Xây dựng hệ thu thập dữ liệu và điều khiển trên nền của S7200 và CQM1H

Mục LụcA. PHẦN GIỚI THIỆU51. Đặt vấn đề52. Giới hạn đề tài63. Mục đích nghiên cứu6B. PHẦN NỘI DUNG7CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP71.1 Mạng truyền thông công nghiệp là gì?71.2 Vai trò mạng truyền thông công nghiệp71.3.1 Cấp hiện trường81.3.2 Cấp điều khiển91.3.3 Cấp điều khiển giám sát91.3.4 Cấp quản lý kĩ thuật và cấp quản lý kinh tế9CHƯƠNG 2 : HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN102.1 Cấu trúc các hệ thống điều khiển và giám sát102.1.1 Cấu trúc và các thành phần cơ bản :102.1.2 Mô hình phân cấp chức năng112.1.3 Các cấu trúc điều khiển112.2 Các thành phần của một hệ thống điều khiển phân tán132.3 Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán162.3.1 Xử lý thời gian thực:162.4 Đánh giá và lựa chọn giải pháp điều khiển phân tán172.5 Giới thiệu một số hệ điều khiển phân tán tiêu biểu18CHƯƠNG 3 : HỆ DCS CHO MÔ HÌNH TRẠM TRỘN VÀ TRẠM ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN183.1 Cấu trúc của hệ thống183.2 Các thiết bị mô hình trạm trộn203.2.1 Các thiết bị cấp trường203.2.2 Thiết bị cấp điều khiển PLC OMRON233.2.3 Điều khiển nhiệt độ bằng thuật toán PID323.3 Các thiết bị mô hình trạm điều khiển tự động biến tần393.3.1 Các thiết bị cấp trường393.3.2 Các thiết bị cấp điều khiển393.4. Cấp điều khiển và giám sát453.4.1 Giới thiệu phần mềm điều khiển giám sát Win CC 6.0 sp2453.4.2 Các chức năng của WinCC463.4.3 Giới thiệu về chuẩn giao diện OPC51CHƯƠNG 4 : KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM544.1 Sơ đồ đấu nối của hệ thống544.1.1 Sơ đồ đấu nối trạm trộn.544.1.2 Sơ đồ đấu nối trạm điều khiển biến tần554.2 Chương trình điều khiển trạm trộn và trạm điều khiển biến tần574.2.1. Thuật toán điều khiển trạm trộn574.2.2 Thuật toán điều khiển trạm biến tần594.2.3 Chương trình cho S7200594.2.4 Chương trình cho biến tần604.2.5 Chương trình cho CQM1H604.3 Giao diện điều khiển và giám sát trên Win CC61Phụ Lục 164Phụ Lục 268Phụ Lục 374Phụ Lục 475Phụ lục 577Tài liệu tham khảo77

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay trước sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ điện tử, nano, sản xuấtchip cũng như công nghệ phần mềm, nhiều thiết bị mới ra đời hoặc các thiết bị cũđược cải tiến với những chức năng mới làm cho các hệ thống điều khiển tự độngchuyển dần từ hệ điều khiển tập trung sang hệ điều khiển không tập trung hoặc hệđiều khiển phân tán (DCS = distributed control systems)

Sản phẩm DCS đầu tiên là hệ TDC2000 do Honeywell đưa ra vào năm 1975

Từ đó tới nay, các sản phẩm DCS liên tục được phát triển và tiến hoá, nhiều sản phẩm mới ra đời thậm chí không còn được gắn cái tên DCS

Hiện nay các hệ DCS thương phẩm được ứng dụng trong nước chủ yếu là của nước ngoài cho nên có giá thành rất đắt, vì vậy hướng nghiên cứu sản xuất trong nước để giảm giá thành vẫn đang được triển khai Đặc biệt là các nghiên cứu này được triển khai tại trường đại học sẽ giúp sinh viên tiếp cận được với các hệ điều khiển hiện đại

Những kiến thức năng lực đạt được trong quá trình học tập ở trường sẽ được đánh giá qua đợt bảo vệ đề tài Vì vậy chúng em cố gắng tận dụng tất cả những kiến thức đã học ở trường, cùng với sự tìm tòi nghiên cứu, để có thể hoàn thành tốt

đề tài này Những sản phẩm, những kết quả đạt được ngày hôm nay tuy không có gìlớn lao Nhưng đó là những thành quả của nhiều năm học tập Là thành công đầu tiên của chúng em trước khi ra trường

Mặc dù chúng em đã rất cố gắng để hoàn thành đề tài này đúng thời hạn, nênkhông tránh khỏi những thiếu sót mong quý thầy cô thông cảm Chúng em mong được đón nhận những ý kiến đóng góp của quý thầy cô Cuối cùng xin chân thành cảm ơn quý thầy cô và các bạn sinh viên

Nhóm sinh viên thực hiện

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

A PHẦN GIỚI THIỆU 5

1 Đặt vấn đề 5

2 Giới hạn đề tài 6

3 Mục đích nghiên cứu 6

B PHẦN NỘI DUNG 7

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP 7

1.1 Mạng truyền thông công nghiệp là gì? 7

1.2 Vai trò mạng truyền thông công nghiệp 7

1.3.1 Cấp hiện trường 8

1.3.2 Cấp điều khiển 9

1.3.3 Cấp điều khiển giám sát 9

1.3.4 Cấp quản lý kĩ thuật và cấp quản lý kinh tế 9

CHƯƠNG 2 : HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 10

2.1 Cấu trúc các hệ thống điều khiển và giám sát 10

2.1.1 Cấu trúc và các thành phần cơ bản : 10

2.1.2 Mô hình phân cấp chức năng 11

2.1.3 Các cấu trúc điều khiển 11

2.2 Các thành phần của một hệ thống điều khiển phân tán 13

2.3 Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán 16

2.3.1 Xử lý thời gian thực: 16

2.4 Đánh giá và lựa chọn giải pháp điều khiển phân tán 17

2.5 Giới thiệu một số hệ điều khiển phân tán tiêu biểu 18

CHƯƠNG 3 : HỆ DCS CHO MÔ HÌNH TRẠM TRỘN VÀ TRẠM ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN 18

3.1 Cấu trúc của hệ thống 18

3.2 Các thiết bị mô hình trạm trộn 20

3.2.1 Các thiết bị cấp trường 20

3.2.2 Thiết bị cấp điều khiển PLC OMRON 23

3.2.3 Điều khiển nhiệt độ bằng thuật toán PID 32

3.3 Các thiết bị mô hình trạm điều khiển tự động biến tần 39

3.3.1 Các thiết bị cấp trường 39

3.3.2 Các thiết bị cấp điều khiển 39

3.4 Cấp điều khiển và giám sát 45

3.4.1 Giới thiệu phần mềm điều khiển giám sát Win CC 6.0 sp2 45

3.4.2 Các chức năng của WinCC 46

3.4.3 Giới thiệu về chuẩn giao diện OPC 51

CHƯƠNG 4 : KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 54

4.1 Sơ đồ đấu nối của hệ thống 54

4.1.1 Sơ đồ đấu nối trạm trộn 54

4.1.2 Sơ đồ đấu nối trạm điều khiển biến tần 55

4.2 Chương trình điều khiển trạm trộn và trạm điều khiển biến tần 57

4.2.1 Thuật toán điều khiển trạm trộn 57

4.2.2 Thuật toán điều khiển trạm biến tần 59

4.2.3 Chương trình cho S7200 59

4.2.4 Chương trình cho biến tần 60

4.2.5 Chương trình cho CQM1H 60

4.3 Giao diện điều khiển và giám sát trên Win CC 61

Phụ Lục 1 64

Phụ Lục 3 74

Phụ Lục 4 75

Phụ lục 5 77

Tài liệu tham khảo 77

A PHẦN GIỚI THIỆU

1 Đặt vấn đề

cung cấp năng lượng sạch cho nền công nghiệp Ngành công nghệ kỹ thuật điện còn mang đến các giải pháp tự động hóa nhằm giải phóng sức lao động cho người, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm Vì vậy việc học tập nghiên cứu ứng dụng các giải pháp tự động hóa vào công nghiệp là nhân tố quyết định tới thành công của công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa ở nước ta Tiến đến năm 2020 nước ta cơ bản hoàn thành công nghiệp hóa hiện đại hóa theo hướng hiện đại Việc ứng dụng công nghệ điều khiển hiện đại trong các hệ thống công nghiệp, nhà máy

là điều rất cần thiết và vô cùng quan trọng Một trong những hệ thống tiêu biểu

hiện nay là DCS Nhóm đồ án đã chọn đề tài “Xây dựng hệ thu thập dữ liệu và điều

khiển trên nền của S7-200 và CQM1H ” để nghiên cứu,tìm hiểu vai trò và tầm

quan trọng của hệ DCS trong công nghiệp hiện đai

2 Giới hạn đề tài

Với thời gian 3 tháng thực hiện đề tài, cũng như trình độ chuyên môn có hạn, chúng em đã cố gắng hết sức để hoàn thành đề tài này và đã giải quyết được những vấn đề sau :

-Nghiên cứu thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển trên nền của S7-200

và CQM1H với ba cấp: cấp trường, cấp điều khiển, cấp giám sát

-Áp dụng các kết quả nghiên cứu vào thực tế thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống điều khiển cụ thể nhằm chứng minh hiệu quả của phương pháp đề xuất trong việc giải quyết bài toán trên

điều khiển cụ thể nhằm chứng minh hiệu quả của lý thuyết đã học

- Tiếp cận với các hệ thống điều khiển hiện đại

B PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG

NGHIỆP

1.1 Mạng truyền thông công nghiệp là gì?

Mạng truyền thông công nghiệp là một khái niệm chung chỉ các hệ thống

mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp, được sử dụng để ghép nối các thiết bị

công nghiệp

Các hệ thống truyền thông công nghiệp hiện nay cho phép liên kết mạng ở nhiều mức khác nhau, từ cảm biến, cơ cấu chấp hành dưới cấp trường cho đến các máy tính điều khiển, thiết bị quan sát, máy tính điều khiển giám sát và các máy tínhcấp điều hành xí nghiệp, quản lý công ty

1.2 Vai trò mạng truyền thông công nghiệp

- Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp, cho phép làm việc với các sản phẩm của nhiều nhà sản xuất khác nhau

- Là hệ thống mở đồng thời cho phép hiệu chỉnh điều khiển từ phòng điều khiển trung tâm

- Tiết kiệm dây nối và công thiết kế, lắp đặt hệ thống, giá thành thấp

- Nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thông tin

- Nâng cao độ linh hoạt, tính năng mở của hệ thống

- Đơn giản hóa, tiện lợi hóa việc tham số hóa, chuẩn đoán, định vị lỗi, sự cố của cácthiết bị

- Mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới của hệ thống

1.3 Phân loại

Để có cái nhìn tổng quan về mạng truyền thông trong công nghiệp, hãy xem

mô hình phân cấp để thấy các đặc trưng, cũng như chức năng nhiệm vụ của từng cấp

Hình 1.1: Mô hình phân cấp chức năng mạng xí nghiệp

1.3.1 Cấp hiện trường

Đây là cấp nằm tại hiện trường và tất nhiên cấp này nắm sát với dây truyền sản xuất nhất Các thiết bị chính trong cấp này là sensor và cơ cấu chấp hành, chúng có thể nối mạng trực tiếp hoặc thông qua đường bus để nối với cấp trên (cấp điều khiển)

Hệ thống bus dùng để kết nối các thiét bị ở cấp trường với cấp điều khiển gọi

là Bus trường (field bus), trong thực tế hệ thống bus này đỏi hỏi cần có đáp ứng vớithời gian thực trong các cuộc trao đổi thông tin, một đặc trưng của các cuộc trao đổi thông tin cấp trường là bản tin thường có chiều dài không lớn

Các sensor và cơ cấu chấp hành được nối trên đường bus có thể là các thiết

bị thông minh hoặc cũng có thể là các thiết bị thông thường có xử dụng thêm các

bộ chuyển đổi giao thức tương thích

Điển hình của bus trường là: Profibus-DP, Profibus-PA, CAN, Foundation, Fielbus,DeviceNet

1.3.2 Cấp điều khiển

Cấp này gồm các trạm điều khiển hiện trường (FCS), các bộ điều khiển logiclập trình (PLC), các thiết bị quan sát…Chức năng cthu thập các tín hiệu từ hiện trường, thực hiện điều khiển cơ sở, điều khiển logic, tổng hợp dữ liệu…

Các thiết bị ở cấp này được kết nối với nhau và kết nối với các thiết bị ở cấp trên (cấp điều khiển giám sát) thông qua bus hệ thống, thực tế các bản tin trao đổi trên bus hệ thống cũng đòi hỏi tính năng thời gian thực cao, mặt khác đặc thù của các bản tin là chiều dài lớn hơn chiều dài các bản tin trao đổi trên bus trường

Điển hình của hệ thống bus này là: Profibus-FMS, ControlNet, Industrial

Enthernet

1.3.3 Cấp điều khiển giám sát

Các thiết bị trong cấp này bao gồm các trạm giao tiếp người máy HIS, các trạm

kĩ thuật EWS, và các thiết bị phụ trợ khác Chức năng của cấp này là thực hiện điềukhiển quá trình (Process Control), thực hiện các thuật toán và điều khiển tối ưu…Việc kết nối các thiết bị ở cấp này với các thiết bị ở cấp trên (cấp quản lí kĩ thuật) được thực hiện thông qua mạng Enthernet, thực chất đây là một mạng cục bộLAN, với tính năng trao đổi thông tin không nhất thiết với thời gan thực

1.3.4 Cấp quản lý kĩ thuật và cấp quản lý kinh tế

Thực chất các cấp này rất quan trọng đối với các hoạt động của công ty, tuy nhiên yêu cầu về tốc độ trao đổi thông tin cũng như đòi hỏi về thời gian thực là không cao, chức năng của các cấp này là quản lí tình trạnghoạt động của của cá thiết hị trong toàn hệ thống cũng như hoạch địch chiến lược phát trển sản xuất dựa trên tình trạng của thiết bị

Một số giao thức thường dùng trong hệ thống mạng này là Fast Enthernet, TCP/IP

CHƯƠNG 2 : HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN

2.1 Cấu trúc các hệ thống điều khiển và giám sát

2.1.1 Cấu trúc và các thành phần cơ bản :

Hình 2.1 Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển và giám sát

 Giao diện quá trình : các cảm biến và cơ cấu chấp hành, ghép nối và chuyển đổi tín hiệu

 Thiết bị điều khiển tự động : gồm các bộ điều khiển chuyên dụng, bộ điều khiển khả trình PLC, thiết bị điều khiển số, máy tính cá nhân và các phần mềm điều tương tự

 Hệ thống điều khiển giám sát : gồm các trạm kỹ thuật, trạm vận hành, giám sát và điều khiển cấp cao, phần mềm giao diện người máy

 Hệ thống truyền thông : bus trường, bus hệ thống,ghép nối điểm- điểm,ghép nối điểm- nhiều điểm

2.1.2 Mô hình phân cấp chức năng

Mục đích phân cấp : Định nghĩa các cấp theo chức năng, không phụ thuộc lĩnh vựccông nghiệp cụ thể Mỗi cấp có chức năng và đặc thù khác nhau

Hình 2.2 Mô hình phân cấp chức năng của 1 hệ thống điều khiển và giám sát

2.1.3 Các cấu trúc điều khiển

 Điều khiển tập trung :

 Điều khiển tập trung với vào/ra phân tán :

Hình 2.4 Cấu trúc điều khiển tập trung với vào/ra phân tán

 Điều khiển phân tán :

Hình 2.5 Cấu trúc điều khiển phân tán với vào/ra tập trung

Điều khiển phân tán với vào/ra phân tán :

Hình 2.6 Cấu trúc điều khiển phân tán với vào/ra phân tán

2.2 Các thành phần của một hệ thống điều khiển phân tán

 Cấu hình cơ bản một hệ điều khiển phân tán:

Cấu hình của một hệ điều khiển phân tán gồm các thành phần sau:

+ Các trạm điều khiển cục

+ Các trạm vận hành

+ Trạm kỹ thuật

+ Hệ thống truyền thông

Hình 2.7 Cấu hình cơ bản một hệ điều khiển phân tán

 Bus trường và các trạm vào/ra từ xa:

-Khi sử dụng cấu trúc vào ra phân tán, các trạm điều khiển cục bộ sẽ được bổ xung các module giao diện bus để nối với các trạm vào/ra từ xa (remote I/O station) để đáp ứng tính năng thời gian thực mức độ đơn giản và giá thành giảm

- Các trạm vào/ra từ xa được đặt rất gần với quá trình công nghệ kũ thuật vì thế tiết kiệm dược nhiều cáp truyền và đơn giản hóa cấu trúc hệ thống

 Trạm vận hành:

Hình 2.8 Các phương pháp bố trí trạm vận hành

- Chức năng của trạm vận hành:

+ Hiển thị các hình ảnh chuẩn, hình ảnh điều khiển trình tự, các hình ảnh đồ họa tự

do, các đồ thị thời gian thực vá đồ thị quá khứ

+ Hỗ trợ vận hành hệ thống qua các công cụ thao tác tiêu biểu,chỉ dẫn,trợ giúp + Tạo và quản lý các công thức điều khiển

+ Xử lý các sự kiện sự cố, lưu trữ và quản lý dữ liệu

+ Chuẩn đoán hệ thống, hỗ trợ người vận hành và bảo trì hệ thống và lập báo cáo

tự động

 Trạm kỹ thuật và các công cụ phát triển:

- Trạm kỹ thuật la nơi cài đặt các công cụ phát triển, cho phép cài đặt cấu hình cho

hệ thống, theo dõi chương trình ứng dụng điều khiển và giao diện người máy, đặt cấu hình và tham số hóa các thiết bị trường

 Bus hệ thống:

- Hệ thống bus có chức năng nối mạng các trạm điều khiển cục bộ với nhau và với các trạm vận hành, tram kỹ thuật.

- Đặc điểm của việc trao đổi thông tin qua hệ thống bus là lưu lượng thông tin lớn,

vì vậy tốc độ đường truyền phải tương đối cao Tính năng thời gian thực cũng phải đảm bảo

2.3 Xử lý thời gian thực và xử lý phân tán

2.3.1 Xử lý thời gian thực:

Xử lý thời gian thực là hình thức xử lý thông tin trong một hệ thống để đảm bảo tính năng thời gian thực của nó.

-Luôn liên quan với các sự kiện bên ngoài (tính phản ứng)

-Yêu cầu cao về hiệu suất phần mềm (tính nhanh nhạy)

-Đòi hỏi xử lý đồng thời nhiều tác vụ (tính đồng thời)

-Đòi hỏi cơ sở lý thuyết chặt chẽ phục vụ phân tích và đánh giá (tính tiền định)

Các hình thức tổ chức các quá trình tính toán đồng thời :

- Xử lý cạnh tranh: nhiều quá trình tính toán chia sẻ thời gian xử lý thông tin của một bộ xử lý

- Xử lý song song : các quá trình tính toán được phân chia thực hiện song song trên nhiều bộ xử lý của một máy tính

- Xử lý phân tán: Mỗi quá trình tính toán được thực hiện riêng trên một máy tính

 Vấn đề thời gian trong hệ ĐK qua mạng

 Một hệ thời gian thực có các đặc điểm:

- Tính phản ứng: Hệ thống phải phản ứng với các sự kiện xuất hiện vào các thời

điểm không biết trước

- Tính nhanh nhạy: Hệ thống phải xử lý thông tin một cách nhanh chóng để có thể

đưa ra kết quả phản ứng một cách kịp thời

- Tính đồng thời: Hệ thống phải có khả năng phản ứng và xử lý đồng thời nhiều sự

kiện diễn ra

- Tính tiền định: Dự đoán trước được thời gian phản ứng tiêu biểu, thời gian phản

ứng chậm nhất cũng như trình tự đưa ra các phản ứng

2.4 Đánh giá và lựa chọn giải pháp điều khiển phân tán

 Phạm vi chức năng

- Chức năng điều khiển cơ sở : phương pháp điều khiển vòng kín

(PID,MPC,Fuzzy với các yêu cầu công nghiệp như chế độ Manual/Automatic trơntru, Anti-Reset-Windup); phương pháp điều khiển logic, khóa liên động

- Chức năng điều khiển cao cấp : điều khiển mẻ, điều khiển công thức, điều khiển thích nghi, bền vững, tối ưu, chuyên gia

- Chức năng điều khiển giám sát : giao diện đồ họa, khả năng lập báo cáo tự động,

cơ chế quản lý và xử lý sự kiện, sự cố; hỗ trợ ActiveX-control và OPC; hỗ trợ giao diện ODBC, chức năng Web

 Cấu trúc hệ thống và các thiết bị thành phần :

- Cấu trúc vào/ra phân tán hay vào/ra tập trung

- Cấu trúc cấp điều khiển

- Cấu trúc cấp điều khiển giám sát

- Các chủng loại thiết bị hỗ trợ

- Các hệ thống mạng truyền thông được hỗ trợ (bus trường)

 Tính năng mở :

- Khả năng tự mở rộng hệ thống

- Lựa chọn các thiết bị của các nhà cung cấp khác

- Hỗ trợ chuẩn công nghiệp (COM, OPC, MMS, )

 Phát triển hệ thống :

- Cấu hình : đơn giản hướng đối tượng Khả năng phát triển hệ thống một cáchxuyên suốt Cấu hình và tham số hóa các thiết bị và mạng truyền thông dễ dàng qua phần mềm từ trạm kỹ thuật

- Lập trình điều khiển : Các ngôn ngữ lập trình chuyên dụng, bậc cao.Lập trìnhgiao tiếp ngầm hay hiện.Khả năng tự mở rộng thư viện chức năng

 Độ tin cậy và tính sẵn sang : cơ chế dự phòng, khả năng bảo mật

 Giá thành, chi phí :

- Chi phí ban đầu gồm chi phí thiết kế hệ thống, phần cứng, phần mềm, đào

2.5 Giới thiệu một số hệ điều khiển phân tán tiêu biểu

 PCS7 của SIEMENS

 PlantScape của Honeywell

 DeltaV của Fisher Rosement

 Centum CS1000/CS3000 của Yokogawa

CHƯƠNG 3 : HỆ DCS CHO MÔ HÌNH TRẠM TRỘN VÀ TRẠM

ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN

3.1 Cấu trúc của hệ thống

Hình 3.1 Cấu trúc hệ DCS mô hình trạm trộn và trạm điều khiển biến tần

 Cấu trúc :là hệ thống điều khiển phân tán với vào/ra tập trung Máy tính

giám sát và điều khiển đặt tại phòng điều khiển trung tâm Các bộ điều khiểncục bộ là các bộ điều khiển khả trình PLC và biến tần Mỗi PLC sẽ điều khiển một trạm (phân xưởng) : Bộ điều khiển khả trình PLC CQM1H

(OMRON) điều khiển trạm trộn hóa chất, PLC S7-200(SIEMEN) điều khiển trạm biến tần - động cơ không đồng bộ Về nguyên tắc các bộ điều khiển này được nối mạng với nhau và kết nối với máy tính điều khiển giám sát (PC) thông qua bus hệ thống

 Ưu điểm của cấu trúc điều khiển phân tán:

- Độ linh hoạt cao hơn so với cấu trúc tập trung ( cả hệ thống phụ thuộc vào mộtmáy tính điều khiển trung tâm)

- Hiệu năng, độ tin cậy của hệ thống được nâng cao nhờ sự phân tán chức năng xuống cấp dưới (cho các bộ điều khiển cục bộ)

- Việc phân tán chức năng xử lý thông tin và phối hợp điều khiển có sự giám sát

từ trạm điều khiển trung tâm mở ra khả năng ứng dụng mới, tích hợp trọn vẹn trong hệ thống như lập trình cao cấp, điều khiển trình tự, điều khiển theo công thức…

 Cấp điều khiển giám sát:

Gồm một máy tính PC có cài đặt phần mềm WinCC V6.0 Sp2

Chức năng:

- Cho phép vận hành, theo dõi, giám sát hệ thống thông qua giao diện điều khiển

- Hiển thị các hình ảnh, đồ họa: giao diện, đồ thị thời gian, bảng biểu

- Xử lý các sự kiện, sự cố (alarm logging)

- Xử lý, lưu trữ và quản lý dữ liệu (Tag logging)

- Hỗ trợ lập báo cáo tự động : xuất dữ liệu ra excel

 Cấp điều khiển:

Gồm: CQM1H , S7-200 và biến tần M420

Chức năng: Nhận thông tin từ các cảm biến cấp trường, xử lý thông tin theo thuật toán điều khiển đã lập trình hay cài đặt, xử lý chương trình điều khiển dựa trên thuật toán và tác động xuống cơ cấu chấp hành

 Cấp trường:

Gồm

- Các cảm biến (sensor): cảm biến mức, cảm biến đo nhiệt độ

- Các cơ cấu chấp hành (actuator ): contac, động cơ, aptomat, máy bơm nước, heater

Chức năng: Đo lường, truyền động, chuyển đổi tín hiệu (bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ- điện áp của cảm biến nhiệt), thi hành các lệnh điều khiển của cấp trên

b Cảm biến mức AFR-1 của hãng ANLY

Sử dụng để báo mức nguyên liệu trong bình chứa thông qua đó điều khiển quátrình cấp, xả và tỷ lệ trộn nguyên liệu

Hình 3.3 Cảm Biến Mức AFR-1

Hoạt động dựa trên nguyên lý dẫn điện của dung dịch điện phân Cấu tạogồm 3 chân lấy tín hiệu ở bên ngoài có độ dài khác nhau kí hiệu E1,E2,E3 và 8 tiếpđiểm được đưa ra ngoài, có 2 đèn báo trạng thái cấp và xả được gắn trên bề mặt cmbiến

Hình 3.4 Sơ Đồ Nguyên Lý Của AFR-1

Ý nghĩa các chân của AFR-1:

Chân 7 và 2 là hai chân cấp nguồn cho cảm biến, chân 8 được nối với chân 2 AFR-1 có hai cặp tiếp điểm 8-6 thường mở và 8-5 là cặp tiếp điểm thường đóng Chân 1,4,3 lần lượt được nối với các đầu đo E3,E2,E1.Nguyên lý hoạt động: Trong quá trình xả 8-5 là cặp tiếp điểm thường đóng được nối với nhau tín hiệu đầu ra ở mức 0 valve xả mở dung dịch được xả ra ngoài đến khi đầu đo E2 bị hở 8-5 mở ra

và 8-6 đóng lại đầu ra cấp tín hiệu mức 1 báo quá trình xả kết thúc chuyển qua quá trình bơm, quá trình bơm kết thúc khi mức dung dịch trạm tới đầu đo E1 tiếp điểm 8-6 mở ra tiếp điểm 8-5 đóng lại quá trình xả bắt đầu

c Động cơ bơm LifeTech AP2500

Sử dụng để bơm nguyên liệu lên các bình trứa

Thông số kỹ thuật:

- Điện áp hoạt động AC220V/240V tần số 50Hz

- Công suất tiêu thụ 29W/32W

- Lưu lượng bơm tối đa 2000L/H

- Chiều cao cột nước tối đa 2m

- Hãng sản xuất LifeTech

Hình 3.5 Động Cơ Bơm LifeTech AP2500

d Cảm biến nhiệt độ PT100

Sử dụng để đo nhiệt độ nguyên liệu trong bồn trộn

Hình 3.6 Cảm Biến Nhiệt PT100

Hoạt động dựa trên nguyên lý thay đổi điện trở của vật liệu Platinum khi tiếp xúcvới nhiệt độ

Hình 3.7 PLC Omron và các module ghép nối

b Phân vùng nhớ PLC OMRON :

- Vùng chương trình :

- Bộ nhớ vào/ra (I/O Memory)

- Vùng nhớ khởi động (PC Setup Memory)

IR 15.00÷IR15.15

Dùng định địa chỉ cho các đầu vào (Max 256 cửa vào)

Trường nhớ ra 16 từ

IR 100 ÷ IR 115

256 bit: IR 100.00÷IR100.15 ………

IR 115.00÷IR115.15

Dùng định địa chỉ cho các đầu ra (Max 256 cửa vào)

Trường nhớ các từ (Word area)

IR 16 ÷ IR 89

IR 116 ÷ IR 189

IR 224 ÷ IR 229

-Dùng để lưu trữ kết quả trung gian

-Dữ liệu bị xoá khi mất nguồn cấp

Trường nhớ đặc biệt

(SR area)

Gồm các từ SR 224 ÷ SR 255

Một số bit đặc biệt :SR253.08 : ON yếu pinSR253.13 : Liên tục ON nếu PLC lỗi

SR253.14 : Liên tục OFF nếu PLC không lỗi

(SR253.15)=1 ở vòng quét1

Dùng cài đặt tham số cho CT

Dùng làm cờ nhớ (Flage) và các bit điều khiển (điều khiển 1 chức năng nào đó)

SR255.01 : Xung nhịp 0,2s

SR255.02 : Xung nhịp 0,1s

SR254.00 : Xung nhịp 60s

(ON=OFF)SR254.01 : Xung nhịp 0,02s

SR255.00 : Xung nhịp 0,1s

Vùng nhớ tạm (TR

area)

Chỉ có 8 bit từ TR0 ÷ TR7 Lưu trữ các giá trị tạm

thời cho việc rẽ nhánh của chương trình Lập trình qua phần mềm

Vùng nhớ có lưu

(HR area)

Gồm 100 Word : HR00 ÷ HR99

Lưu trữ các kết quả, trạng thái

Không mất dữ liệu khi

mất điệnVùng nhơ bổ trợ (AR

area)

Có 28 Word : AR00 ÷ AR27

Có 448 bit :AR00.00 ÷ AR27.15

Là các bit phục vụ chứcnăng đặc biệt như các

cờ và các bit điều khiển

Vùng nhớ liên kết

(LR area)

Có 64 Word : LR00 ÷ LR63

Có 1024 bit :LR00.00 ÷ LR63.15

Dùng để ghép nối các PLC với nhau

Vùng nhớ định thời/

đếm

(Timer/Counter area)

Có 512 bộ định thời/bộ đếm :

000 ÷ 511với tiền tố TIM hoặc CNT

Vùng nhớ dữ liệu

(DM area)

Đọc/viết : 2048 word

DM 0000 ÷ DM 2047Chỉ đọc : 456 word

DM 6144 ÷ DM 6599

PC setup : 56 word

DM 6600 ÷ DM 6655

Cái đặt các thông số phục vụ truyền thông

 Sơ đồ đấu nối đầu vào :

Hình 3.8 Sơ đồ đấu nối đầu ra dạng rơle của PLC

 Sơ đồ đấu nối của đầu ra :

Đầu ra rơ le

Hình 3.9 Sơ đồ đấu nối đầu ra dạng rơle của PLC

Đầu ra Triắc : giống hệt đầu ra rơ-le, trong đó tiếp điểm rơ-le được thay bằng

Triắc

Đầu ra transito hở Collector :

Hình 3.10 Sơ đồ đấu nối cửa ra Transito hở Collector của PLC

 Xử lý ANALOG

Module MAB42

Là module tương tự đi kèm với dòng PLC Omron CQM1H MAB42 có 4 đầu vào

và 2 đầu ra

Hình 3.11 Sơ đồ chân vào ra tương tự của module MAB42

Các đầu vào cho phép sử dụng 4 dạng tín hiệu và đầu ra cho phép sử dụng 2 dạng tín hiệu CQM1H sử dụng từ nhớ 16 bit lưu giá trị của tín hiệu vào ra tương tự sau khi chuyển đổi D/A, A/D

Các vùng nhớ sử dụng lưu giá trị của các đầu vào ra tương tự

Hình 3.13 Phân vùng bộ nhớ cho các I/O của MAB42

Hình 3.14 Dải dữ liệu chuyển đổi A/D và D/A

Các lệnh liên quan đến tín hiệu analog và điều khiển quá trình

Tỷ lệ: SCL (66) Tạo hàm: APR(-)

Điều khiển gia tốc ACL Tạo xung bề rộng thay đổi PWM

 Điều khiển PID

Hàm PID dùng thông số dặt trong C đến C+6 để tính OW dựa theo IW và SV:

C: trị đặt SV, nhị phân

C+1: dải tỉ lệ P 1 ÷ 9999 ứng với dải tỉ lệ 0.1% …

C+2: hệ số tích phân BCD Ti

C+3: hệ số vi phâ Td

C+4: chu kì lấy mẫu 00.01 sec đến 99.99 sec

C+5: bit 4 ÷ bit 15:thông số lọc thườg chọn là 0.65 (000 BCD), bit 0÷ 3: 0- PID ngược, 1- PID thuận

C+6: Bit 0÷ 3: số bit của biến ra, giá trị 0…8 ứng với số bit 8… 16bit; bit 4 ÷7: đơn vị thời gian của thời gian lấy mẫu, 0 đơn vị 100ms, 1: đơn vị 10ms; Bít 8 ÷

- Kết nối 1÷1 cho phép nối 2 PLC qua cáp nối RS-232

- Host link nối 1 máy tính với 1 PLC qua cáp RS-232 hay 1 máy tính và nhiều PLCqua cáp 485

- Controller link : nối nhiều PLC với nhau qua 2 dây ( với module mạng )

- Ethernet : nối nhiều máy tính và nhiều PLC (với module mạng )

Ngoài ra các module xuất nhập có thể nối đến PLC từ xa bằng cách dùng 2 dây theo mạng Combo Bus S, Combo Bus D

Kết nối 1-1 :

Hai PLC kết nối với nhau theo chế độ chủ - tớ, đặt cấu hình qua ô nhớ DM6654

Host link :

Dùng để ghép nối máy vi tính với PLC qua cáp nối RS-232C Nếu muốn ghép nối

1 máy vi tính với nhiều PLC ta phải dùng bộ chuyển đổi RS-232↔RS485 cho phépghép tối đa với 32 PLC

Sơ đồ nối dây như sau :

Hình 3.15 Sơ đồ đấu dây truyền thông RS232

Thông qua host link có thể dùng máy tính để lập trình cho PLC hay đọc ghi bộ nhớ của PLC, từ PLC có thể truyền thông tin cho máy tính dùng lệnh TXD Đặt cấuhình dùng DM6645 với cấu hình chuẩn là 0000 Nếu dùng RS-422/485 thì mỗi PLC được đánh số nút từ 0000 đến 0031 trong DM 6648

Máy tính truyền tin đến PLc theo dạng sau :

Một khổ truyền dài tối đa 131 ký tự, nếu dài hơn 131 thì tách ra nhiều khổ, mỗi khổ kết thúc bằng (CHR$ (13)) Khổ cuối kết thúc bằng *↵

FCS ( frame check sequence ) là kết quả phép EXCLUSIVE OR các byte truyền từ đầu đến trước FCS và đổi thành 2 ký tự ASCII Khi nhận thông tin, máy tính hay PLC tính FCS rồi so sánh với FCS đã nhận

3.2.3 Điều khiển nhiệt độ bằng thuật toán PID

a.Cấu trúc hệ thống điều khiển nhiệt độ

Một hệ thống điều khiển nhiệt độ được minh họa như sau :

Hình 3.16 Mô hình minh họa hệ thống điều khiển nhiệt độ

Bộ điều khiển gồm mạch đo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt điện (Thermo Couple-

có điện áp ra thay đổi theo nhiệt độ ) mạch điều khiển sử dụng TCA 785 để cấp xung cho mạch động lực dùng Triac đóng ngắt nguồn điện lưới cung cấp cho cuộn nhiệt

Với bộ điều khiển này có thể chọn một trong hai nguyên tắc điều khiển cơ bản

là điều khiển ON-OFF dùng role có trễ hay điều khiển tuyến tính(PID)

Với ưu điểm vượt trội trong điều khiển nhiệt độ và dựa vào tầm quan trọng của điều khiển nhiệt độ trong hệ thống.Phương pháp điều khiển kinh điển (PID) được nhóm lựa chọn để điều khiển nhiệt độ cho bồn trộn

b.Bộ điều khiển PID

Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thốngđiều khiển công nghiệp Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào Trong trường hợp không có kiến thức cơ bản

về quá trình, bộ điều khiển PID là bộ điều khiển tốt nhất.[1] Tuy nhiên, để đạt được kết quả tốt nhất, các thông số PID sử dụng trong tính toán phải điều chỉnh theo tính chất của hệ thống-trong khi kiểu điều khiển là giống nhau, các thông số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống

Hình 3.17 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển sử dụng PID

Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó đôi khi nó còn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm, viết tắt là P, I, và D Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số Tổng chập của ba tác động này dùng để điều chỉnh quá trình thông qua một phần tử điều khiển như vị trí của van điều khiển hay bộ nguồn của phần tử gia nhiệt Nhờ vậy, những giá trị này có thể làm sáng tỏ về quan

hệ thời gian: P phụ thuộc vào sai số hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy các sai số quá khứ, và D dự đoán các sai số tương lai, dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại

c Mô hình hóa đối tượng và xác định tham số Kp,Ki,Kd.

Hàm truyền bồn dung dịch và mô hình của ziegler-nichols:

Bồn dung dịch có đầu vào là điện áp cung cấp cho dây đốt (hay công suất cung cấp) và ngõ ra là nhiệt độ của dung dịch Để thành lập hàm truyền lò nhiệt ta phải khảo sát phương trình vi phân mô tả các quan hệ nhiệt độ - năng lượng ở các bộ phận, đây là bài toán phức tạp nếu muốn chính xác

Một cách gần đúng, ta có thể xem môi trường nung là đồng chất, đẳng nhiệt Nhưvậy, phương trình cân bằng năng lượng cho ta: điện năng cung cấp sẽ được dùng để

bù vào năng lượng nhiệt truyền ra bên ngoài và nâng nhiệt độ môi trường nung Từ

đó tính được hàm truyền lò lúc đó sẽ là bậc nhất:

1 )

Trong đó:

K: là hệ số tỷ lệ cho biết quan hệ vào ra ở chế độ xác lập

T: thời hằng nhiệt thể hiện quán tính của hệ thống

Mô hình hàm truyền này cho thấy quá trình quá độ với đầu vào hàm nấc có

Hình 3.18 Đáp ứng điều chỉnh của 1 hàm truyền bậc nhất

Theo Ziegler-Nichols thì một hệ thống như vậy có thể biểu diễn dưới dạng hàm truyền sau:

1

*

) (

e K s H

s T

T1: Thời gian trễ (thời gian không nhạy của lò nhiệt)

T2: Thời gian quán tính của lò nhiệt

Các hằng số thời gian được tính trên đồ thị

Khai triển Taylor của eT1s ta được:

) 1 )(

1 ( ) (

2



s T s T

K s

Phương pháp thực nghiệm được xác định bằng cách cấp nhiệt cho hệ thống với

% công suất cố định,sau đó xác định ngõ ra với thời gian tương ứng.Vẽ đáp ứng ngõ ra và xác định thông số L,T qua hệ tọa độ tỉ lệ

Kết quả như sau :

STT NHIỆT ĐỘ ĐO ĐƯỢC(ĐỘ C)

TẠI THỜI ĐIỂM (30 GIÂY CẬP NHẬT 1 LẦN) ĐƠN VỊ PHÚT

Đáp ứng được vẽ trên đồ thị sau

Nhiệt độ ban đầu của mô hình là 25 0 C

Vậy hàm truyền của bồn dung dịch và lò xo nhiệt là



KD = 0,5KpL = 0,5.0,086.21 = 0,903

Chúng ta có thể sử dụng phần mềm matlapsimulink hể chỉnh định tham số PID và xem đáp ứng đầu ra bằng cách đưa bộ điều khiển PID vào hàm truyền đối tượng

e Mạch công suất điều khiển nhiệt độ

 Sơ đồ khối điều khiển nhiệt độ

Hình 3.20 Khối điều khiển nhiệt độ

từ chân ra của TCA 785 được đưa qua một con transistor PNP và qua cách ly

này sẽ điều khiển Triac đóng mở để cung cấp điện áp xoay chiều 1 pha cho cuộnnhiệt Nhiệt độ của cuộn nhiệt thay đổi tùy thuộc vào góc mở của Thyrysto.

 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển nhiệt độ

Hình 3.21 Sơ đồ mạch nguyên lý khối điều khiển nhiệt độ

- S7-200 là PLC cỡ nhỏ của công ty Siemens.

- Cấu trúc S7-200 gồm 1 CPU và các module mở rộng cho nhiều ứng dụng khácnhau

- S7-200 gồm nhiều loại :CPU 221,222,224,226