Ứng dụng điều khiển thông minh trong công nghiệp

TỔNG QUAN

ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong ngành công nghiệp, tính chất và tầm quan trọng của hệ thống quyết định khả năng vận hành của nhà máy và chất lượng sản phẩm, ảnh hưởng trực tiếp đến an ninh quốc gia Do đó, yêu cầu hệ thống phải hoạt động liên tục, giảm thiểu thời gian ngừng máy và nâng cao hiệu quả trở thành những yếu tố hàng đầu Bên cạnh đó, việc khoanh vùng sự cố để khắc phục nhanh chóng và hiệu quả cũng rất quan trọng.

Giải pháp "Redundancy" mạng dự phòng là một phương pháp phổ biến trong các nhà máy và trạm phân phối nhằm đảm bảo hoạt động liên tục của hệ thống và giảm thiểu sự cố Bên cạnh đó, việc giám sát và cảnh báo khi xảy ra lỗi trong hệ thống cũng đang được chú trọng để nâng cao hiệu quả vận hành.

Chức năng dự phòng trong hệ thống sản xuất đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hoạt động liên tục, giảm thiểu sai sót và lãng phí nguyên vật liệu khi xảy ra sự cố Điều này không chỉ nâng cao hiệu quả chất lượng sản phẩm mà còn giúp khoanh vùng và truy tìm lỗi nhanh chóng, tiết kiệm thời gian và nguồn lực, từ đó giảm thiệt hại kinh tế cho doanh nghiệp Mức độ dự phòng của hệ thống được thiết kế tùy thuộc vào tầm quan trọng và khả năng tài chính của doanh nghiệp.

Đảm bảo hệ thống hoạt động liên tục và chất lượng hệ thống là hai vấn đề quan trọng trong công nghiệp hiện nay Hầu hết các hệ thống điều khiển hiện tại đều là phi tuyến, và để đạt được chất lượng cao, việc điều chỉnh thông số cho bộ điều khiển PID phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm.

Bộ điều khiển sử dụng logic mờ (FLC) cho phép thích nghi nhanh chóng và đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong các hệ thống tàu cao tốc tại Nhật Bản.

Sự vượt trội của FLC đã được kiểm chứng

MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

Thiết kế Fuzzy Logic controller(FLC) đáp ứng yêu cầu điều khiển mô hình áp suất

Xây dựng hệ thống dự phòng CPU dựa trên mạng Controlnet nhằm duy trì hoạt động liên tục khi xảy ra sự cố như lỗi phần cứng CPU, chuyển sang chế độ program mode hoặc mất nguồn trên chassis Hệ thống này giúp giảm thời gian chuyển mạch giữa PLC chính và phụ, đảm bảo phản hồi nhanh chóng để tránh mất kết nối với các thiết bị khác.

Xây dựng chương trình báo lỗi để truy xuất thông tin và sử dụng phần mềm SCADA nhằm giám sát toàn bộ hoạt động của hệ thống Chương trình này sẽ cung cấp chỉ dẫn khoanh vùng và khắc phục sự cố nhanh chóng, đồng thời cảnh báo người quản lý khi có sự cố xảy ra Tại các trạm, việc giám sát và điều khiển các hệ thống bồn áp suất được thực hiện để đạt chất lượng điều khiển tối ưu thông qua bộ điều khiển FLC.

NỘI DUNG NHIÊN CỨU

Với những mục tiêu mà đề tài hướng đến nhóm sẽ tiến hành thực hiện những nội dung sau đây

NỘI DUNG 1: Tìm hiểu lý thuyết bộ điều khiển Fuzzy logic

NỘI DUNG 2: Tìm hiểu về mạng dự phòng cho các hệ thống tự động hóa công nghiệp

NỘI DUNG 3: Thiết kế bộ điều khiển FLC

NỘI DUNG 4: Thiết kế hệ thống mạng dự phòng chuyển mạch dựa trên chương trình phần mềm

NỘI DUNG 5: Viết chương trình giám sát hệ thống SCADA

NỘI DUNG 6: Đánh giá kết quả thực hiện

GIỚI HẠN ĐỀ TÀI

Do hạn chế về kinh phí và thiết bị, đề tài chỉ tập trung vào việc dự phòng ở cấp độ CPU, chưa thể triển khai một hệ thống dự phòng toàn diện.

BỐ CỤC CỦA ĐỀ TÀI

Nội dung chính của đề tài được trình bày như sau thành các chương như sau:

Chương 1: Tổng quan: Trong chương này nhóm trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu, mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Chương 2: Cơ sở lý thuyết: Ở chương này nhóm trình bày về mô hình điều khiển vòng kín, lý thuyết điều khiển mờ, các hệ thống mạng công nghiệp của Rockwell Automation, biến tần, tiêu chuẩn kỹ thuật IEEE754, cơ sở về công nghệ dự phòng (software output switching), báo lỗi hệ thống

Chương 3: Thiết kế hệ thống: Trong chương này nhóm sẽ đề ra yêu cầu thiết kế, lựa chọn thiết bị phần cứng cho các yêu cầu đặt ra

Chương 4: Điều khiển giám sát: Nội dung ở chương này sẽ đưa ra lưu đồ giải thuật, chương trình điều khiển, thiết kế giao diện giám sát trên HMI và màn hình máy tính, quá trình giám sát và cảnh báo lỗi của hệ thống

Chương 5: Kết quả: Thu thập số liệu, trình bày kết quả của quá trình điều khiển áp suất, dự phòng và báo lỗi với những tình huống lỗi giả định

Chương 6: Kiểm tra đánh giá chất lượng mô hình, hướng phát triển của đề tài: Đánh giá những điều đã làm được cũng như những hạn chế của hệ thống

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Bộ điều khiển FUZZY

2.1.1 Tổng quan hệ thống áp suất

Hiện nay, nhu cầu sử dụng nước trong các tòa nhà thay đổi theo từng thời điểm Để đáp ứng yêu cầu này, cần có một hệ thống bơm thông minh có khả năng tự động điều chỉnh công suất bơm phù hợp với lượng nước tiêu thụ, đồng thời duy trì áp suất ổn định cho toàn bộ hệ thống.

Nghiên cứu cho thấy nhiều chung cư, khách sạn, nhà hàng và bệnh viện vẫn sử dụng hệ thống bơm nước khởi động bằng contactor Việc khởi động trực tiếp máy bơm trước khi có biến tần dẫn đến nhiều vấn đề như sụt áp hệ thống, quá tải, sốc áp lực, tiêu tốn điện năng, và có thể gây hư hỏng hoặc cháy động cơ, từ đó làm giảm tuổi thọ của hệ thống.

Sử dụng biến tần để điều khiển bơm giúp làm mềm hóa chuyển động của động cơ, tránh tình trạng sụt áp khi khởi động Thay vì đạt tốc độ ngay lập tức từ 2900 – 3000 rpm như khi không có biến tần, động cơ sẽ tăng tốc dần dần, tương tự như việc vặn ga Thời gian tăng tốc và giảm tốc có thể được cài đặt linh hoạt từ 5s, 10s hoặc theo yêu cầu cụ thể của quá trình vận hành.

Hình 2 1 Hệ thống bơm điều áp sử dụng PLC

2.1.2 Lý thuyết điều khiển vòng kín

Sơ đồ tổng quát của hệ thống điều khiển tự động – [2]

Hình 2 2 Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển tự động

Mọi hệ thống điều khiển tự động đều bao gồm 3 bộ phận cơ bản :

- Thiết bị điều khiển C (Controller device)

- Đối tượng điều khiển (Object device)

- Thiết bị đo lường (Measuring device) Trong đó: u(t) tín hiệu vào; e(t) Sai lệch điều khiển;

Trang 6 x(t) Tín hiệu điều khiển; y(t) Tín hiệu ra ; z(t) Tín hiệu phản hồi Muốn hệ thống điều khiển có chất lượng cao thì bắt buộc phải có phải hồi thông tin, tức phải có đo lường các tín hiệu từ đối tượng điều khiển

Tín hiệu ra y(t) được so sánh với tín hiệu vào u(t) để tạo ra tín hiệu tác động vào đầu vào của bộ điều khiển C, từ đó sinh ra tín hiệu điều khiển cho đối tượng.

2.1.3 Bộ điều khiển FUZZY Ông Klir (1997) cho rằng: “Lôgic mờ (tiếng Anh: Fuzzy logic) được phát triển từ lý thuyết tập mờ để thực hiện lập luận một cách xấp xỉ thay vì lập luận chính xác theo lôgic vị từ cổ điển Lôgic mờ có thể được coi là mặt ứng dụng của lý thuyết tập mờ để xử lý các giá trị trong thế giới thực cho các bài toán phức tạp”

Mức độ đúng và xác suất thường bị nhầm lẫn, nhưng chúng là hai khái niệm hoàn toàn khác nhau Độ đúng đắn của lôgic mờ phản ánh sự liên thuộc với các tập hợp không rõ ràng, không phải khả năng xảy ra của một biến cố nào đó Ví dụ, khi Bảo đứng giữa phòng bếp và phòng ăn, trạng thái của anh có thể được xem là "có phần ở trong bếp" Nếu Bảo chỉ thò một ngón chân vào phòng ăn, ta có thể định lượng rằng anh ở "trong bếp" 99% và "trong phòng ăn" 1% Trong tình huống này, không có biến cố nào xác định Bảo hoàn toàn ở một trong hai phòng.

"không ở trong bếp" Các tập mờ được đặt cơ sở trên các định nghĩa mờ về các tập hợp chứ không phải dựa trên sự ngẫu nhiên

Lôgic mờ cho phép các giá trị liên thuộc nằm trong khoảng từ 0 đến 1, sử dụng các khái niệm ngôn từ không chính xác như "hơi hơi", "gần như", "khá là" và "rất".

Lôgic mờ, được giới thiệu lần đầu bởi GS Lotfi Zadeh tại Đại học California, Berkeley vào năm 1965, cho phép quan hệ thành viên không đầy đủ giữa các thành viên và tập hợp Tính chất này liên quan chặt chẽ đến tập mờ và lý thuyết xác suất.

Hình 2 3 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ dựa trên lý thuyết điều khiển vòng kín – [1],[2]

Bộ điều khiển mờ bao gồm bốn khối chính: khối mờ hóa, khối hợp thành, khối luật mờ và khối giải mờ Khối mờ hóa định nghĩa các biến ngôn ngữ đầu vào và đầu ra thông qua tập mờ và các hàm liên thuộc Khối hợp thành và khối luật mờ đóng vai trò như bộ não của hệ thống, cho phép điều chỉnh mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra dựa trên các quy tắc được xây dựng từ kinh nghiệm của người thiết kế Cuối cùng, khối giải mờ thực hiện quá trình chuyển đổi giá trị mờ thành giá trị rõ ràng có thể chấp nhận được từ hàm liên thuộc.

Tập mờ A nằm trên tập cơ sở X là một tập hợp có đặc điểm mỗi phần tử có một cặp giá trị là (x,𝜇 𝐴 (𝑥)) , x ∈ 𝑋

Hàm thành viên 𝜇 𝐴 (𝑥) xác định mức độ phụ thuộc của x vào tập mờ Nếu giá trị của hàm thành viên bằng 1, x hoàn toàn thuộc về tập mờ; nếu bằng 0, x không thuộc tập Khi giá trị nằm giữa 0 và 1, x được coi là thành phần của tập mờ.

Nhiệt độ có thể được phân loại thành hai trường hợp chính là nóng và lạnh Tuy nhiên, thực tế cho thấy có nhiều mức độ nhiệt độ khác nhau, bao gồm rất lạnh, hơi lạnh, lạnh, ấm, hơi nóng và rất nóng.

Tập mờ có thể được biểu diễn theo hai cách: liên tục và rời rạc Hình 2.6 minh họa cho phương pháp biểu diễn liên tục, trong khi đó các dạng hàm liên thuộc của logic mờ cũng rất quan trọng trong việc hiểu rõ hơn về tập mờ.

• Triangle MFs (hình tam giác)

Hình 2 9 Signmoid MF Định nghĩa về chiều cao và ∝ cắt của tập mờ

Chiều cao của tập mờ A là mức độ thành viên cao nhất của các phần tử trong A:

Trong miền rời rạc X, phần lớn nhất (supremum) trở thành cực đại và do đó chiều cao là mức độ thành viên lớn nhất với mọi x∈X

Hình 2 10 Chiều cao của tập mờ A

Có nhiều phương pháp để định nghĩa tập mờ trên máy tính, bao gồm việc mô tả các hàm thành viên μA(x) = f(x) và sử dụng toán tử α-cuts α-cut 𝐴 ∝ của tập mờ A là tập con crisp của vũ trụ X, bao gồm tất cả các phần tử có mức độ thành viên lớn hơn hoặc bằng α.

Hình 2 11 ⍺-cut và strong ⍺-cut

• Tập mờ Normal Tập mờ A nằm trên tập cơ sở X gọi là Normal Fuzzy Set nếu 𝐴(𝑥)là tập lồi (a convex set) và chiều cao của A(x)=1

Tập mờ định nghĩa trong Rn là lồi (convex) nếu có từng tập α-cuts của mình là tập lồi

2.1.3.2 Các phép toán trên tập mờ

Phần này giới thiệu các định nghĩa cơ bản của Zadeh vể phép giao mờ (fuzzy intersection), phép hội (union) và phép bù (complement)

• Phép bù (Complement) Gọi A là tập mờ trong X Phần phụ của A là tập mờ, gọi là tập mờ 𝐴̅ , sao cho với mỗi x∈X:

Hình 2 12 Tập mờ và phần bù theo hàm thành viên

Hội của tập mờ (Union of Fuzzy Sets) được định nghĩa cho hai tập mờ A và B trong không gian X Phép giao của A và B tạo ra một tập mờ C, ký hiệu là C = A ∪ B, trong đó mỗi phần tử x thuộc X.

Một số S- norm thường dùng là:

Hình 2 13 Phép hội mờ A ∪ B của hàm thành viên

Mạng DeviceNet

Mạng truyền thông DeviceNet, được giới thiệu bởi hãng Allen-Bradley vào năm 1994, là một hệ thống bus phát triển từ công nghệ CAN, nhằm kết nối các thiết bị trong cơ cấu chấp hành hoặc mở rộng I/O DeviceNet hỗ trợ các phương thức giao tiếp điểm-điểm (Peer to Peer) và chủ-tớ (Master/Slave).

Hình 2 17 Mô hình kết nối các thiết bị qua DeviceNet

Mỗi mạng Devicenet cho phép nối tối đa 64 node và đều được gắn địa chỉ từ 0-

63 Devicenet có cấu trúc mạng kiểu đường trục/ đường nhánh Đường trục là xương sống của mạng (backbone) phải được kết thúc với trở đầu cuối là 120 Ohm, 0.25W Các đường nhánh để kết nối các nút mạng với đường trục chính có chiều dài tối đa là 6m Ba tốc độ truyền qui định là 125 Kbit/s, 250 Kbit/s, 500 Kbit/s tương ứng với chiều dài tối đa của đường trục là 500 m, 250 m và 100m

Mỗi thiết bị trong mạng DeviceNet được gán một địa chỉ từ 0 đến 63, giúp master scanner quản lý hiệu quả Sau khi cấu hình, các thiết bị sẽ nhận vùng nhớ từ CPU để điều khiển hoạt động của các trạm thiết bị Việc cấu hình mạng DeviceNet với scanner của Rockwell Automation được thực hiện qua phần mềm RSnetworx for DeviceNet Để lập trình, điều khiển và giám sát thiết bị qua mạng DeviceNet, bước đầu tiên là cấu hình mạng DeviceNet theo các bước hướng dẫn cụ thể.

- Thiết lập cấu hình DeviceNet

- Khai báo phần cứng mạng DeviceNet dùng RSlogix 5000

- Viết chương trình trong RSLogix 5000

- Download, chạy thử và kiểm tra truyền thông

Cấu hình mạng của hệ thống

Hình 2 18 Cấu hình master scanner

Mạng ControlNet

Mạng ControlNet là một mạng điều khiển mở, lý tưởng cho các ứng dụng thời gian thực với tốc độ truyền cao, giúp nâng cao hiệu suất hoạt động I/O và truyền thông ngang hàng So với mạng DeviceNet, ControlNet cho phép trao đổi dữ liệu hiệu quả hơn.

ControlNet cho phép kết nối nhiều bộ điều khiển trên một liên kết duy nhất, chia sẻ đầu vào trong khi vẫn kiểm soát đầu ra riêng biệt Hệ thống này hỗ trợ trao đổi dữ liệu lớn, bao gồm cả việc tải xuống và tải lên chương trình, với tốc độ truyền thông cao lên đến 5Mbps qua cáp đồng trục Ngoài ra, ControlNet còn cho phép truyền thông dự phòng bằng phần cứng hoặc phần mềm, kết nối tối đa 99 node với nhiều loại thiết bị khác nhau.

Người lập trình sử dụng phần mềm RSLinx để cấu hình giao tiếp giữa máy tính và và bộ điều khiển thông qua module ControlLogix EtherNet/IP( 1756-EN2T)

Mạng controlnet thường được sử dụng theo các trường hợp:

- Là mạng mặt định cho nền tảng controllogix

- Là mạng xương sống cho nhiều mạng devicenet phân phối trong cùng một hệ thống

- Là một mạng lưới kết nối các thiết bị ngang hàng

Sau khi kết nối các phần cứng trên trạm ControlNet, cần thiết lập cấu hình mạng trên phần mềm để các thiết bị trong mạng có thể nhận diện và giao tiếp với nhau thông qua địa chỉ mạng của từng thiết bị.

Hình 2 20 File scanlist trong phần mềm RSNetWorx for Controlnet

Mạng EtherNet

Ngày nay, EtherNet là công nghệ truyền thông phổ biến trong các nhà máy công nghiệp, hoạt động như một mạng cục bộ (LAN) để chuyển thông tin giữa máy tính và thiết bị công nghiệp với tốc độ từ 10Mbit/s đến 10Gbit/s Mặc dù có nhiều công nghệ mạng LAN mới xuất hiện, Ethernet vẫn là lựa chọn hàng đầu Theo ước tính vào năm 1994, đã có hơn 40 triệu nút Ethernet được sử dụng trên toàn cầu.

Cáp là yếu tố quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng tín hiệu và đường truyền, tương tự như các chuẩn công nghiệp khác Việc lựa chọn loại cáp phù hợp phụ thuộc vào điều kiện môi trường làm việc như gia đình, văn phòng hay nhà máy, nơi có nhiều tín hiệu nhiễu điện từ, cũng như các điều kiện khắc nghiệt như độ ẩm, bụi bẩn và hóa chất Sự lựa chọn đúng loại cáp sẽ góp phần quan trọng vào việc triển khai và vận hành hệ thống mạng hiệu quả.

Mạng Ethernet công nghiệp là hệ thống truyền thông thiết yếu cho cấp quản lý và phân xưởng, giúp kết nối máy tính với các hệ thống tự động hóa Nó cho phép trao đổi lượng thông tin lớn và hoạt động hiệu quả trên phạm vi rộng Các bộ xử lý truyền thông trong mạng liên tục giám sát để đảm bảo đường dẫn không bị chiếm dụng.

Mạng Ethernet của Rockwell Automation có những tính chất đặc trưng sau – [7]:

− Mạng Ethernet công nghiệp sử dụng thủ tục truyền thông ISO và TCP/IP (Transmission Control Protocol/ Internet Protocol)

According to the chosen access method CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), all members within an industrial Ethernet network are treated equally.

− Theo tiêu chuẩn truyền thông ISO và ISO on TCP thì Ethernet công nghiệp là mạng truyền thông mở

− Số lượng trạm tối đa là 1024 trạm

Switch là thiết bị thiết yếu trong mạng Ethernet, giúp kết nối các thiết bị hiệu quả Có hai loại switch: Managed Switch và Unmanaged Switch Đối với mạng Ethernet công nghiệp, Managed Switch thường mang lại hiệu suất cao hơn, cùng với lợi ích trong việc vận hành, bảo trì và khắc phục sự cố.

Khai báo sử dụng mạng EtherNet

Trước khi khai báo mạng EtherNet, cần phải đặt địa chỉ mạng cho từng trạm Giống như mạng DeviceNet và ControlNet, mỗi node trong mạng EtherNet phải có một địa chỉ mạng riêng Địa chỉ IP được sử dụng để xác định node mạng trong hệ thống EtherNet.

Hình 2 21 Ví dụ về địa chỉ của các trạm trong mạng EtherNet

Trước khi các CPU có thể giao tiếp qua mạng EtherNet, chúng cần được khai báo và cấu hình để thiết lập kênh truyền thông cho việc truyền nhận dữ liệu Hình 2.22 minh họa quá trình khai báo và cấu hình để CPU có địa chỉ IP 192.168.1.31 có thể trao đổi dữ liệu hiệu quả.

Hình 2 22 Khai báo và cấu hình

Biến tần

Biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều ở tần số này thành dòng điện xoay chiều ở tần số khác có thể điều chỉnh được

Bộ biến tần hoạt động dựa trên nguyên lý cơ bản là chuyển đổi nguồn điện xoay chiều 1 pha hoặc 3 pha thành nguồn điện 1 chiều bằng cách chỉnh lưu và lọc, nhờ vào bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện Điều này giúp hệ số công suất cosphi đạt giá trị tối thiểu là 0.96, không phụ thuộc vào tải Sau đó, điện áp một chiều được biến đổi thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng thông qua công nghệ IGBT và phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) Với sự tiến bộ trong công nghệ vi xử lý và bán dẫn, tần số chuyển mạch xung có thể đạt đến dải tần số siêu âm, giúp giảm tiếng ồn và tổn thất trên lõi sắt động cơ.

Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha cho phép điều chỉnh biên độ và tần số một cách linh hoạt thông qua bộ điều khiển Theo lý thuyết, có mối liên hệ nhất định giữa tần số và điện áp tùy thuộc vào chế độ điều khiển, trong đó tỉ số điện áp - tần số giữ nguyên cho tải có mô men không đổi Biến tần hiện nay là giải pháp phổ biến nhất để điều khiển tốc độ động cơ AC, mang lại nhiều lợi ích như tăng hiệu suất, giảm dòng khởi động, hạn chế sốc cơ khí và tiết kiệm điện năng Ngoài ra, biến tần ngày nay còn tích hợp bộ PID và tương thích với nhiều chuẩn truyền thông, rất phù hợp cho việc điều khiển và giám sát trong hệ thống SCADA.

Chỉnh lưu Bộ lọc DC IGBT Điện áp/ tần số cố định Điện áp/ tần số biến thiên

Hình 2 23 Nguyên lý hoạt động của biến tần

Mạch chỉnh lưu chuyển đổi nguồn điện xoay chiều 1 pha hoặc 3 pha thành nguồn điện 1 chiều phẳng thông qua bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện Quá trình này giúp duy trì hệ số công suất cosphi của hệ biến tần ổn định, không phụ thuộc vào tải, với giá trị tối thiểu là 0.96.

Tụ điện nắn phẳng: Hoạt động để nắn phẳng điện áp 1 chiều đã được chuyển đổi qua mạch chỉnh lưu

Mạch nghịch lưu là thiết bị quan trọng trong việc chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng Nó được sử dụng để cung cấp điện áp và tần số biến thiên cho động cơ, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.

Sử dụng các bộ phận đóng cắt bán dẫn (IGBT và bộ phận tương tự) có thể bật và tắt.

Chuẩn IEEE 754

Ngõ vào Analog Input 1 của biến tần PowerFlex 700s để đọc áp suất theo chuẩn IEEE 754 – [18]

Thuật ngữ "dấu phẩy động" đề cập đến hệ thống số mà vị trí của dấu phẩy có thể thay đổi, cho phép biểu diễn các số có nghĩa một cách linh hoạt Trong hệ thập phân, dấu phẩy này được gọi là dấu phẩy thập phân, trong khi trong máy tính, nó là dấu phẩy nhị phân.

Vị trí của số trong biểu diễn dấu phẩy động được xác định độc lập và đã có nhiều hệ thống khác nhau được sử dụng trong máy tính Tuy nhiên, trong hai mươi năm qua, chuẩn IEEE 754 đã trở thành tiêu chuẩn phổ biến cho việc biểu diễn số dấu phẩy động nhị phân Hiệp hội IEEE đã chuẩn hóa quy trình này, và hiện nay, hầu hết các máy tính đều tuân thủ theo chuẩn IEEE 754.

1 bit 8 bit 23 bit s e m s là bit dấu e là mã excess của phần mũ E (E = e -127, số 127 ở đây là độ lệch bias) m là phần lẻ của phần định trị M (M = 1.m)

Công thức xác định giá trị số thực như sau:

Bit dấu Phần nguyên Phần thập phân

Giải pháp dự phòng dựa trên chương trình chuyển mạch tự động

Giải pháp dự phòng dựa trên chương trình chuyển mạch tự động sử dụng hai CPU Controllogix nhằm đảm bảo hệ thống hoạt động liên tục ngay cả khi CPU chính gặp sự cố Công nghệ này tự động chuyển quyền điều khiển sang CPU thứ hai khi phát sinh các vấn đề với CPU hiện tại.

• Lỗi có thể khắc phục (major faul)

• CPU ở chế độ program mode

Trang 31 Để chuyển đổi quyền điều khiển từ một CPU đến một CPU khác mỗi CPU phải được lập trình để thực hiện các công việc sau:

• Quan sát trạng thái của CPU còn lại (peer CPU) và kiểm tra ba điều kiện sau đây:

Vị trí khóa của peer CPU

Vị trí mode của peer CPU

Không có lỗi kết nối giữa 2 CPU

• Duy trì cấu hình cho mỗi module ngõ ra

Một CPU thiết lập kết nối đến các module ngõ ra và điều khiển ngõ ra

CPU còn lại sử dụng chương trình được lập trình để ngắt kết nối (inhibit) kết nối của nó đến các module ngõ ra

Khi CPU phát hiện kết nối đến các module ngõ ra bị lỗi, nó sẽ sử dụng chương trình lập trình sẵn để ngắt kết nối với các module này Sau đó, một CPU thứ hai sẽ thực hiện kết nối lại với các module ngõ ra và chiếm quyền điều khiển.

Trong suốt quá trình chuyển đổi quyền điều khiển diễn ra output chuyển sang chế độ fault mode

Việc chuyển giao quyền điều khiển giữa các CPU không diễn ra ngay lập tức, mà có thể mất từ vài trăm mili giây đến vài giây hoặc lâu hơn, tùy thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau.

• Quy mô của hệ thống

• Số lượng I/O của hệ thống

• Bố trí của các module ngõ ra trong các trạm remote của hệ thống

Công nghệ dự phòng chuyển mạch tự động yêu cầu các thiết kế sau đây:

Công nghệ dự phòng chuyển mạch tự động cần tối thiểu hai CPU, mặc dù có thể sử dụng nhiều hơn Tuy nhiên, do các yếu tố về thời gian thực hiện và phần cứng, bài viết này sẽ tập trung vào hệ thống với hai CPU Hai CPU có thể được đặt tại hai vị trí khác nhau trong hệ thống.

Trên cùng chassis (single-chassis configuration) như hình 2.24

Hai chassis riêng biệt (dual-chassis configuration) như hình 2.25

Hình 2 24 Phân bố hai CPU trên cùng chassis

Hình 2 25 Phân bố hai CPU trên hai chassis riêng biệt

Trong hệ thống, chỉ có một CPU đảm nhiệm quyền điều khiển các module ngõ ra, do đó chương trình trong CPU sẽ thực hiện các lệnh để quyết định việc kết nối hoặc ngắt kết nối với các module này.

Remote I/O chỉ bao gồm các module ngõ ra, cho phép ngắt kết nối hoặc kết nối với module controlnet trên khung từ xa Hành động này sẽ làm gián đoạn kết nối đến toàn bộ khung.

Nếu remote I/O chứa cả module ngõ vào và ngõ ra ta phải ngắt kết nối hoặc kết nối đến từng module trên trạm remote

Giải pháp dự phòng sử dụng chương trình chuyển mạch tự động nhằm ngắt kết nối giữa CPU và các module chung trong trạm remote I/O CPU có khả năng ngắt kết nối cho từng module hoặc nhóm module, đồng thời ngăn cản bộ điều khiển liên lạc với các module đã bị ngắt kết nối Khi CPU ngắt kết nối đến module mạng, toàn bộ các module khác liên kết qua module mạng đó cũng sẽ bị ngắt kết nối.

Hình 2 26 Inhibit liên kết module và CPU

Để ra lệnh chiếm quyền điều khiển hoặc ngắt kết nối một CPU trong mạng dự phòng, điều quan trọng nhất là nắm rõ trạng thái của CPU còn lại (peer CPU), bao gồm việc xác định các vấn đề lỗi và trạng thái hoạt động của nó Điều này yêu cầu các CPU trong hệ thống phải trao đổi thông tin với nhau, sử dụng dữ liệu từ đối tác để đưa ra quyết định phù hợp, nhằm duy trì hoạt động của hệ thống Thông qua việc thực hiện các lệnh message (MSG) trong RSLogix 5000, việc truyền nhận dữ liệu giữa các bộ điều khiển, các module I/O và giao diện điều khiển trở nên khả thi và hiệu quả.

Hình 2 27 Lệnh message trong ngôn ngữ ladder

Chuẩn đoán lỗi hệ thống

2.8.1 CPU logix 5000 lỗi nghiêm trọng, lỗi không nghiêm trọng, lỗi I/O Đối với các dòng PLC của hãng Rockwell Automation khi CPU xảy ra lỗi, ta có thể giám sát và truy xuất trạng thái lỗi của CPU (Hình 2.28) Mỗi loại lỗi xảy ra tương ứng với một mã lỗi cụ thể (Hình 2.29) và có mức ảnh hưởng khác nhau đối với hoạt động của hệ thống Có nhiều phương pháp để giám sát trạng thái của hệ thống và các lỗi xảy ra khi hoạt động để có các biện pháp khoanh vùng và sửa chữa nhanh chóng và hiệu quả nhất – [10]

Lỗi nghiêm trọng (major fault)

Khi xảy ra lỗi ngăn cản việc thực hiện một hoặc nhiều câu lệnh trong chương trình, lỗi đó sẽ được xác định là major fault, dẫn đến việc bộ điều khiển chuyển sang chế độ fault mode, với đèn LED trên CPU nhấp nháy màu đỏ.

Để đảm bảo hệ thống hoạt động bình thường mà không bị ảnh hưởng bởi lỗi lớn, chúng ta có thể phát triển một chương trình xóa lỗi nhằm loại bỏ những sự cố này.

Hình 2 28 Đèn giám sát trạng thái CPU

Hình 2 29 Thông báo mã lỗi từ module

Lỗi không nghiêm trọng (minor fault)

Minor fault là thuật ngữ chỉ các lỗi do CPU báo cáo nhưng vẫn cho phép hoạt động bình thường Những lỗi này thường liên quan đến nhiệm vụ sự kiện trùng lặp, lỗi bộ nhớ CPU, lỗi cổng nối tiếp, lỗi pin và lỗi trong chương trình lập trình cho CPU Để khắc phục minor fault, người dùng có thể thực hiện một chương trình xóa lỗi.

Lỗi I/O là những sự cố liên quan đến phần cứng trong hệ thống, khiến CPU ngừng hoạt động ngay lập tức Việc khắc phục các lỗi này thường phụ thuộc vào người vận hành hệ thống, thay vì được xử lý tự động qua chương trình.

2.8.2 Truy xuất và thiết lập dữ liệu hệ thống

CPU Logix5571 TM quản lý toàn bộ dữ liệu hệ thống, bao gồm thông tin về bộ nhớ, trạng thái hoạt động của CPU và các module chức năng Để truy xuất và thiết lập dữ liệu hệ thống trên CPU Logix5571 TM, chúng ta sử dụng lệnh GSV và SSV Lệnh GSV cho phép lấy thông tin được chỉ định và đặt vào đích đến, trong khi lệnh SSV dùng để đặt thuộc tính được chỉ định với dữ liệu nguồn từ người dùng.

Khi sử dụng chỉ dẫn GSV/SSV trong phần mềm lập trình, người dùng sẽ thấy danh sách các lớp đối tượng hợp lệ cùng với tên đối tượng và thuộc tính cho từng lệnh Đối với lệnh GSV, người dùng có thể truy cập giá trị cho tất cả các thuộc tính, trong khi lệnh SSV chỉ hiển thị các thuộc tính mà lập trình viên có khả năng thiết lập.

Hình 2 30 Lệnh GSV trong ngôn ngữ ladder

Hình 2 31 Lệnh SSV trong ngôn ngữ ladder

Các bước thực hiện truy xuất và thiết lập dữ liệu hệ thống

Bước 1: Mở phần mềm RSlogix 5000, khai báo các thông tin chương trình cần thiết

Bước 2: Chọn lệnh GSV/SSV

Bước 3: Tạo biến để chứa các thông tin truy vấn hay thiết lập

Bước 4: Tùy thuộc vào đối tượng cần truy vấn hoặc thiết lập, chúng ta sẽ chọn các tùy chọn phù hợp Để thực hiện việc truy xuất và thiết lập dữ liệu hệ thống cho từng đối tượng mong muốn, cần tham khảo bảng 2.1.

Bảng 2 1 Lựa chọn cấu hình lệnh dựa vào đối tượng muốn truy xuất Đối tượng truy xuất hay thiết lập Chọn

Trục của module servo AXIS

Tổng thời gian thực hiện của hệ thống CONTROLLER

Thông tin phần cứng của CPU CONTROLLERDEVICE

Thời gian phối hợp hệ thống trên 1 chassis CST

Lịch sử lỗi cho 1 CPU FAULTLOG

Thuộc tính của lệnh message MESSAGE

Trạng thái, lỗi, truyền thông, và mode của một module MODULE

Lỗi hoặc thời gian quét của một chương trình PROGRAM

Cấu hìn của serial port SERIALPORT Đặt tính hoặc thời gian của một nhiệm vụ TASK

Thời gian của CPU WALLCLOCKTIME

Thời gian đồng bộ hóa trạng thái của bộ điều khiển TIMESYNCHRONIZE

THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

Thiết kế hệ thống

Mô hình thực nghiệm được thiết kế để mô phỏng nguyên lý hoạt động của hệ thống mạng dự phòng và chẩn đoán lỗi, dựa trên nền tảng lớp mạng controlNet với các thiết bị tự động hóa Rockwell Hệ thống này thực hiện việc điều khiển ổn định áp suất thông qua trạm remote I/O Khi xảy ra lỗi, hệ thống sẽ lập tức thực hiện các biện pháp dự phòng để nhanh chóng điều chỉnh áp suất về mức mong muốn, đồng thời cảnh báo về các hiện tượng lỗi đang xảy ra với các thiết bị.

Hình 3 1 Mô hình mạng dự phòng và cảnh báo lỗi

Hình 3 2 Sơ đồ đấu dây cảm biến vào biến tần

Mô hình ổn định áp suất

Biến tần bơm nước vào bể áp suất, với áp suất được đo bằng cảm biến áp suất PSA – 01, có khả năng đo từ 0 đến 100 kPa Tín hiệu 1-5 Volt DC từ cảm biến được gửi về module đầu vào analog tích hợp trong biến tần, giúp truyền tín hiệu áp suất về CPU Tín hiệu này được sử dụng làm đầu vào cho bộ điều khiển, từ đó tính toán giá trị điều khiển để ổn định áp suất trong bể.

Hình 3 3 Mô hình ổn định áp suất

Lựa chọn thiết bị

Là một bộ điều khiển lập trình tiêu chuẩn thuộc lớp controllogix của hãng Rockwell automation

Hình 3 4 Controller 1756-L71 Bảng 3 1 Thông số cơ bản 1756-l71 [9]

Controller tasks Continuous, Periodic, Event

Tích hợp truyền thông 1 port USB

Kết nối truyền thông có thể EtherNet/IP, ControlNet, DeviceNet, Data Highway

Plus TM , Remote I/O, SynchLink TM , Third-party process and device networks

Ngôn ngữ chương trình Relay ladder, Structured tex, Function block, SFC

Dự phòng CPU Hỗ trợ tất cả các công nghệ dự phòng

1756-CNBR là module controlnet có 2 kênh cho phép kết nối mạng controlnet, nhờ vậy module này có chức năng dự phòng đường truyền

Bảng 3 2 Thông số cơ bản 1756-CNBR [4]

Số node tối đa trong một mạng 99 node

Vị trí Bất kỳ slot nào trên 1756 chassis

Cáp kết nối Cáp đồng trục RG-6

Mạng DeviceNet là một hệ thống mạng cấp thấp, thiết lập kết nối giữa các thiết bị công nghiệp đơn giản như cảm biến và thiết bị truyền động với các thiết bị cấp cao hơn như bộ điều khiển và máy tính.

Hình 3 6 Module 1756-DNB Bảng 3 3 Thông số cơ bản 1756-DNB [4]

Tốc độ giao tiếp Devicenet 125 Kps (500m Max)

Cáp kết nối Phải được kết thúc với trở đầu cuối là

Ethernet Công nghiệp là chuẩn công nghiệp được công nhận toàn cầu, dựa trên mạng khu vực theo tiêu chuẩn IEEE 802.3 Nó được thiết kế đặc biệt cho môi trường công nghiệp và mở rộng đến cấp thiết bị hiện trường Module 1756-ENBT của Rockwell Automation đóng vai trò cầu nối giao tiếp giữa các thiết bị sử dụng giao thức Ethernet, giúp tối ưu hóa kết nối và truyền tải dữ liệu trong hệ thống công nghiệp.

Hình 3 7 Module 1756-ENBT Bảng 3 4 Thông số cơ bản 1756-ENBT [4]

Tốc độ giao tiếp Ethernet/IP 10/100Mbps

Cổng kết nối Ethernet/IP Ethernet RJ45

Cáp kết nối Chuẩn IEEE 802.3

3.3.5 Cảm biến áp suất PSA-01

Cảm biến áp suất PSA-01 được lựa chọn để đo đạc áp suất cho hệ thống, giúp giảm thiểu sai lệch trong quá trình đo Việc chọn loại cảm biến phù hợp với hệ thống là rất quan trọng.

Hình 3 8 Cảm biến áp suất PSA-01 Bảng 3 5 Thông số cơ bản PSA-01 [17]

TÊN THÔNG SỐ Độ phân giải cao 1/1000

Có thể chuyển đổi đơn vị áp suất kPa, kgf/cm², bar, psi, mmHg, mmH2O, inHg Nhiều chế độ ngõ ra

Chế độ Hysteresis, chế độ cài đặt độ nhạy tự động, chế độ 2 ngõ ra độc lập, chế độ ngõ ra cửa số so sánh

Hình 3 9 Sơ đồ đấu dây cảm biến áp suất

Tính áp suất đọc về:

Hình 3 10 Tuyến tính hóa điện áp ngõ ra của cảm biến áp suất

Từ tuyến tính hóa điện áp ngõ ra của cảm biến áp suất ta có thể suy ra:

Hình 3 11 Biến tần PowerFlex 700s Bảng 3 6 Chức năng các chân tín hiệu trong TB1 [13]

CHÂN TÍN HIỆU MẶC ĐỊNH MÔ TẢ

1 Analog Input 1 Comm (Volt) +/- 10V, 0-20mA

4 Analog Input 2 Comm (Volt) +/- 10V, 0-20mA

6 Analog Input 3[NTC-] Comm (Volt) +/- 10V, 0-20mA

Bảng 3 7 Chức năng các chân tín hiệu trong TB2 – [13]

CHÂN TÍN HIỆU MẶC ĐỊNH MÔ TẢ

1 24V DC Common (-) NA Cung cấp nguồn 24V DC,

NA Chân com output 1 và output 2

6 Relay Output 3 (NC) Ngõ ra Relay, 115V AC or

9 Digital Input 1-3 Com Chân chung cho các chân Input

10 Digital Input 1 Ngõ vào Sourcing 12-

24VDC,dòng tải 15mA tại 24VDC

12 Digital Input 3 Dòng tải 15mA tại 24VDC

13 Digital Input 4-6 Com NA Chân chung cho các chân Input

14 Digital Input 4 Ngõ vào Sinking/ Sourcing , dòng 10mA tại 24VDC 7.5mA tại 115VAC

Panel View Plus mới có kích thước màn hình từ 4 đến 19 inch, bao gồm cả dòng màn hình vuông, phù hợp cho các nhà phát triển trong lĩnh vực chế tạo máy và tủ điện.

The PanelView Plus 7 Standard supports connectivity to one controller and can manage up to 25 interface screens and 200 alarms It can be integrated with the Logix 5000 PLC series using Rockwell Automation's FactoryTalk View Machine Edition (ME) software.

Sử dụng kết nối internet

Hình 3 12 Màn hình panelview plus 7

THIẾT KẾ PHẦN MỀM

Yêu cầu điều khiển hệ thống

Xây dựng lưu đồ giải thuật và chương trình điều khiển cho giải pháp dự phòng sử dụng chương trình chuyển mạch ngõ ra nhằm điều khiển ổn định hệ thống áp suất trên phần mềm RSlogix 5000 Đồng thời, cần phát triển chương trình giám sát SCADA để theo dõi toàn bộ hoạt động của hệ thống Tất cả các chương trình phải đáp ứng đầy đủ các yêu cầu đã đề ra.

• Đảm bảo hệ thống được dự phòng trong các trường hợp CPU xảy ra lỗi, CPU bị chuyển sang chế độ program mode, lỗi mất nguồn trên chassis

• Đảm bảo thời gian dự phòng của hệ thống đáp ứng được yêu cầu của các đối tượng điều khiển

• Yêu cầu chương trình phải điều khiển áp suất hệ thống với đáp ứng tốt nhất.

Thiết kế bộ điều khiển FLC

Bộ điều khiển FLC được thiết kế gồm:

2 ngõ vào: sai lệch e, vào đạo hàm sai lệch de/dt

• Sai số e: e= {giảm rất nhanh, giảm nhanh, giảm vừa, bình thường, tăng vừa, tăng nhanh, tăng rất nhanh} e= {NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB}

Hệ số sai lệch: ConstE

Hàm liên thuộc ngõ vào sai số được biểu diễn như sau:

Hình 4 1 Hàm liên thuộc ngõ vào sai số

• Đạo hàm: de/dt= {giảm rất nhanh, giảm nhanh, giảm vừa, bình thường, tăng vừa, tăng nhanh, tăng rất nhanh} de/dt={ NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB }

Hệ số đạo hàm: ConstdE

Hàm liên thuộc đạo hàm sai số ngõ vào được biểu diễn như sau:

Hình 4 2 Hàm liên thuộc ngõ vào đạo hàm sai số

Out_put = {giảm rất nhanh, giảm nhanh, giảm vừa, bình thường, tăng vừa, tăng nhanh, tăng rất nhanh}

Out_put = {NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB }

Range: {-20,20} Đơn vị: giá trị analog thay đổi (số nguyên dương)

Hệ số ngõ ra: ConstO

Hàm liên thuộc ngõ ra được biểu diễn như sau:

Hình 4 3Hàm liên thuộc ngõ ra

Thông số điều khiển của FLC: Với ERROR=SP-PV (47)

Luật điều khiển mờ được xây dựng dựa trên khảo sát đáp ứng của hệ thống, kết hợp với sự biến đổi của sai số e và đạo hàm của sai số de/dt.

Bảng 4 1Bảng mờ điều khiển mô hình áp suất de/dt error

NB NM NS ZE PS PM PB

NB NM NM NB NB PS PM PB

NM ZE NS NS NM ZE PS PM

NS PS ZE NS NS NS PS PS

ZE NB NM NS ZE PS PM PB

PS NS NS PS PS PS ZE NS

PM NM NS ZE PM PS PS ZE

PB NB NM NS PB PB PM PM

Thiết kế giải pháp dự phòng cho hệ thống

Lưu đồ giải thuật trong chương trình chính:

C P U f a u lt K ey s w itc h in R E M O T E p o sit io n

Y es C P U _ in _ R E M O T E m o d e, U n in h ib it al l c o n n ec tio n s C P U c o n n ec t t o R E M O T E C H A S S IS

C P U _ is _ SS C o n tro l I n v e rt er Y es

C o n tro lle r F a u lt H an d le r No

Hình 4 4 Lưu đồ giải thuật điều khiển và mạng dự phòng cho mô hình áp suất

Lưu đồ giải thuật cho mạng dự phòng

P ee r i n P ro g ra m e m o d e R ea d s ta tu s fr o m p ee r( PS ) P ee r i n f au lte d P o w e r l o st No No

Peer connections can be inhibited, allowing for better control over the system By utilizing data acquired from PS, users can take charge and operate within a quick 20-second timeframe Transitioning to PS enables normal functionality, enhancing overall performance.

T ak e c o n tr o l o f t h e sy st em a n d ru n u si n g d a ta a c q u ir e d fr o m P S in 2 0 s ec o n d S S c h a n g e to P S a n d r u n n o rm al ly

Hình 4 5 Lưu đồ giải thuật cho mạng dự phòng

Lưu đồ giải thuật lấy quyền điều khiển

Run system in emergency mode(20s)

End Hình 4 6 Lưu đồ giải thuật lấy quyền điều khiển

Lưu đồ giải thuật điều khiển ổn định áp suất

Input setpoint if CPU is PS Acquire setpoint if CPU is SS

Control Pump using Fuzzy logic Controller No

Control Pump using data acquired from

Hình 4 7 Lưu đồ giải thuật điều khiển ổn định áp suất

Chương trình điều khiển dùng FLC, hệ thống dự phòng, màn hình giám sát và lưu trữ dữ liệu trên SQL

Phần lập trình PLC được chia thành các chương trình con để thực hiện các chức năng khác nhau, trong đó phần mềm RSlogix 5000 được sử dụng để lập trình các chương trình dự phòng và điều khiển áp suất hệ thống.

Chương trình giám sát hệ thống trên FactoryTalk View ME (Machine Edition) và SE (Site Edition) cung cấp chức năng theo dõi và điều khiển hoạt động của hệ thống, đồng thời gửi cảnh báo lỗi đến người dùng.

Dữ liệu từ màn hình SCADA trên máy tính (data logging) được lưu trữ trên SQL server để kiểm tra và phân tích khi cần.

Phần mềm sử dụng

Giải pháp truyền thông toàn diện này kết nối bộ điều khiển lập trình Allen Bradley với nhiều phần mềm và ứng dụng khác nhau, bao gồm các chương trình lập trình như RSLogix và RSNetWorx, cũng như các ứng dụng HMI như FactoryTalk View SE và FactoryTalk View ME Bên cạnh đó, giải pháp còn hỗ trợ các ứng dụng thu thập dữ liệu sử dụng Microsoft Office, trang web và Visual Basic.

Hình 4 8Giao diện chương trình RSlinx

4.5.2 RSlogix 5000 Đây là phần mềm do hãng AB hỗ trợ dùng để lập trình cho toàn bộ các PLC thuộc họ Compactlogix và Controllogix được hỗ trợ 4 ngôn ngữ lập trình Ladder, FBD, SFC và ST Hỗ trợ cấu hình các thiết bị khác như biến tần PowerFlex, HMI…

Hình 4 9Giao diện chương trình RSlogix 5000

RSNetWorx for ControlNet là phần mềm giúp cấu hình mạng ControlNet thông qua các biểu tượng đồ họa, cho phép mô tả các đối tượng một cách trực quan Chương trình này hỗ trợ cấu hình các thông số trên toàn mạng và tạo ra cấu hình mạng mong muốn dưới dạng file scanlist.

Hình 4 10 Giao diện chương trình RSnetworx for controlnet

Chương trình này hoạt động trên hệ điều hành Windows, cho phép cấu hình các thiết bị sử dụng DeviceNet Bằng cách tạo file scanlist, người dùng có thể xác định vùng địa chỉ cho từng đối tượng điều khiển, từ đó thực hiện các chương trình liên quan đến DeviceNet.

Hình 4 11Giao diện chương trình RSnetworx for Devicenet

Hình 4 12Các chương trình được thực hiện trong PLC

Là phần mềm được hỗ trợ bởi Rockwell Automation cho việc thiết kế các bộ điều khiển dựa trên Fuzzy logic

Hình 4 13 Giao diện phần mềm Fuzzy Designer

Là chương trình nhúng được hỗ trợ bởi Rockwell Automation để lập trình giao diện SCADA trên máy tính(Site Edition) và HMI(Machine Edition)

Hình 4 14 Giới thiệu phần mềm Factory Talk View (nguồn: Rockwell Automation)

4.5.7 Phần mềm SQL Server 2008 Được cung cấp bởi Microsoft, dùng để lưu trữ và quản lý dữ liệu

Hình 4 15Giao diện phần mềm SQL Server trên máy tính.

KẾT QUẢ THỰC HIỆN

Điều khiển mô hình ổn định áp suất dùng FLC

Để kiểm chứng hiệu quả của FLC trong ứng dụng thực tế, chương trình điều khiển áp suất được viết trong môi trường RSLogix 5000

Thông số điều khiển của FLC: Các giá trị ConstE = 1.5, ConstdE = 1, ConstO = 1 được lựa chọn dựa trên kinh nghiệm của người thiết kế

Kết quả đáp ứng của hệ thống:

Hình 5 1 Đáp ứng hệ thống sử dụng FLC so với PLC

Nhận xét: với thiết lập mô hình thực nghiệm đo áp suất không khí trong khoảng từ 0 – 20 kPa

Hệ thống điều khiển sử dụng Fuzzy Logic Controller (FLC) cho phép điều khiển ổn định mà không cần biết thông số hàm truyền của đối tượng điều khiển Điều này chứng minh khả năng thích nghi và ứng dụng của FLC trong việc điều khiển các đối tượng chưa biết Đặc biệt, khi giảm Set point, FLC cho thấy khả năng thích nghi tốt hơn so với bộ điều khiển PID.

𝑆𝑎𝑖 𝑠ố 𝑥á𝑐 𝑙ậ𝑝 = 𝐺𝑖á 𝑡𝑟ị đọ𝑐 𝑡𝑟ê𝑛 𝑐ả𝑚 𝑏𝑖ế𝑛(𝑚𝑎𝑥) − 𝑆𝑒𝑡𝑝𝑜𝑖𝑛𝑡 = 0.5 (𝑘𝑃𝑎) Sai số tương đối của hệ thống = 2.5% ở mức chấp nhận được đối với đề tài tốt nghiệp

Nguyên nhân chủ yếu của sai số do đặc tuyến của cảm biến PSA-01 chưa chuẩn (điện áp đọc về dao động trong khoảng 0.955V thay vì 1V)

Bộ điều khiển Fuzzy hiện tại vẫn chưa hoàn thiện, dẫn đến hiện tượng vọt lố khi hạ Set point từ 16kPa xuống 4kPa, với sai số có thể lên đến 50% Để cải thiện tình trạng này, có thể áp dụng hàm sigmoid kết hợp với Set point nhằm tạo ra giá trị ngõ vào mềm hóa theo thời gian quá độ mong muốn Việc hoàn thiện bảng luật mờ sẽ được thực hiện trong tương lai.

Kết quả giải pháp dự phòng cho hệ thống

Kết quả dự phòng và chuẩn đoán lỗi hệ thống được kiểm nghiệm qua các trường hợp sau:

Hệ thống khởi động với CPU 32 hoạt động bình thường (PS) trong khi CPU 31 đang ở chế độ chờ dự phòng (SS) HMI được kết nối với CPU 31, trong khi màn hình SCADA trên máy tính kết nối với CPU 32.

• Khi PS chuyển sang chế độ program mode:

PS không còn cung cấp tín hiệu điều khiển hệ thống Chương trình dự phòng trong SS đã phát hiện trạng thái này và chuyển quyền điều khiển Người giám sát có thể theo dõi trạng thái chế độ chương trình của PS trên màn hình giám sát của SS.

Hình 5 2 PS chuyển sang chế độ program mode

• Xảy ra lỗi trong chương trình

Khi PS gặp lỗi và ngừng hoạt động, SS sẽ tự động chuyển sang chế độ master và ngừng trao đổi thông tin với PS Điều này dẫn đến việc màn hình giám sát PS không còn khả năng giám sát Tuy nhiên, từ màn hình giám sát SS, chúng ta vẫn có thể theo dõi trạng thái lỗi của PS.

• Lỗi mất nguồn trên chassis PS:

Khi PS đang chiếm quyền điều khiển, SS sẽ ở trạng thái chờ nếu không có sự cố lỗi Tuy nhiên, khi xảy ra lỗi mất nguồn cho PS, SS sẽ tự động lấy lại quyền điều khiển và hiển thị thông báo lỗi mất nguồn của PS trên màn hình giám sát.

Hình 5 3Đáp ứng hệ thống khi có sự cố

Kết quả cảnh báo lỗi trên màn hình HMI và SCADA

Kết quả cảnh báo hiển thị trên màn hình HMI (CPU31) và màn hình giám sát SCADA trên máy tính (CPU32) hỗ trợ hiệu quả cho việc vận hành, sửa chữa và bảo dưỡng hệ thống.

Hình 5 4 Ảnh chụp HMI thông báo các sự cố gặp phải

Hình 5 5 Màn hình SCADA từ máy tính

Lưu trữ dữ liệu trên SQL Server

Dữ liệu từ Factory Talk trên máy tính được lưu trữ vào SQL Server để kiểm tra, quản lý, phân tích khi cần

Hình 5 6 Lưu trữ dữ liệu Setpoint và Process Value trên SQL

Định dạng
Số trang	116
Dung lượng	9,12 MB