID có dạng:

về chất lượng của hầu hết các quy trình công nghệ nhưng việc hiệu chỉnh các tham số của nó rất phức tạp, đòi hỏi người sử dụng phải có một trình độ nhất định Vì vậy trong công nghiệp, quy luật PID chỉ sử dụng ở những nơi cần thiết, khi quy luật PI không đáp ứng được yêu cầu về chất lượng điều chỉnh

Đáp ứng của bộ PID:

Hình 1.14 Đáp ứng của khâu P, PI và PID

1.4.1.5 Nhận dạng quá trình

Phương pháp xây dựng mô hình toán học trên cơ sở các số liệu vào ra thực nghiệm được gọi là mô hình thực nghiệm hay nhận dạng hệ thống (System indentiffication) Khái niệm về nhận dạng hệ thống được định nghĩa trong

chuẩn IEC 60050-351 [11] là “những thủ tục suy luận một mô hình toán học biểu diễn đặc tính tĩnh và đặc tính quá độ của một hệ thống từ đáp ứng của nó với một tín hiệu đầu vào xác định, cí dụ hàm bậc thang, một xung hoặc nhiễu ồn trắng” Khái niệm

nhận dạng cũng được Zadeh định nghĩa một cách chặt chẽ hơn về mặt lý thuyết [12]

Các phương pháp dựa trên đáp ứng quá độ thường được ứng dụng vì nó trực quan và đơn giản Tất nhiên mức độ chính xác của mô hình khiêm tốn vì các lý do sau:

+ Các bước tiến hành:

Giống như nhiều công việc phát triển hệ thống khác, nhận dạng hầu như bao giờ cũng là một quá trình lặp Những bước xây dựng mô hình thực nghiệm cho một quá trình bao gồm:

i Thu thập khai thác thông tin ban đầu về quá trình, ví dụ các biến quá trình

quan tâm, các phương trình mô hình từ phân tích lý thuyết, các điều kiện biên

và các giả thiết liên quan

ii Lựa chọn phương pháp nhận dạng, (trực tuyến/ngoại tuyến, vòng hở/vòng

kín, chủ động/bị động), thuật toán ước lượng tham số và tiêu chuẩn đánh giá chất lượng mô hình

iii Tiến hành lấy số liệu thực nghiệm cho từng cặp biến vào/ra trên cơ sở phương

pháp nhận dạng đã chọn, xử lý thô các số liệu nhằm loại bỏ các số liệu kém tin cậy

iv Kết hợp các mục đích về yêu cầu sử dụng mô hình và khả năng ứng dụng của phương pháp nhận dạng đã chọn, quyết định về mô hình (phi tuyến/tuyến tính, liên tục/gián đoạn ), đưa ra giả thiết ban đầu về cấu trúc ban đầu (bậc của

đa thức tử số/đa thức mẫu của hàm truyền, có hay không có trễ)

v Xác định tham số mô hình theo phương pháp/thuật toán đã chọn Nếu tiến hành

theo từng mô hình con (ví dụ từng kênh vào – ra, từng khâu trong quá trình), thì sau đó kết hợp chúng lại thành mô hình tổng thể

vi Mô phỏng, kiểm chứng và đánh giá mô hình nhận được theo các tiêu chuẩn

đã chọn, tốt nhất là trên cơ sở nhiều tập dữ liệu khác nhau Nếu chưa đạt yêu cầu, cần quay lại trong các bước 1 – 4

1) Mô hình sử dụng đơn giản, bậc thấp

2) Ảnh hưởng của nhiễu không được giải quyết tốt Nhưng trong thực tế của điều khiển quá trình thường bằng lòng với các kết quả đạt được này

Trên hình Hình 1.15 là 4 đường cong đáp ứng quá độ tiêu biểu của quá trình công nghiệp không có trễ Đối với trường hợp a, c và d ta có thể áp dụng các phương pháp thích hợp sau:

Đặc tính quán tính (a) : Có thể xấp xỉ mô hình quán tính bậc nhất hoặc bậc hai

có trễ (FOPDT, SOPDT)

Đặc tính dao động tắt dần (c) : Có thể xấp xỉ mô hình dao động bậc 2

Đặc tính tích phân (d) : Có thể xấp xỉ mô hình quán tính bậc nhất hoặc bậc hai

Để tiến hành các phương pháp trình bày dưới đây một cách thực sự hiệu quả, cần lưu ý một cách đặc biệt một số điểm:

3) Quá trình thực tế nào cũng phi tuyến, vì vậy tiến hành thực nghiệm xung quanh điểm làm việc quy định Các số liệu thu thập cần dựa trên các giá trị chênh lệch so với trạng thái xác lập, chứ không phải các giá trị vào – ra thực Trước hết đưa quá trình về điểm làm việc, chờ quá trình hoàn toàn đi tới trạng thái xác lập, sau đó thay đổi đầu vào một giá trị u, nếu quá trình ổn

định sau thời gian nó sẽ đi đến điểm ổn định mới Số liệu đầu ra cũng lấy theo chênh lệch y so với điểm làm việc cũ Chú ý u cần chọn vừa phải

4) Nếu ảnh hưởng của nhiễu là đáng kể, cần tiến hành thực nghiệm nhiều lần

và sau đó lấy giá trị trung bình Nếu cần nên tiến hành lọc nhiễu

5) Các phương pháp trình bày sau biểu diễn bằng đồ thị với sự tính toán của máy tính, vì thế chú ý đến các bộ biến đổi ADC

1.4.1.6 Mô hình quán tính bậc nhất có trễ

Phần lớn các quá trình công nghệ có đặc tính quá độ nhanh chóng tắt dần như Hình 1.15.a Thực ra mô hình bậc cao phù hợp nhất cho đặc tính này Tuy nhiên mô hình bậc cao khó khăn trong việc thiết kế bộ điều khiển dạng PID Để đơn giản ta nên xấp xỉ mô hình như một khâu quán tính bậc nhất kết hợp với một khâu trễ Chú ý rằng thời gian trễ (thời gian vận chuyển) có thể xác định một cách dễ dàng và sau đó chỉ cần cộng với một trễ xấp xỉ Do đó ta chỉ cần quan tâm đến bài toán xấp xỉ một khâu quán tính bậc cao không có trễ về một khâu quán tính bậc nhất có trễ FOPDT (first – order plus dea time)

Mô hình FOPDT có hàm truyền được viết [13]:

𝐺(𝑠) = 𝑘

1 + 𝜏𝑠𝑒

Trong đó k là hệ số khuếch đại tĩnh của đối tượng,  là hằng số thời gian

(process lag) và  thời gian trễ xấp xỉ, có nhiều cách để xác định các tham số này [14] Các hệ số này xác định theo các phương pháp sẽ được trình bày trong phần tiếp theo

1.4.1.7 Phương pháp kẻ tiếp tuyến

Phương pháp kẻ tiếp tuyến như trên Hình 1.16, trước hết kẻ đường tiệm cận với đường cong tại trạng thái xác lập sẽ xác định được hệ số khuyếch đại k Tiếp theo kẻ đường tiếp tuyến tại điểm có độ dốc lớn nhất (chính là điểm uốn của

khâu quán tính bậc cao và là điểm xuất phát lên sau thời gian trễ với khâu quán tính bậc nhất) Giao điểm của đường trục này với trục thời gian cho ta thời gian trễ xấp xỉ  Cuối cùng, trên đường cong tương ứng với giá trị 0.632y cho ta

 +  Thực chất đây có thể coi là điểm quy chiếu, bởi với khâu quán tính bậc

nhất có trễ thì sau thời gian  +  thay đổi đầu ra đúng bằng 0.632y

Hình 1.16 Phương pháp kẻ tiếp tuyến trên đồ thi đáp ứng quá độ nguồn [13]

Có thể thấy việc kẻ tiếp tuyến để ước lượng các tham số mô hình mang tính cảm nhận chủ quan, thiếu chính xác và khó thực thi trên máy tính Hơn nữa, nhiễu quá trình và nhiễu đo có thể gây sai lệch lớn trong kết quả Vì thế trong thực tế ít sử dụng phương pháp này

1.4.1.8 Phương pháp hai điểm quy chiếu

Để khắc phục nhược điểm của phương pháp trên, ta có thể sử dụng hai điểm quy chiếu với các giá trị 0.283y và 0.632ythay cho việc sử dụng một điểm [15], [16] Nội dung của phương pháp được nêu trên Hình 1.17, với kích thích ban đầu là tín hiệu bậc thang đơn vị các tham số xấp xỉ  và  được xác định theo công thức sau:

Hình 1.17 Phương pháp đồ thị đáp ứng sử dụng hai điểm quy chiếu nguồn [13]

{𝜏 = 1.5(𝑡2− 𝑡1)

𝜃 = 1.5(𝑡1− 𝑡2/3) = 𝑡2− 𝜏 (1.16) Trong đó t1 và t2 lần lượt là thời gian thay đổi đầu ra đạt 28.3% và 63.2% thay đổi ở trạng thái xác lập

1.4.2 Thiết kế bộ điều khiển PID theo phương pháp tương quan

1.4.2.1 Tổng hợp trực tiếp bộ điều khiển (Direct Synthesis)

Là phương pháp tính toán bộ điều khiển trực tiếp từ mô hình hàm truyền đạt của quá trình và mô hình hàm truyền đạt mong muốn của hệ kín [17], [18] Cấu trúc tổng quát của hệ thống điều khiển biểu diễn trên Hình 1.18, với YSP(s) là tín hiệu đặt, Y(s) là đáp ứng đầu ra của hệ thống Đáp ứng đầu ra của hệ thống được gọi là biến quá trình, thông thường biến quá trình mong muốn sẽ biến đổi theo hàm toán học có bậc từ 2 trở lên và đạt tới điểm đặt E(s) là sai lệch điều khiển, GC(s) là bộ điều khiển (Controller) và hàm truyền quá trình GP(s) Bộ điều khiển cơ bản nhất được ứng dụng để điều khiển quá trình thường được thiết kế với dạng tổng quát PID Quá trình tính toán để tổng hợp bộ điều chỉnh dựa trên

sơ đồ cấu trúc đơn giản như Hình 1.18, với hàm truyền hệ kín viết được như sau:

Hình 1.18 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển tương quan nguồn [13]

Tiếp theo, ta cần chỉ rõ ràng hơn trong vòng lặp kín biến số của quá trình đo được sẽ tăng tương ứng với khi sự thay đổi tín hiệu đặt ở mức xác định Hàm truyền sẽ được biểu diễn theo dạng FOPDT (Frist order dead time) [13]:

𝑌(𝑠)

𝑌𝑠𝑝(𝑠)=

𝐾𝐶𝐿𝑒−𝜃𝑐 𝑠

Trên Hình 1.19 minh hoạ đáp ứng quá trình của hệ kín mong muốn

Hình 1.19 Mô tả đáp ứng quá trình khi thay đổi giá trị đặt nguồn [13]

Với phương trình (1.18) và đáp ứng của quá trình theo tín hiệu đặt mong muốn như Hình 1.19 các hệ số và thông số được định nghĩa như sau:

KCL - Hệ số khuyếch đại của hệ thống điều khiển biến quá trình theo tín hiệu đặt

C - Thời gian chết của mạch vòng kín

C - Hằng số thời gian của mạch vòng kín

Xác định KCL: Ta mong muốn biến điều khiển luôn cân bằng với các điểm giá trị đặt xác định Mỗi khi giá trị điểm đặt thay đổi, ySP (t), thì biến điều khiển

quá trình y(t) phải được phản hồi nhanh nhất và cuối cùng biến đổi với mức

độ tương đương Vì thế giả sử những phản hồi thu được tính toán bằng máy tính cho đến khi quá trình ổn định, thì kết quả cuối cùng:

𝐾𝐶𝐿 = ∆𝑦(𝑡)

Xác định C: Thời gian chết trong điều khiển luôn là điều không mong muốn

Bất cứ khi nào có thể, chúng ta nên tránh việc thêm thời gian chết vào trong vòng lặp Trong quá trình điều chỉnh các bộ điều khiển quá trình thường vẫn tồn tại thời gian chết, nên lưu ý đặt thời gian chết nhỏ nhất cho bộ điều khiển

mà không điều chỉnh tăng thời gian chết cho bộ điều khiển, vì thế:

Xác định hằng số thời gian C: Là hằng số thời gian của vòng lặp cho thấy tốc

độ phản hồi của quá trình khi điểm đặt thay đổi Trong quá trình thiết kế hệ

thống để đáp ứng quá trình có độ quá chỉnh trong khoảng 10% đến 15% khi ta chọn C > 0,1P hoặc > 0,8P Đáp ứng của hệ thống không có quá chỉnh khi hằng

số thời gian được chọn C > 0,5P hoặc > 4P

Những quy luật này chỉ ra rằng, nếu thời gian chết có giá trị nhỏ, quá trình trong mạch kín nhanh hơn từ 2 10 lần quá trình trong mạch hở Vì thế, phản hồi mong muốn với vòng lặp kín của đáp ứng khi thay đổi điểm đặt đầu vào trong biểu thức (1.20) trở thành:

𝐺𝐶(𝑠) = 1

𝐺𝑃(𝑠)(

𝑒−𝜃 𝑃 𝑠

𝜏𝐶𝑠 + 1 − 𝑒−𝜃 𝑃 𝑠) (1.25)

1.4.2.2 Tổng hợp trực tiếp các bộ điều khiển tương quan (Deriving Controller

Correlations Using Direct Synthesis)

a Bộ điều khiển tương quan PI

Xác định bộ điều khiển PI, với mô hình quá trình có dạng FOPDT [13]:

Tiến hành so sánh phương trình của bộ điều khiển được tổng hợp trực tiếp

và hàm truyền tổng quát từ đó cho thấy có thể có thể suy ra được bộ điều khiển

𝐺𝐶(𝑠) = (𝜏𝑃𝑠 + 1

𝐾𝑃 ) (

2 + 𝜃𝑃𝑠2𝜏𝐶𝑠 + 𝜏𝐶𝜃𝑃𝑠2+ 2𝜃𝑃𝑠) (1.40) Biến đổi phương trình (1.40) ta nhận được:

𝐺𝐶(𝑠) = (𝜏𝑃𝑠

𝐾𝑃) (1 + 1

𝜏𝑃𝑠)

2 + 𝜃𝑃𝑠(2𝜏𝐶 + 𝜏𝐶𝜃𝑃𝑠 + 2𝜃𝑃)𝑠 (1.41) Suy ra có:

𝐺𝐶(𝑠) = (𝜏𝑃

𝐾𝑃) (1 + 1

𝜏𝑃𝑠)

2 + 𝜃𝑃𝑠(𝜏𝐶 + 𝜃𝑃) (2 + ( 𝜏𝐶𝜃𝑃

𝜏𝐶 + 𝜃𝑃) 𝑠) (1.42) Biến đổi phương trình (1.42):

𝐺𝐶(𝑠) = ( 𝜏𝑃

𝐾𝑃(𝜏𝐶 + 𝜃𝑃)) (1 + 1

𝜏𝑃𝑠)

2 + 𝜃𝑃𝑠(2 + (𝜏𝜏𝐶𝜃𝑃

1.5 Tìm hiểu khối hàm PID_COMPACT trong Tia Portal

Hình 1.20 Bộ PID Compact trong TIA Portal v12

Công dụng: PID_Compact cung cấp 1 bộ điều khiển PID với chức năng tự điều chỉnh cho chế độ tự động hoặc bằng tay

Bảng 1.6 Thông số của bộ PID [4]

Setpoint IN Real Điểm đặt của bộ điều khiển PID trong

+ Trên cạnh của sự chuyển đổi từ FALSE sang TRUE,bộ điều khiển PID chuyển sang chứ độ bằng tay,State=4 và sRet.i_Mode vẫn không đổi

+ Trên cạnh của sự thay đổi từ TRUE sang FALSE,bộ điều khiển PID chuyển tới chế độ vận hành cuối cùng và State = sRet.i_Mode

ManualValue IN Real Giá trị xử lí cho việc vận hành bằng tay

Default value: 0.0(Giá trị mặc định là 0.0)

Khởi động lại bộ điều khiển Default value: FALSE (Giá trị mặc định là FALSE)

Nếu Reset=TRUE,những điều sau đây được áp dụng:

+ Chế độ vận hành không hoạt động + Input value = 0 (Giá trị đầu vào =0) +Giá trị quá trình = 0

+Giá trị trung gian của hệ thống được reset

các thông số PID được duy trì) ScaledInput OUT Real

Scaled process value Default value: 0.0 Tăng tỉ lệ giá trị quá trình.Giá trị mặc định0.0

Output OUT Real Output value Default value: 0.0

Đầu ra số bộ PID.Giá trị mặc định 0.0

Output_PER OUT Word

Analog output value Default value: W#16#0

Đầu ra tương tự bộ PID Giá trị mặc định W#16#0

Output_PWM OUT Bool

Output value for pulse width modulation

Đầu ra PWM.Default value: FALSE Giá trị mặc định là FALSE

SetpointLimit_H OUT Bool

Giới hạn trên của SP Default value: FALSE

Nếu SetpointLimit_H=TRUE,đạt đến giới hạn trên tuyệt đối của SP Default value: FALSE.Giá trị mặc định là False

SetpointLimit_L OUT Bool

Giới hạn dưới của SP Default value: FALSE

Nếu SetpointLimit_H=TRUE,đạt đến giới hạn dưới tuyệt đối của SP Default value: FALSE Giá trị mặc định là False

InputWarning_H OUT Bool

Nếu InputWarning_H = TRUE ,giá trị xử lí(PV) đạt đến hay vượt mức giới hạn trên Giá trị mặc định là False

InputWarning_L OUT Bool

Nếu InputWarning_H = TRUE ,giá trị xử lí(PV) đạt đến hay vượt mức giới hạn dưới Default value: FALSE Giá trị mặc định là False

Chế độ vận hành hiện tại của bộ điều khiển PID Default value: 0

Sử dụng sRet.i_Mode để chuyển chế độ + State = 0: Inactive (Không hoạt động) + State = 1: Pretuning (điều chỉnh sơ bộ) + State = 2: Manual fine tuning (Tinh chỉnh)

+ State = 3: Automatic mode (Tự động) + State = 4: Manual mode(Bằng tay) Error OUT DWord Error message Default value:

DW#16#0000 (no error)Báo lỗi