Nghiên cứu khai thác một số module điều khiển quá trình của hệ SIMATIC s7 300

Nghiên cứu khả năng nhân giống bằng vảy củ và ảnh hưởng của một số biện pháp kỹ thuật canh tác đến sinh trưởng phát triển của cây hoa lily SORBONNE

Bộ giáo dục và đào tạo Trường đại học Nông nghiệp hà nộI

-

Vũ xuân phong

Nghiên cứu khai thác một số module điều khiển

quá trình của hệ SIMATIC S7-300

luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành : điện khí hoá sản xuất

nông nghiệp và nông thôn

Người hướng dẫn khoa học: pgs.ts phan xuân minh

Hà nội – 2008

LỜI CAM ðOAN

Tôi xin cam ñoan rằng ñây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu,

kết quả nêu trong bản luận văn này là trung thực và chưa ñược công bố trong bất kỳ

công trình khoa học nào trước ñó

Tôi xin cam ñoan rằng các thông tin trích dẫn trong bản luận văn của tôi ñều

ñược chỉ rõ nguồn gốc

Tác giả

Vũ Xuân Phong

LỜI CẢM ƠN

ðể hoàn thành luận văn này, trong thời gian qua tôi nhận ñược sự giúp ñỡ nhiệt tình của quí thầy, cô giáo bộ môn ðiện kỹ thuật- Khoa Cơ ñiện trường ðại học NNHN, của qui thầy quí giáo bộ môn ðiều khiển tự ñộng- ðH BK Hà Nội Tôi xin trân trọng cảm ơn quí thầy, cô bộ môn ðiện kỹ thuật, Khoa Cơ ñiện, Khoa SðH, Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội

Xin trân trọng gửi lời cảm ơn ñến quí thầy, cô giáo bộ môn ðiều khiển Tự ñộng- ðHBK Hà Nội ðặc biệt, xin trân trọng gửi lời cảm ơn ñến PGS-TS Phan Xuân Minh- Người trực tiếp hướng dẫn ñã tận tình giúp ñỡ và ñóng góp nhiều ý kiến quí báu ñể tôi hoàn thành bản luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Cao ñẳng nghề Cơ ñiện Xây dựng & Nông Lâm Trung Bộ, khoa Khoa Kỹ thuật ñiện – nơi tôi ñang công tác ñã tạo mọi ñiều kiện thuận lợi ñể tôi hoàn thành khóa học

Trong quá trình thực hiện ñề tài không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận ñược ý kiến của quí thầy cô giáo và các bạn ñồng nghiệp

Tôi xin chân trọng cảm ơn!

Tác giả

MỤC LỤC

MỞ ðẦU 1

PHẦN 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 3

1.1 Khái quát về kỹ thuật ñiều khiển 3

1.2 Thiết bị ñiều khiển khả trình (PLC) 6

1.3 Hệ SIMATIC PLC S7-300 8

1.3.1 PLC là gì? Error! Bookmark not defined. 1.3.2 Nguyên lý chung và cấu trúc bộ PLC 6

1.3.3 Hệ PLC S7-300 Error! Bookmark not defined. 1.3.4 Các module của PLC S7-300 10

1.4 Phần mềm STEP – 7 12

1.4.1 STEP7 ñịnh nghĩa và chức năng 12

1.4.2 Bộ chương trình STEP7 chuẩn (STEP7 Standard Package) 12

PHẦN 2 MODULE ðIỀU KHIỂN MỀM TRONG STEP 7 17

2.1 Module ñiều khiển quá trình 17

2.1.1 Modul ñiều khiển liên tục với FB41 “CONT_C” 18

2.1.2 Modul ñiều khiển bước FB42 “CONT_S” 28

2.1.3 Khối tạo hàm xung FB43 “ PULSEGEN” 30

2.1.4 Một số chú ý khi sử dụng modul mềm PID 38

2.2 Module xử lý tín hiệu 38

2.2.1 Hàm chuyển ñổi tín hiệu “SCALE” FC105 38

2.2.2 Hàm chuyển ñổi ngược “UNSCALE” FC106 39

PHẦN 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG CỤ 42

3.1 Giới thiệu System Toolbox Indentification (SIT) 42

3.1.1 Nhận dạng ñối tượng ñiều khiển 42

3.1.2 Mô hình hóa ñối tượng sử dụng công cụ System Identification ToolBox 43

3.2 Bộ ñiều khiển PID 47

3.2.1 Bộ ñiều khiển PID 47

3.2.2 Một số tác ñộng phụ không mong muốn và phương pháp ngăn ngừa 49

3.2.3 Một số phương pháp lựa chọn cấu trúc và tính toán tham số trên cở sở bộ ñiều khiển PID 50

3.4 Một số thuật toán ñiều khiển quá trình phát triển trên nền bộ ñiều khiển PID 57

3.4.1 Thuật toán ñiều khiển Cascade 57

3.4.2 Thuật toán ñiều khiển có bù ảnh hưởng của nhiễu từ tín hiệu ñặt (setpoin) 58

PHẦN 4 CÀI ðẶT BỘ ðIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNHTRÊN NỀN CÁC MODULE ðIỀU KHIỂN MỀM CỦA STEP 7 60

4.1 Cài ñặt bộ ñiều khiển PID bằng module mềm FB41 “CONT_C” và khối hàm tạo xung FB43 “PUSEGEN” 60

4.2 Cài ñặt bộ ñiều khiển Cascade trên cở sở FB 41 “CONT_C” 62

4.3 Cài ñặt bộ ñiều khiển bù ảnh hưởng của nhiễu từ tín hiệu ñặt bằng FB 41

“CONT_C” 63

PHẦN 5 ỨNG DỤNG THÍ NGHIỆM TRÊN LÒ NHIỆT ðIỆN TRỞ 66

2,3 KVA 66

5.1 ðặc ñiểm bộ thí nghiệm ñiều khiển lò ñiện trở 66

5.1.1 Sơ ñồ thí nghiệm 66

5.1.2 Các thành phần trong sơ ñồ thí nghiệm 66

5.2 Chọn tham số bộ ñiều khiển PID cho lò ñiện trở 68

5.2.1 Mô hình hóa lò ñiện trở bằng công cụ System Identifcation Toolbox trong MATLAB 68

5.2.2 Chọn tham số bộ ñiều khiển PID cho lò ñiện trở 71

5.3 Kết quả thí nghiệm ñiều khiển lò nhiệt sử dụng bộ ñiều khiển PID trên cơ sở các module mềm trong STEP7 72

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

PHỤ LỤC 81

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

BðK Bộ ñiều khiển

ðTðK ðối tượng ñiệu khiển

HTðK Hệ thống ñiều khiển

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 ðối tượng ñiều khiển 4

Hình 1.2 Hệ thống ñiều khiển vòng hở 4

Hình 1.3 Hệ thống ñiều khiển vòng kín 5

Hình 1.4 Sơ ñồ nguyên lý cấu trúc của bộ PLC 7

Hình 1.5 Hệ thống ñiều khiển có một PLC 9

Hình 1.6 Hệ thống ñiều khiển phức tạp 10

Hình 1.7 SIMATIC S7 300 của SIEMENS 9

Hình 1.8 Sơ ñồ kết nối các module của S7-300 trên rack 12

Hình 1.9 Giao diện màn hình Simatic Manager 13

Hình 1.10 Giao diện chức năng chỉnh sửa tên hình thức (symbol) 14

Hình 2.1 Sơ ñồ cấu trúc của khối FB41 19

Hình 2.2 Sơ ñồ cấu trúc chức năng ñiều khiển của khối FB41 20

Hình 2.3 Giao diện tạo khối DB mới 21

Hình 2.4 Gán tham số cho khối FB 41 21

Hình 2.5 Khối Dead Band 23

Hình 2.6 Sơ ñồ cấu trúc khối FB 42 29

Hình 2.7 Sơ ñồ của khối tạo xung của FB 43 31

Hình 2.8 Nguyên lý tạo xung của FB43 31

Hình 2.9 Biểu ñồ ñặc tính ở chế ñộ ñiều khiển 3 vị trí. 34

Hình 2.10 Biểu ñồ ñặc tính ở chế ñộ 3 vị trí không ñối xứng 35

Hình 2.11 Biểu ñồ ñặc tính ở chế ñộ 2 vị trí 36

Hình 2.12 Biểu ñồ ñặc tính ở chế ñộ ñiều khiển 2 vị trí 0-100% 36

Hình 2.13 Dạng LAD của hàm FC105 39

Hình 2.14 Dạng LAD của hàm FC106 41

Hình 3.1 Giao diện của System Identification Tool GUI 46

Hình 3.2 Cấu trúc bộ ñiều khiển PID 48

Hình 3.3 Cấu trúc bộ hiệu chỉnh khắc phục hiện tượng “Windup” 50

Hình 3.4 Xác ñịnh thông số ñối tượng từ hàm quá ñộ 51

Hình 3.5 Cấu trúc hệ thống thực nghiệm ñể xác ñịnh k th và T gh 53

Hình 3.6 Hàm quá ñộ h(t) thích ứng vói phương pháp Chien- Hrones- Reswic 54

Hình 3.7 Mối quan hệ giữa diện tích và tổng các hằng số thời gian 56

Hình 3.8 Cấu trúc BðK theo nguyên lý Cascade 58

Hình 3.9 Cấu trúc bộ ñiều khiển có bù nhiễu từ tín hiệu ñặt 58

Hình 4.1 Cấu trúc chương trình trong khối OB35 61

Hình 4.2 Sơ ñồ nguyên lý ñiều khiển PID trong khối OB 35 61

Hình 4.3 Sơ ñồ nguyên lý ñiều khiển Cascade trong khối OB 35 62

Hình 4.4 Project của chương trình bộ ñiều khiển Cascade trong STEP7 63

Hình 4.5 Cấu trúc bộ ñiều khiển bù ảnh hưởng nhiễu 64

Hình 4.6 Sơ ñồ nguyên lý ñiều khiển bù nhiễu trong khối OB35 64

Hình 4.7 Project của chương trình bộ ñiều khiểnbù nhiễu trong STEP7 65

Hình 5.1 Sơ ñồ bố trí thí nghiệm 66

Hình 5.2 Xung ñiện áp cấp cho lò nhiệt 67

Hình 5.3 Giao diện của System Identification Tool và cửa sổ import data 70

Hình 5.4 Ước lượng mô hình quán tính bậc nhất có trễ 70

Hình 5.5 ðồ thị so sánh ñầu ra ño ñược với tập số liệu ñầu ra từ mô phỏng 71

Hình 5.7 Sơ ñồ bộ ñiều khiển PID trong STEP7 73

Hình 5.8 Tạo Project “Bộ ñiều khiển nhiệt ñộ” trong STEP7 74

Hình 5.9 Khai báo ñặt cấu hình cứng cho Project 74

Hình 5.10 Tạo Project mới trong WinCC 75

Hình 5.11 ðặt tên cho Project mới và ñường dẫn 75

Hình 5.12 Chọn trạm SIMATC S7 76

Hình 5.13 Chọn kết nối cáp MPI 76

Hình 5.14 Tạo các Tag 76

Hình 5.15 ðặc tính nhiệt ñộ lò qua thực nghiệm ñiều khiển PID trên hệ SIMATIC77

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Kết hợp công tắc chuyển mạch 33

Bảng 2.2 Ví dụ về ñiều khiển nhiệt ñộ 33

Bảng 2.3 Tín hiệu ở chế ñộ ñiều khiển 2 vị trí 37

Bảng 2.4 Chế ñộ ñiều khiển 2 và 3 vị trí trong manual mode 37

Bảng 2.5 Giá trị của các biến của FC106 40

Bảng 3.1 Công thức chuyển ñổi giữa bộ PID_ADD và PID_MUL 49

Bảng 3.2 Tham số bộ ñiều khiển Ziegler Nichols theo phương pháp 1 52

Bảng 3.3 Tham số bộ ñiều khiển Ziegler Nichols theo phương pháp 2 53

Bảng 3.4 Tham số BðK yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín không có ñộ quá ñiều chỉnh 54

Bảng 3.5 Tham số BðK yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín có ñộ quá ñiều chỉnh ∆h<25%. 54

Bảng 3.6 Tham số BðK yêu cầu tối ưu theo theo tín hiệu ñặt trước có ñộ quá ñiều chỉnh ∆h ≤ 20%. 55

Bảng 3.7 Tham số BðK yêu cầu tối ưu theo theo tín hiệu ñặt trước và không có ñộ quá ñiều chỉnh ∆h ≤ 20%. 55

Bảng 3.8 Tham số BðK ưu tiên chế ñộ chống nhiễu theo phương pháp tổng Kunh 56

Bảng 3.9 Tham số BðK ưu tiên chế ñộ tác ñộng nhanh theo phương pháp tổng Kunh 57

MỞ ðẦU

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ, các thiết bị ñiều khiển số “thông minh” ngày càng ñược sử dụng phổ biến trong các hệ thống ñiều khiển; các dây chuyền sản xuất ngày càng ñược thiết kế hoàn chỉnh và ñồng bộ các giải pháp tự ñộng hóa cao ðặc biệt với việc sử dụng của PLC trong kỹ thuật ñiều khiển tự ñộng ngày càng tạo ñiều kiện thuận lợi cho việc xây dựng các sách lược và thuật toán ñiều khiển, các hệ thống ñiều khiển ngày càng linh hoạt và tối ưu Các hệ tự ñộng tích hợp trọn gói như DCS, SCADA là các giải pháp không thể thiếu trong các giải pháp ñiều khiển tự ñộng công nghiệp

Ở nước ta, các thiết bị ñiều khiển logic khả trình PLC của hãng SIEMENS hiện nay ñang ñược dùng khá phổ biến Việc nghiên cứu khai thác triệt ñể những tính năng của chúng trong kỹ thuật ñiều khiển là rất cần thiết,

nó cho phép chúng ta phát huy tối ña tính năng công dụng của thiết bị; thực hiện ñược nhiều bài toán ñiều khiển mà không cần tăng thêm chi phí ñầu tư thêm thiết bị

Vì vậy, trọng tâm của luận văn là tập trung nghiên cứu và ứng dụng một

số module ñiều khiển quá trình tích hợp trong phần mềm STEP7 và hệ SIMATIC S7-300 của hãng SIEMEN, ứng dụng thí nghiệm kiểm chứng trên

lò ñiện trở 2,3 kVA tại phòng thí nghiệm

Nội dung ñề tài bao gồm các vấn ñề sau:

Nghiên cứu tổng quan về thiết bị ñiều khiển, thiết bị ñiều khiển logic khả trình PLC và phần mềm STEP7 của hệ PLC SIMATIC S7-300 (Phần 1) Nghiên cứu ñặc ñiểm, cấu trúc, nguyên lý làm việc, các tham số ñầu vào ñầu ra của các module mềm PID tích hợp sẵn trong STEP7: FB41, FB42, FB43; các module xử lý tín hiệu FC105, FC106 (Phần 2)

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và công cụ ñể mô hình hóa ñối tượng và xây dựng một số thuật toán ñiều khiển sử dụng các module ñiều khiển quá trình của hệ SIMATIC S7-300 (Phần 3)

Nghiên cứu cài ñặt một số bộ ñiều khiển PID sử dụng các module ñiều khiển quá trình của hệ SIMATIC S7-300 (Phần 4)

Thí nghiệm kiểm chứng trên bộ thí nghiệm ñiều khiển lò ñiện trở, so sánh với một số bộ ñiều khiển khác Từ ñó rút ra kết luận thực tiễn và những

ñề xuất kiến nghị (Phần 5)

PHẦN 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Khái quát về kỹ thuật ựiều khiển

điều khiển trong kỹ thuật ựược hiểu là khoa học nghiên cứu về quá trình thu thập, xử lý tắn hiệu và ựiều khiển các quá trình và hệ thống thiết bị kỹ thuật đó là tập hợp tất cả các tác ựộng mang tắnh tổ chức của một quá trình nào ựó nhằm ựạt ựược mục ựắch mong muốn của quá trình ựó Hệ thống ựiều khiển (Controll System-HTđK) mà không có sự tham gia trực tiếp của con người ựược gọi là HTđK tự ựộng [2]

Kỹ thuật ựiều khiển phát triển từ rất xa xưa Tuy nhiên, cho ựến những năm 1940 của thế kỷ XX, cơ sở lý thuyết ựiều khiển tự ựộng ựược hình thành Khi ựó, các phương pháp khảo sát hệ Ộmột ựầu vào, một ựầu ra - SISOỢ như: Hàm truyền và biểu ựồ Bode ựể khảo sát ựáp ứng tần số và ổn ựịnh; biểu ựồ Nyquist và dự trữ ựộ lợi /pha ựể phân tắch tắnh ổn ựịnh của hệ kắn Vào cuối những năm 1940 và ựầu những năm 1950 phương pháp ựồ thị nghiệm của Evans ựã ựược hoàn thiện Giai ựoạn này ựược coi là Ộựiều khiển

cổ ựiểnỢ [10]

đến những năm 1960, là giai ựoạn phát triển của kỹ thuật ựiều khiển ựược gọi là Ộựiều khiển hiện ựạiỢ (Modern Control) Hệ kỹ thuật ngày càng trở nên phức tạp, có Ộnhiều ựầu vào, nhiều ựầu ra - MIMOỢ Và phương pháp ựiều khiển bằng biến trạng thái, lý thuyết ựiều khiển tối ưu có những bước phát triển lớn dựa trên nền tảng nguyên lý cực ựại của Pontryagin và lập trình ựộng lực học của Bellman đồng thời, lọc Kalman ựược hoàn thiện và nhanh chóng trở thành công cụ chuẩn, ựược sử dụng trong nhiều lĩnh vực ựể ước lượng trạng thái bên trong của hệ từ tập nhỏ các tắn hiệu ựo ựược [10]

Bắt ựầu từ những năm 1980, ứng dụng những thành tựu của toán học, các nghiên cứu về ựiều khiển ựã ựưa ra ựược các phương pháp thiết kế bộ ựiều

khiển (BðK) ñể một hệ kỹ thuật vẫn ñảm bảo ñược các tính năng sử dụng khi

có tác ñộng của nhiễu và sai số- “kỹ thuật ñiều khiển bền vững hệ ña biến” Trong hai thập kỷ cuối, nhiều nhánh mới về ñiều khiển cũng ñã hình thành, ñó là: thích nghi, phi tuyến, hổn hợp, mờ và neural [10]

Một hệ thống ñiều khiển là một liên kết của nhiều thành phần, tạo nên một cấu hình hệ thống có khả năng ñáp ứng một nhu cầu nhất ñịnh Một thành phần hay một quá trình (Process) cần ñược ñiều khiển ñược gọi là ñối tượng ñiều khiển (ðTðK), ñược biểu diễn bằng một khối có ñầu vào và ñầu ra Quan hệ vào – ra thể hiện mối quan hệ nhân quả của quá trình ñiều khiển, trong ñó tín hiệu vào ñược xử lý nhằm tạo ra một tín hiệu ra, thường là với năng lượng ñã ñược khuyếch ñại [1]

Hình 1.1 ðối tượng ñiều khiển

Một HTðK ñơn giản nhất bao gồm một bộ ñiều khiển (BðK) tác ñộng lên một ðTðK và ñược gọi là HTðK vòng hở (open loop), việc sử dụng BðK nhằm ñiều khiển một quá trình ñáp ứng một yêu cầu xác ñịnh trước

ðT ðK

ựộng lên ựầu vào của đTđK sao cho ựại lượng ựiều khiển ựạt ựược yêu cầu mong muốn

Thiết bị ựiều khiển (TBđK) là tập hợp tất cả các thiết bị của hệ thống nhằm tạo ra tắn hiệu ựiều khiển tác ựộng lên đTđK

Trái với HTđK vòng hở, một HTđK vòng kắn (closed loop) ựược sử dụng thêm một giá trị ựo của tắn hiệu ra thực sự ựể so sánh với ựáp ứng ựầu ra ựược mong muốn cho quá trình cần ựiều khiển giá trị ựo này ựược gọi là tắn hiệu phản hồi (feedback signal) Sơ ựồ khối của bộ ựiều khiển vòng kắn ựược thể hiện hư hình vẽ [1]

Hình 1.3 H ệ thống ựiều khiển vòng kắn

Hệ thống ựiều khiển phản hồi thường sử dụng hàm mô tả mối quan hệ xác ựịnh trước giữa tắn hiệu ra với tắn hiệu vào ựối sánh ựể ựiều khiển Thường thì sự sai khác tắn hiệu ra và tắn hiệu vào ựối sánh ựược khuyếch ựại

và sử dụng ựể ựiều khiển sao cho sự sai khác liên tục giảm

Ngày nay, hầu như trong bất cứ ngành kinh tế kỹ thuật nào nhất là các ngành công nghiệp, ở ựâu cũng áp dụng kỹ thuật ựiều khiển tự ựộng hoá và vì thế ựã làm thay ựổi diện mạo nhiều ngành sản xuất, dịch vụ đã xuất hiện những nhà máy không có người, văn phòng không có giấy, cuộc chiến không

có lắnh, rồi ựến những thuật ngữ máy thông minh, thiết bị thông minh v.v

đáp ứng

Hệ ựo

ra

1.2 Thiết bị ñiều khiển khả trình (PLC)

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của lý thuyết ñiều khiển, các thiết bị ñiều khiển hiện ñại, “thông minh” ñã ñược ra ñời ñể giải quyết các bài toán ñiều khiển lớn cho những HTðK phức tạp Hệ ñiều khiển này ñã xử lý hàng ngàn thông tin lấy từ cảm biến ñể ñiều khiển hàng trăm cơ cấu chấp hành: van, cấp nhiệt, bơm v v ñể cho ra sản phẩm với yêu cầu khắt khe về tính năng kỹ thuật

PLC (Programable Logic Controller) là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán ñiều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình thay cho việc phải thể hiện thuật toán ñó bằng mạch số Như vậy, với chương trình ñiều khiển trong mình, PLC trở thành một bộ ñiều khiển số nhỏ gọn dễ thay ñổi thuật toán và ñặc biệt dễ trao ñổi thông tin với môi trường xung quanh (với PLC khác hoặc với máy tính) Toàn bộ chương trình ñiều khiển ñược lưu nhớ trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình và ñược thực hiện thực hiện lặp theo chu kỳ của vòng quét PLC là một cụm từ chỉ tất cả các linh kiện, thiết bị hay một nhóm sản phẩm nào ñó kết hợp lại, những thiết bị này ñược lập trình tuân thủ các tác vụ logic ñể tạo nên một HTðK bán tự ñộng hoặc thuần tự ñộng

Nguyên lý chung và cấu trúc bộ PLC

Hiện nay có khá nhiều hãng sản xuất PLC, nhưng nhìn chung trong cấu trúc ñược mô tả dưới ñây

* Sơ ñồ khối của PLC

Hình 1.4 S ơ ñồ nguyên lý cấu trúc của bộ PLC

Cấu trúc BðK lập trình ñược rất gần gũi với máy tính PC (Personal Computer) Thành phần của PLC bao gồm: CPU (Central Preccesing Unit), RAM (Random-Access Memory), các bộ xử lý vào/ra, các bộ xử lý toán học

và các thành phần khác tương tự như PC nhưng ñược chế tạo ñặc thù thích nghi với sử dụng vận hành trong môi trường công nghiệp Cổng vào (input) của PLC bao gồm các thiết bị nhập logic (S/W contact, sensor digital, sensor analog, contac, bộ nhập panel số, HMI) ñưa ra ñồng thời một loạt các tác vụ

ra lệnh cho PLC thi hành, có thể là một ñoạn chương trình thông qua ñường truyền thông và ñược lưu giữ trong bộ nhớ nội của PLC, Các lệnh logic ñược lập trình sẽ xử lý sẽ xử lý và thực thi từ các cổng vào sau ñó kết quả xử lý trả

về qua ñường cổng ra (output) có thể là các relay, Tranzitor, Triac, kiểu ñiện

áp thay ñổi ñược hay vòng dòng ñiện (4-20A), một nhóm bít ñơn hoặc thậm chí là cả một loạt các dòng lệnh có dung lượng lớn xuất ra một cổng (port) truyền thông khác [3]

Khối xử lý trung tâm +

Hệ ñiều hành

Bộ nhớ chương trình

Bộ ñệm vào/ ra

Timer Counter Bit cờ

Cổng vào/ ra onboard

Cổng ngắt và ñếm

Bus của PLC CPU

Ngày nay, các HTðK tự ñộng sử dụng thiết bị ñiều khiển khả trình (Programable Logic Controller- PLC) ngày càng phổ biến Với những tính

năng ưu việt như: cấu trúc nhỏ gọn, tốc ñộ xử lý thời gian thực cao, nhiều chức năng ñiều khiển, có ñộ mềm dẻo sử dụng rất cao, cộng với khả năng kết nối với các TBðK, theo dõi giám sát… ñã tạo cho PLC một khả năng làm việc linh họat và hiệu quả Có thể nói, PLC như một máy tính số cho kỹ thuật ñiều khiển hiện ñại Ở nước ta chủ yếu ñang sử dụng PLC của các hãng sản xuất PLC như SIEMENS, MITSHUBISHI, LG, SCHNEIDER…Các PLC hiện ñại ñược chế tạo ngày càng tối ưu và ñược module hóa tiện lợi cho việc

sử dụng Hiện nay, PLC của hãng Siemens là một trong những loại PLC ñược

sử dụng phổ biến tại Việt Nam Các PLC của hãng Siemens bao gồm các dạng: Simatic 505; Simatic S5; Simatic S7, C7 Trong ñó dòng Simatic S7 ñược sử dụng nhiều nhất trong các nhà máy xí nghiệp trong nước Các họ PLC của dòng simatic S7 bao gồm: S7-200, S7-300, S7-400

1.3 Hệ SIMATIC PLC S7-300

1.3.1 Khái quát về PLC S7-300

SIMATIC S7-300 là một hệ module PLC ( Modular PLC platform) ñã ñược tối ưu hóa ñể ñạt chất lượng cao trong các quá trình tự ñộng hóa, tiết kiệm giải pháp hệ thống trong kiến trúc ñiều khiển tập trung và phân tán Hệ thống ñiều khiển sử dụng hệ SIMATIC S7-300 cung cấp HTðK tự ñộng trọn gói, bao gồm: Thiết bị ñiều khiển PLC S7, phần mềm lập trình STEP7, hệ thống giám sát HMI trên mát tính PC sử dụng phần mềm giám sát WinCC Vấn ñề nghiên cứu khia thác sử dụng hệ SIMATIC S7 ñã ñược nhiều tài liệu ñề cập Tuy nhiên trong phạm vi ñề tài, tôi chỉ ñề cập ñến nghiên cứu khai thác ứng dụng một số module mềm ñiều khiển quá trình ñược hỗ trợ trong phần mềm STEP 7 ñể sử dụng ñiều khiển các thông số quá trình như ñiều khiển áp suất, lưu lượng, nhiệt ñộ… Nhằm góp phần khai thác, sử dụng

có hiệu quả hệ SIMATIC S7-300 trong kỹ thuật ñiều khiển

Hình 1.5 SIMATIC S7 300 c ủa SIEMENS

Một hệ thống có thể có 1 PLC hoặc gồm nhiều PLC kết qua MPI bus

Hình 1.6 H ệ thống ñiều khiển có một PLC

Module PS Module CPU Module SM Module CP

Module ñầu ra Module ñầu vào

Tải chương trình Cáp tải

chương trình

ðối với hệ thống ñiều khiển phức tạp gồm nhiều trạm PLC kết nối với nhau, với các thiết bị ñiều khiển, ño lượng khác qua MPI bus

Hình 1.7 H ệ thống ñiều khiển phức tạp

1.3.2 Các module của PLC S7-300

ðể tăng tính sử dụng mềm dẻo trong ứng dụng thực tế, hê SIMATIC

S7-300 ñược chia nhỏ thành các module Do vậy số module ñược sử dụng nhiều hay ít tùy thuộc vào bài toán ñiều khiển Song bao giờ cũng phải có một module chính là module CPU, còn lại là các module nhận và truyền tín hiệu với các ñôi tượng ñiều khiển, các module chuyên dụng như PID, ñiều khiển ñộng cơ bước…chúng ñược gọi là các module mở rộng Tất các các module ñược gắn trên các thanh ray (rack)

- Module CPU

Module CPU là module có chứa bộ vi xử lý, hệ ñiều hành, bộ nhớ, bộ ñịnh thời, bộ ñếm, , cổng truyền thông RS485 và có thể có vài cổng vào ra số trên module (onboard) Trong họ PLC có nhiều loại CPU khác nhau như module CPU312, module CPU314…

Ngoài ra còn các loại module CPU với 2 cổng truyền thông trong ñó cổng truyền thông thứ 2 có chức năng chính là phục vụ việc nối mạng trong

hệ ñiều khiển phân tán

MPI-Bus

S7-400

- Module mở rộng

Các module mở rộng ñược chia làm 5 loại chính:

(1) Module nguồn PS (Power Supply): module nguồn nuôi có 3 loại là 2A, 3A và 10A

(2) Module cổng tín hiệu SM (Signal Module): module cổng tín hiệu vào, ra bao gồm:

• DI (Digital Input): module mở rộng các cổng vào số Số các cổng

vào số mở rộng có thể là 8, 16 hoặc 32 tùy thuộc vào loại module

• DO (Digital Output): module mở rộng các cổng ra số Số các

cổng ra số mở rộng có thể là 8, 16 hoặc 32 tùy thuộc vào loại module

• DI/DO (Digital Input/Digital Output ): module mở rộng các cổng

vào/ra số Số các cổng vào ra số mở rộng có thể là 8, 16 hoặc 32 tùy thuộc vào loại module

• AI (Analog Input): module mở rộng các cổng vào số tương tự, số

các cổng vào tương tự có thể là 2,4, 8 tùy thuộc vào loại module

• AO (Analog Output): module mở rộng các cổng ra số tương tự, số

các cổng ra tương tự có thể là 2,4, 8 tùy thuộc vào loại module

• AI/AO (Analog Input/Analog Output) module mở rộng các cổng

vào/ra số tương tự, số các cổng vào ra tương tự có thể là 4 vào 2

ra, hoặc 4 vào 4 ra tùy thuộc vào loại module

(3) Module ghép nối IM ( Interface Module): là loại module có nhiệm vụ kết nối các module mở rộng lại với nhau thành một khối và ñược quản lý chung bởi module CPU

(4) Module chức năng FM ( Function Module) Là module chức năng có chức ñiều khiển riêng, ví dụ như module PID, module ñiều khiển ñộng cơ bước, module ñiều khiển ñộng cơ servo, module ñiều khiển vòng kín

(5) module CP (Communication Module) là module phục vụ truyền thông trong mạng giữa PLC với nhau hoặc PLC với máy tính [3]

Hình 1.8 S ơ ñồ kết nối các module của S7-300 trên rack

1.4 Phần mềm STEP – 7

1.4.1 STEP7 ñịnh nghĩa và chức năng

STEP7 là một bộ chương trình phần mềm chuẩn sử dụng ñể ñặt cấu hình

và lập trình cho SIMATIC PLC Nó là một phần mềm công nghiệp có các version STEP7 Micro/ DOS, STEP7 Micro/Win cho S7-200; STEP7 cho S7-300 Một số chức năng của STEP7 ñược liệt kê dưới ñây:

* Có thể ñược mở rộng như là một phần mềm trong công nghiệp phần mềm SIMATIC

* Có thể chỉnh sửa tham số cho Function Module và quá trình truyền thông

* Dữ liệu truyền thông toàn cầu

* ðịnh cấu hình kết nối

1.4.2 Bộ chương trình STEP7 chuẩn (STEP7 Standard Package)

Ngôn ngữ lập trình SIMATIC và ngôn ngữ biểu diễn thống nhất trong STEP7 chuẩn tuân theo chuẩn EN 61131-3 hay IEC 1131-3 Bộ chương trình chuẩn chạy trên Windows 95/ 98/ 2000/ Me/ XP

Chức năng: Bộ chương trình STEP7 chuẩn hỗ trợ nhiều chức năng trong

toàn bộ các mặt của một quá trình tạo một nhiệm vụ ñiều khiển tự ñộng

* Thiết lập và quản lý Project

* ðịnh cấu hình và chỉnh sửa tham số phần cứng và truyền thông

* Quản lý biểu tượng

* Tạo một chương trình

* Download một chương trình cho bộ điều khiển

* Chuẩn đốn lỗi chương trình

Ngồi ra STEP7 cịn cĩ thư viện với nhiều hàm chuẩn hữu ích, phần trợ giúp online mạnh

Ứng dụng trong STEP7: Bộ chương trình STEP7 chuẩn cung cấp rất nhiều ứng dụng, ta khơng cần thiết phải mở từng ứng dụng riêng mà chúng tự khởi động khi ta chọn hàm thích hợp hay mở một đối tượng dưới đây ta nghiên cứu một số chức năng thường sử dụng

Quản lý (SIMATIC Manager)

Simatic Manager quản lý tồn bộ dữ liệu thuộc về một dự án điều khiển

tự động, bất kể dữ liệu đĩ được thiết kế cho hệ thống điều khiển lập trình nào Những cơng cụ cần thiết để hiệu chỉnh dữ liệu được tự khởi động bởi SIMATIC Manager Cửa sổ dao diện Simatic Manager như hình 1.9

Sắp xếp biểu tượng (Symbol Editor)

Với Symbol Editor ta cĩ thể quản lý tất cả các tên biến hình thức Những chức năng được hỗ trợ trong Symbol Editor:

Hình 1.9 Giao di ện màn hình Simatic Manager

- ðặt tên ký hiệu và những lời giải thích cho những biến quá trình (vào/ra), bít nhớ và các khối

- Sắp xếp chức năng

- Nhập/ xuất dữ liệu từ những chương trình khác của Window

Bảng biểu tượng (Symbol table) được tạo, với cơng cụ này sẽ cĩ thể sử dụng cho tất cả các cơng cụ khác Bất kỳ sự thay đổi nào về thuộc tính của một tên hình thức (symbol) được tự động chấp nhận bởi tất cả các cơng cụ trong SIMATIC Manager Cửa sổ dao diện như hình 1.10

Chuẩn đốn lỗi phần cứng

Chức năng này cung cấp cho ta tồn cục về tình trạng của bộ điều khiển lập trình Qua đĩ sẽ giúp chúng ta phát hiện ra các module cĩ lỗi hay khơng

ðể hiển thị chi tiết lỗi trong module ta nhấp chuột kép vào nĩ Phạm vi của những thơng tin này phụ thuộc vào từng module

* Hiển thị thơng tin chung về module: vesion, tên…và trạng thái của module lỗi

* Hiển thị lỗi module cho I/O trung tâm và DP slaves

Hình 1.10 Giao di ện chức năng chỉnh sửa tên hình thức (symbol)

chỉnh sửa symbol

* Hiển thị thơng điệp từ bộ đệm chuẩn đốn (diagnostic buffer)

Với module CPU cịn hiển thị thêm:

* Nguyên nhân của lỗi trong quá trình hoạt động của chương trình đang

sử dụng

* Hiển thị trạng thái kết nối MPI và tải

* Hiển thị đặc trưng dữ liệu

Ngơn ngữ lập trình

Tùy thuộc vào PLC của từng hãng và ngơn ngữ của mỗi quốc gia khác nhau, các nhà thiết kế ngơn ngữ lập trình cho PLC sao cho thật gần gũi, đơn giản, dễ nhớ Các ngơn ngữ lập trình PLC cĩ thể được xây dựng bằng nhiều cơng cụ khác nhau, nhưng tất cả đều giúp cho các nhà thiết kế hệ thống cũng như lập trình PLC khai thác triệt để các tính năng ðồng thời nâng cao hệ số vận hành trong hệ thống

Các loại PLC cĩ thể cĩ nhiều ngơn ngữ lập trình khác nhau để phục vụ các đối tượng khác nhau ðối với loại PLC S7-300 cĩ phần mềm STEP7 sử dụng ba dạng ngơn ngữ lập trình thơng dụng:

* Ngơn ngữ lập trình dạng “liệt kê lệnh” ký hiệu là STL

* Ngơn ngữ lập trình dạng “hình thang” ký hiệu là LAD

* Ngơn ngữ lập trình dạng “hình khối” ký hiệu FBD

ðặt cấu hình phần cứng (Hardware Configuration)

Cơng cụ này dùng để đặt cấu hình và chỉnh sử cho tham cố phần cứng của một dự án tự động (Project)

* ðể đặt cấu hình cho một bộ điều khiển lập trình ta chọn rack từ một catalog và sắp xếp cho module trong những slot yêu cầu trong rack

* Trong quá trình gán tham số cho CPU ta cĩ thể thiết lập thuộc tính khởi động và giám sát chu kỳ vịng quét

* Trong quá trình gán tham số cho module, tất cả các tham số cần thiết lập có thể ñược thiết lập sử dụng hộp thoại Quá trình gán tham số cho module ñược thực hiện tự ñộng trong quá trình khởi ñộng CPU

* Chỉnh ñịnh tham số cho Function Module (FM) và Communication Processors (CP) cũng ñược thực hiện trong hộp thoại Hardware Configuration với một cách tương tự như với module Hộp thoại Module Specific tồn tại cho mỗi FM và CP Hệ thống sẽ ngăn chặn những lối vào không ñúng bằng cách chỉ ñưa ra những hộp thoại làm việc

PHẦN 2 MODULE ðIỀU KHIỂN MỀM TRONG STEP 7

2.1 Module ñiều khiển quá trình

Phần mềm STEP 7 cung cấp các module ñiều khiển mềm PID ñể ñiều khiển các ñối tương có mô hình liên tục như nhiệt ñộ lò, ñộng cơ, mức… ðầu

ra của ñối tượng ñược ñưa vào ñầu vào của BðK qua các cổng vào tương tự của các module vào tương tự của SIMATIC S7-300/400 Tính hiệu của BðK

có nhiều dạng và ñược ñưa ñến cơ cấu chấp hành thông qua những module khác nhau:

Qua cổng ra tương tự của module ra tương tự (AO)

Qua cổng ra của các module ra số (DO)

Qua các cổng phát xung ra tốc ñộ cao

Phụ thuộc vào cơ cấu chấp hành, ta có thể chọn ñược các module mềm PID tương thích Ba module ñược tích hợp sẵn trong STEP7:

1 ðiều khiển liên tục với FB41 (tên hình thức CONT_C)

2 ðiều khiển liên tục với FB42 (tên hình thức CONT_S)

3 ðiều khiển phát xung với khối hàm hỗ trợ FB43 (tên hình thức FULSEGEN)

Mỗi module mềm PID có khối dữ liệu DB riêng ñể lưu giữ dữ liệu phục vụ chu trình tính toán luật ñiều khiển Các khối hàm FB của các module mềm PID cập nhật ñược những khối dữ liệu này ở mọi thời ñiểm

Module mềm FB Fulsegen ñược sử dụng kết hợp với module mềm FB CONT_C nhằm tạo ra tín hiệu ra dạng xung tốc ñộ cao thích hợp với ñáp ứng của cơ cấu chấp hành kiểu tỷ lệ

Một bộ ñiều khiển PID mềm ñược hoàn thiện thông qua các khối hàm

FB nhiều chức năng tạo ra tính linh hoạt cao trong thiết kế Ta có thể chọn

chức năng này hay loại bỏ chức năng khác không cần cho một hệ thống Các chức năng khác như xử lý tắn hiệu chủ ựạo, tắn hiệu quá trình và tắnh toán các biến khác cùng với bộ ựiều khiển PID cũng ựược tắch hợp sẵn trong một module ựiều khiển mềm

điều chú ý là các bộ ựiều khiển PID không toàn năng tới mức có thể ứng dụng vào mọi bài toán ựiều khiển đặc tắnh ựiều khiển và tốc ựộ xử lý của các module mềm PID phụ thuộc vào modul CPU ựược chọn ựể giải quyết bài toán ựiều khiển Do khi xử lý một mạch vòng ựiều khiển ta phải thực hiện công việc trắch mẫu tắn hiệu ựầu vào cho mạch vòng ựiều khiển (có liên quan ựến tắn hiệu báo ngắt theo chu kỳ thời gian của OB30- OB38) nên cần phải có

sự tương thắch giữa số mạch vòng ựiều khiển PID cũng như khả năng và tốc

ựộ tắnh toán của CPU Nếu bài toán ựiều khiển yêu cầu tần suất cập nhật càng cao thì số vòng ựiều khiển càng giảm Chỉ có những bài toán có số vòng ựiều khiển ắt ta mới có thể sử dụng các module mềm PID có tần suất truy nhập cao

Chất lượng của hệ thống hoàn toàn phụ thuộc vào các tham số của BđK Do ựó ựiều kiện bắt buộc là ta phải có mô hình ựối tượng chắnh xác đó cũng là nhược ựiểm của phương pháp ựiều khiển kinh ựiển

2.1.1 Modul ựiều khiển liên tục với FB41 ỘCONT_CỢ

- Giới thiệu chung về khối FB41

FB41 ỘCONT_CỢ ựược sử dụng ựể ựiều khiển các quá trình kỹ thuật với các biến ựầu vào và ựầu ra tương tự trên cơ sở thiết bị khả trình SIMATIC Trong khi thiết lập tham số có thể tắch cực hoặc không tắch cực một số thành phần chức năng của bộ ựiều khiển PID cho phù hợp với ựối tượng

Có thể sử dụng module mềm PID như một bộ ựiều khiển với tắn hiệu chủ ựạo ựặt cứng hoặc thiết kế một hệ thống ựiều khiển nhiều mạch vòng ựiều

khiển theo kiểu cascade

Hình 2.1 S ơ ñồ cấu trúc của khối FB41

Module mềm PID bao gồm tín hiệu chủ ñạo SP_INT, tín hiệu ra của ñối tượng PV_PER, tín hiệu giả ñể mô phỏng tín hiệu ra của ñối tượng PV_IN các biến trung gian trong quá trình thực hiện luật và thuật toán ñiều khiển PID như: PVPER_ON; P_SEL…

Tín hiệu chủ ñạo SP_INT ñược nhập dưới dạng dấu phẩy ñộng

Thông qua hàm nội CRP_IN tín hiệu ra của ñối tượng có thể nhập dưới dạng số nguyên có dấu hoặc số thực có dấu phẩy ñộng Chứng năng CRP_IN là chuyển ñổi kiểu biểu diễn của PV_PER từ dạng số nguyên sang

dạng số thực có dấu phẩy ñộng có giá trị nằm trong khoảng từ -100% ñến 100% theo công thức:

Tín hiệu ra của

27468

100 _

_IN = PV PER×

Chuẩn hóa: Chức năng của hàm chuẩn hóa PV_NORM là chuẩn hóa tín hiệu ra của hàm CRP_IN

Hình 2.2 S ơ ñồ cấu trúc chức năng ñiều khiển của khối FB41

Ngoài ra còn nhiều chức năng khác như lọc nhiễu, chọn luật ñiều khiển, ñặt giá trị thay thông báo lỗi

- Tham biến hình thức ñầu vào, ñầu ra của FB 41

Khối FB 41 có 24 tham số ñầu vào và 9 tham số ñầu ra (xem phụ lục 2.1 và phụ lục 2.2)

- Khai báo tham số cho bộ ñiều khiển PID

Phần mềm STEP cung cấp một giao diện hỗ trợ cho người sử dụng trong việc khai báo tham số cho bộ ñiều khiển PID Sau khi ñã tạo một Project có chứa FB41 ta bắt ñầu tạo khối DB (Data Block) cho bộ ñiều khiển

sử dụng giao diện của module ñiều khiển PID bằng cách gõ lệnh:

Start/ Simatic/ Step7/ PID Control Paramester Assignment

Ví dụ: Ta sẽ tạo một Data Block mới tên là DB41

Trong hộp thoại ñược hiển thị sau khi bắt ñầu, ta có thể tắt chức năng ñiều khiển on hay off và có thể nhập vào tham số ñiều khiển tương ứng Giá trị mặc ñịnh sẽ còn nếu tham số không bị thay ñổi Giá trị ngoài khoảng cho

Hình 2.3 Giao di ện tạo khối DB mới

phép không ñược nhập vào

Ta có thể ñặt biến quá trình theo hai dạng “bên trong” hay “ngoại vi” (tham số của khối FB PVPER_ON= FALSE/TRUE)

Biến quá trình bên trong (Process Value, Internal) Biến quá trình dưới dạng số thực dấu phẩy ñộng ñược nối tới bộ ñiều khiển tại cổng PV_IN

của bộ ñiều khiển

Hình 2.4 Gán tham s ố cho khối FB 41

Tên khối DB chứa dữ liệu

mà ta muốn tạo

Tên Project chứa

khối DB mà ta

muốn tạo

Kiểu dữ liệu: REAL Giá trị mặc ñịnh: Tuỳ thuộc vào khoảng kỹ thuật Tham số FB: PV_IN

Biến quá trình ngoại vi (Process Value, Peripheral) Biến quá trình ở dạng ngoại vi ñược nối với bộ ñiều khiển thông qua cổng vào “biến quá trình ngoại vi”

Giá trị mặc ñịnh: W#16#0000

- Chuẩn hoá biến quá trình

Nếu như biến quá trình là giá trị vật lý thì nó cần ñược chuẩn hóa ðể

chuẩn hoá nó ta cần ñặt thừa số chuẩn hóa và giá rị bù chuẩn hoá Giá trị biến

quá trình lúc này ñược ñặt dựa trên dạng sau:

a Normalization Process Variable= Process Variable* Normalization

Factor+ Normalization Offset

ðầu vào “thừa số chuẩn hoá” ñược nhân với biến quá trình ðầu vào giúp ta có thể làm thích hợp khoảng giá trị biến quá trình

Giá trị mặc ñịnh 1.0 Khoảng giá trị cho phép Toàn bộ khoảng

b Normalization Offset

ðầu vào “bù chuẩn hoá” ñược cộng với biến quá trình

Giá trị mặc ñịnh 0.0

Dead Band

Nếu biến quá trình bị ảnh hưởng bởi nhiễu và bộ ñiều khiển ñược thiết lập tốt nhất, nhiễu sẽ ảnh hưởng tới ñầu ra Hiệu giữa tín hiệu chủ ñạo và tín hiệu ra của ñối tượng là ñầu vào cho khối Dead Band Khối Dead Band có tác dụng lọc những giá trị nhỏ xung quanh giá trị xác lập Nếu không muốn sử dụng Dead Band hay là có thể bỏ qua ảnh hưởng của nhiễu ở lân cận ñiểm làm việc ta chọn DEAD_W=0

“Dead band width” xác ñịnh kích cỡ của Dead Band

Giá trị mặc ñịnh 0.0 hoặc 1.0

Hình 2.5 Kh ối Dead Band

Tham số bộ PID (PID Parameter)

Thuật toán ñiều khiển PID hoạt ñộng như là thuật toán vị trí Ta có thể tích cực hoặc không tích cực các luật ñiều khiển tỉ lệ, vi phân, tích phân một cách riêng lẻ

a Tích cực luật tỉ lệ (Proportional Action)

Luật ñiều khiển tỉ lệ ñược tích cực khi mà P_SEL ñược thiết lập giá trị TRUE

Kiểu dữ liệu REAL Giá trị mặc ñịnh 2.0

b Tích cực tích phân (Intergal Action)

Luật tích phân ñược tích cực khi “I_SEL) thiết lập giá trị TRUE

* Integral Action Hold

ðầu ra của khâu tích phân có thể không dược sử dụng nếu ta thiết lập giá trị TRUE tại IN_HOLD

Giá trị mặc ñịnh FALSE

* Khởi tạo (Intialization )

ðầu ra của khâu tích phân có thể ñược nối vào ñầu vào I_ITLVAL Thêm vào ñó ta cần phải tích cực “I_ITL_ON”

* Khởi tạo giá trị (Initialization Value)

Giá trị ñầu vào của khâu tích phân có thể ñược thiết lập thông qua cổng vào I_ITLVAL

Giá trị mặc ñịnh 0.0 Khoảng giá trị cho phép -100…100%

c Tích cực luật vi phân (Deritvative Action)

Luật vi phân ñược tích cực khi “D_SEL” ñược thiết lập giá trị TRUE

Giá trị mặc ñịnh FALSE

* Deritvative Time

Hằng số thời gian của bộ ñiều khiển vi phân

Giá trị mặc ñịnh T#2s Khoảng giá trị cho phép TD>CYCLE

Manipulative Variable

Với phần Mantipulative Variable ta có thể chọn:

Nhập vào giá trị thao tác bằng tay hay cho phép bộ ñiều khiển ở chế ñộ

tự ñộng Ở chế ñộ bằng tay, các giá trị của biến ñược chọn bằng tay Khi thiết lập bằng tay, bộ vi phân tự thiết lập chế ñộ LNM_LNM_DP_DISV và bộ vi phân (DIF) thụ ñộng về 0 ðiều ñó ñảm bảo cho sự chuyển ñổi từ chế ñộ thiết lập bằng tay sang chế ñộ tự ñộng không gây một biến ñổi ñột ngột nào với các biến ñã thiết lập giá trị bằng tay

a Chế ñộ bằng tay (Manual Mode)

Khi vòng ñiều khiển mở (tham số FB MAN_ON = TRUE) Ta có thể chèn một giá trị ở cổng vào MAN

* Giới hạn trên (Value Hight Limit)

Giá trị “Manipulated value hight limit) xác ñịnh giá trị cao nhất

Giá trị mặc ñịnh 100.0 Khoảng giá trị cho phép LMN_LLM…100%

* Giới hạn dưới (Value Low Limit)

ðầu vào “Manipulated value low limit” xác ñịnh giá trị thấp nhất

Kiểu dữ liệu REAL Giá trị mặc ñịnh 100.0 Khoảng giá trị cho phép -100% LMN_LHM

FB41 “CON_C” hỗ trợ một bộ chương trình phục vụ việc khởi tạo lại hoàn toán hệ thống Chương rình này ñược gọi khi tín hiệu vào COM_RST có giá trị bằng 1

Trong khi khởi tạo luật tích phân ñược tự ñộng thiết lập với giá trị khởi tạo I_ITVAL Nếu luật ñược gọi theo ngắt thời gian, nó sẽ luôn luôn làm việc với giá trị này Tất cả các ñầu ra khác có giá trị mặc ñịnh

Khối FB41 không có khả năng tự kiểm tra lỗi bên trong của module mềm PID Mã báo lỗi RET_VAL không ñược sử dụng

2.1.2 Modul ñiều khiển bước FB42 “CONT_S”

- Giới thiệu chung về FB42

FB42 “CON_S” là module mềm ñược tích hợp sẵn trong phần mềm STEP7 FB42 “CON_S” ñược sử dụng trên cơ sở Simatic- 300/400 ñể ñiều khiển các ñối tượng kỹ thuật với ñầu ra của bộ ñiều khiển tín hiệu số Tín hiệu ñầu ra số hoàn toàn thích hợp ñối với các cơ cấu chấp hành kiểu tích phân Trong khi thiết lập tham số, người thiết kế có thể tích cực hoặc không tích cực bộ ñiều khiển PI bước cho phù hợp với bài toán ñiều khiển ñặt ra Có thể

sử dụng module mềm FB42 “CON_S” như một bộ ñiều khiển theo luật PI với tín hiệu chủ ñạo ñặt trước hoặc có thể sử dụng nó trong mạch vòng ñiều khiển phụ trong hệ thống thiết kế dựa trên nguyên tắc ñiều khiển casade Chức năng của bộ ñiều khiển này hoàn toàn tuân theo luật PI với tín hiệu quá trình là tín hiệu tương tự và tín hiệu ra của bộ ñiều khiển là tín hiệu số

Một phần trong các chức năng của module mềm này là ñóng vai trò của một bộ ñiều khiển PI có các giá trị và tín hiệu ñầu ra số ñặt bằng tay Làm việc ở chế ñộ này bộ ñiều khiển bước không cần ñến tín hiệu hồi tiếp Cấu trúc khối FB42 như hình 2.6

Tín hiệu chủ ñạo: ðược biểu diễn dạng dấu phẩy ñộng và ñược thiết lập

từ cổng vào SP_INT

Tín hiệu ra của ñối tượng: ðược ñưa thẳng từ cổng vào tương tự theo kiểu số nguyên hoặc ñược truyền sau khi ñã biến ñổi sang kiểu số thực dấu phẩy ñộng

Hình 2.6 S ơ ñồ cấu trúc khối FB 42

Hàm CRP_IN có chức năng biến ñổi giá trị truyền từ cổng vào tương

tự sang kiểu số thực phẩy ñộng trong khoảng từ -100.0% ñến 100.0% theo công thức:

Tín hiệu ra của CRP_IN= 27648.0

100.0

* ER

_ P

Chuẩn hóa: chức năng của hàm PV_NORM là chuẩn hóa tín hiệu từ ra của hàn CRP_IN theo công thức:

Tín hiệu ra của PV_NORM:

PV_NORM =( Tính hiệu ra của CRP_IN)*PV_FAC+PV_OFF

Mặc ñịnh PV_FAC có giá trị bằng 1 và PV_OFF có giá trị bằng 0

Lọc nhiễu tác ñộng trong lân cận ñiểm làm việc: Tín hiệu sai lệch là tín hiệu giữa tín hiệu chủ ñạo và tín hiệu ra của ñối tượng Giống như FB41, trong FB42 cũng có khối Deadband ñược thiết kế ngay sau tín hiệu sai lệch và trước phần ñiều khiển theo luật ñể lọc ñược những dao ñộng nhỏ quanh giá trị xác lập bằng cách tạo ra ở ñó một vùng kém nhạy Nếu giá trị DEADB_W=0

thì vùng kém nhạy ñó không tồn tại

Thuật ñiều khiển PI bước

Khối hàm FB42 của module mềm PID làm việc không cần có tín hiệu hồi tiếp Chức năng của luật I trong thuật ñiều khiển PI và tín hiệu sai lệch ñược tích hợp trong một bộ tích phân INT, sau ñó so sánh với tín hiệu ra của

bộ ñiều khiển theo luật như một giá trị hồi tiếp Hiệu quả của phép so sánh này ñược ñưa vào một rơle 3 vị trí có trễ “Three_ST” và ñầu ra của rơ le này ñiều khiển bộ phát xung “PULSEOUT” ñể ñiều khiển cơ cấu chấp hành Có thể giảm tần số ñóng cắt của bộ ñiều khiển bằng cách tạo ra vùng trễ khi chuyển vị trí của rơ le

Ngoài ra, ñể giảm ảnh hưởng của nhiễu trong trường hợp ñiều khiển không ñược hồi tiếp, có thể lọc nhiễu cho hệ bằng cách ñưa tín hiệu vào ñầu vào DISV của bộ lọc nhiễu

Khởi ñộng và thông báo lỗi

Hệ thống ñược khởi tạo lại hoàn toàn khi cổng vào COM_RST có giá trị logic bằng 1 Tất cả các cổng ra nhận giá trị mặc ñịnh Khối hàm FB42 này không có khả năng tự kiểm tra lỗi bên trong Nó không sử dụng cổng ra báo kiểu lỗi RET_VAL

- Tham biến hình thức ñầu vào và ñầu ra của FB42

Hàm FB42 “CON_S” có tất cả 19 tham biến ñầu vào và 4 tham số ñầu

ra (xem phụ lục 2.3 và phụ lục 2.4)

2.1.3 Khối tạo hàm xung FB43 “ PULSEGEN”

- Giới thiệu chung về khối FB43

Khối hàm FB 43 ñược sử dụng ñể tạo một bộ ñiều khiển PID với xung ñầu ra cho cơ cấu chấp hành kiểu tỉ lệ

Khối FB43 có tác dụng hỗ trợ việc thiết kế một bộ ñiều khiển PID 2 hay 3 vị trí với bộ tạo xung theo nguyên tắc ñiều biên

FB 43 thường ñược sử dụng với FB41 ñể tạo ra bộ ñiều khiển với ñầu

ra là tín hiệu xung Nó biến ñổi biến vào INV dạng số thực (thường là ñầu ra LMN của modul mềm PID) thành dãy xung với chu kỳ cố ñịnh tương ứng với chu kỳ thời gian mà biến vào ñược Update và giá trị chu kỳ ñược gán tại PER_TM

Hình 2.7 S ơ ñồ của khối tạo xung của FB 43

ðộ rộng xung mỗi chu kỳ tỉ lệ với biến ñầu vào Chu kỳ gán cho PER_PM không ñược ñồng nhất với chu kỳ ñược gọi của FB “PULSEGEN” Khoảng thời gian PER_TM ñược tạo thành bằng vài chu kì FB43, nhờ ño số lần FB43 ñược gọi mỗi chu kì PER_TM là thước ño ñộ chính xác của khoảng thời gian ñiều chỉnh xung

Hình 2.8 Nguyên lý t ạo xung của FB43

Một giá trị ñầu vào INV=30 (tức bằng 30%) và 10FB “PULSEGEN” gọi mỗi PER_TM nghĩa là:

“1” ở cổng ra QPOS cho 3 lần gọi ñầu của FB43 (30% của 10)