Nâng cao chất lượng bộ điều khiển pid trong công nghiệp

Vũ Dũng Kỳ Luận văn cao học – Bộ môn điều khiển tự động Vùng nhớ dữ liệu của SLC 500 đ-ợc tổ chức d-ới dạng các file dữ liệu Data Files trình bày ở bảng 1.4 Bảng 1.4 Các file dữ liệu nằm

Trang 1

N©ng cao chÊt l-îng bé ®iÒu khiÓn

PID trong c«ng nghiÖp

LUËN V¡N TH¹C SÜ NgµNH §IÖN

Hà Néi – 2004

Trang 3

Trang phụ bìa

Lời cam đoan

Mục lục

Danh mục các bảng, hình vẽ, đồ thị

Mở đầu

ChƯơng 1: Hệ thống SCADA trên cơ sở RSVIEW32

và mạng PLC của Allen-Bradley 1

1.1 PLC của Allen-Bradley và mạng công nghiệp DH485 1

1.1.1 Cấu trúc phần cứng của SLC500 1

1.1.2 Nguyên tắc hoạt động của SLC 500 4

1.1.3 Tổ chức vùng nhớ dữ liệu của SLC 500 5

1.1.4 Cấu trúc hệ lệnh của SLC 500 8

1.1.5 Giới thiệu về phần mềm lập trình RSLogix 500 10

1.1.6 Giới thiệu về mạng DH-485 của Allen-Bradley 13

1.2 RSVIEW32 và tổ chức hệ SCADA 21

1.2.1 Khái quát về hệ SCADA 21

1.2.2 Hệ SCADA của Allen- Bradley ( AB ) 23

1.2.3 Phần mềm công cụ SCADA RSView32 25

1.3 Tổ chức bộ điều khiển PID trên SLC 500 29

1.3.1 Cấu trúc vòng điều khiển trên PLC 29

1.3.2 Các khai báo tham số bộ điều khiển PID 33

1.3.3 Thuật toán điều khiển PID trên SLC 500 38

ChƯơng 2 : Chia sẻ dữ liệu giữa RSVIEW32 với DDE Server 40

2.1 RSLINX và kết nối dữ liệu động trên nền Windows 40

2.1.1 Giới thiệu phần mềm RSLinx 40

2.1.2 Liên kết với DDE ( Dynamic Data Exchange ) server 43

2.2 Microsoft Excel và chia sẻ dữ liệu với RSView32 51

2.3 Đánh giá chất l-ợng PID qua dữ liệu trên Microsoft Excel 54

CHƯƠNG 3 : Một số thuật hiệu chỉnh chất l-ợng điều khiển PID 59

3.1 Hiệu chỉnh tham số PID bằng ph-ơng pháp thống kê 59

3.1.1 Nội dung ph-ơng pháp 59

3.1.2 Chỉ tiêu chất l-ợng điều khiển thông qua các đánh giá thống kê 61

3.1.3 Ph-ơng pháp tự chỉnh tham số PID bằng ph-ơng pháp đơn hình 63

3.2 Hiệu chỉnh mờ tham số PID ……….70

3.2.2 Tổ chức ch-ơng trình hiệu chỉnh tham số PID 77

3.2.3 Sơ đồ khối thuật toán hiệu chỉnh 78

3.3 Nâng cao chất l-ợng điều khiển PID bằng hiệu chỉnh mờ giá trị đặt 84

3.3.1 Bộ điều khiển PID với hệ số trọng của giá trị đặt 84

3.3.2 Hiệu chỉnh mờ hệ số trọng của giá trị đặt 86

3.2.3 Những nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ 89

ChƯơng 4 : Mô phỏng và thực nghiệm 94

4.1 Xây dựng hệ thực nghiệm 94

4.2 Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm 99

Kết luận

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

Trang 4

Trang phụ bìa

Lời cam đoan

Mục lục

Danh mục các bảng, hình vẽ, đồ thị

Mở đầu

ChƯơng 1: Hệ thống SCADA trên cơ sở RSVIEW32

1.1 PLC của Allen-Bradley và mạng công nghiệp DH485 1

1.1.1 Cấu trúc phần cứng của SLC500 1

1.1.2 Nguyên tắc hoạt động của SLC 500 4

1.1.3 Tổ chức vùng nhớ dữ liệu của SLC 500 5

1.1.4 Cấu trúc hệ lệnh của SLC 500 8

1.1.5 Giới thiệu về phần mềm lập trình RSLogix 500 10

1.1.6 Giới thiệu về mạng DH-485 của Allen-Bradley 13

1.2 RSVIEW32 và tổ chức hệ SCADA 21

1.2.1 Khái quát về hệ SCADA 21

1.2.2 Hệ SCADA của Allen- Bradley ( AB ) 23

1.2.3 Phần mềm công cụ SCADA RSView32 25

1.3 Tổ chức bộ điều khiển PID trên SLC 500 29

1.3.1 Cấu trúc vòng điều khiển trên PLC 29

1.3.2 Các khai báo tham số bộ điều khiển PID 33

1.3.3 Thuật toán điều khiển PID trên SLC 500 38

ChƯơng 2 : Chia sẻ dữ liệu giữa RSVIEW32 với DDE Server 40

2.1 RSLINX và kết nối dữ liệu động trên nền Windows 40

2.1.1 Giới thiệu phần mềm RSLinx 40

2.1.2 Liên kết với DDE ( Dynamic Data Exchange ) server 43

2.2 Microsoft Excel và chia sẻ dữ liệu với RSView32 51

2.3 Đánh giá chất l-ợng PID qua dữ liệu trên Microsoft Excel 54

CHƯƠNG 3 : Một số thuật hiệu chỉnh chất l-ợng điều khiển PID 59

3.1 Hiệu chỉnh tham số PID bằng ph-ơng pháp thống kê 59

3.1.2 Chỉ tiêu chất l-ợng điều khiển thông qua các đánh giá thống kê 61

3.1.3 Ph-ơng pháp tự chỉnh tham số PID bằng ph-ơng pháp đơn hình 63

3.2 Hiệu chỉnh mờ tham số PID ……….70

3.2.2 Tổ chức ch-ơng trình hiệu chỉnh tham số PID 77

3.2.3 Sơ đồ khối thuật toán hiệu chỉnh 78

3.3 Nâng cao chất l-ợng điều khiển PID bằng hiệu chỉnh mờ giá trị đặt 84

3.3.1 Bộ điều khiển PID với hệ số trọng của giá trị đặt 84

3.3.2 Hiệu chỉnh mờ hệ số trọng của giá trị đặt 86

3.2.3 Những nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ 89

ChƯơng 4 : Mô phỏng và thực nghiệm 94

4.1 Xây dựng hệ thực nghiệm 94

4.2 Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm 99

Kết luận

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

Trang 5

Vũ Dũng Kỳ Luận văn cao học – Bộ môn điều khiển tự

động

Ch-ơng 1 : Hệ thống SCADA trên cơ sở RSVIEW32 1

1.1 PLC của Allen-Bradley và mạng công nghiệp DH485 1

1.1.1 Cấu trúc phần cứng của SLC500 1

1.1.2 Nguyên tắc hoạt động của SLC 500 4

1.1.3 Tổ chức vùng nhớ dữ liệu của SLC 500 5

1.1.4 Cấu trúc hệ lệnh của SLC 500 8

1.1.5 Giới thiệu về phần mềm lập trình RSLogix 500 10

1.1.6 Giới thiệu về mạng DH-485 của Allen-Bradley 13

1.2 RSVIEW32 và tổ chức hệ SCADA 21

1.2.1 Khái quát về hệ SCADA 21

1.2.2 Hệ SCADA của Rockwell Automation 23

1.2.3 Phần mềm công cụ SCADA RSView32 25

1.3 Tổ chức bộ điều khiển PID trên SLC 500 29

1.3.1 Cấu trúc vòng điều khiển trên PLC 29

1.3.2 Các khai báo tham số bộ điều khiển PID 33

1.3.3 Thuật toán điều khiển PID trên SLC 500 38

Trang 6

động

và mạng PLC của Allen-Bradley 1.1 PLC của Allen-Bradley và mạng công nghiệp DH485

1.1.1 Cấu trúc phần cứng của SLC500

SLC500 là một họ PLC của Allen-Bradley (A-B) có cấu trúc dạng module, nó gồm các thành phần chính sau:

• Chassis

• Power Supply (nguồn nuôi)

• Processor Module (Module CPU)

• Analog I/O Module (Module vào/ra t-ơng tự)

• Discrete I/O Module (Module vào/ra số)

Hình 1.1 Các chassis có thể nối với nhau và SLC500 quản lý tối đa 30 slot

Nguồn nuôi

Slot 0 Slot 1 Slot 2 Slot 28 Slot 29

Trang 7

Bảng 1.1 So sánh đặc điểm một số loại CPU

Loại CPU Bộ nhớ ch-ơng

Khả năng quản lý vào ra

Thời gian quét

Trang 8

động

Các loại module này có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu t-ơng tự dạng dòng hoặc

áp thành các tín hiệu số (Analog Input) và ng-ợc lại biến đổi các tín hiệu số thành tín hiệu dòng hoặc áp (Analog Output) Các đặc điểm chung đ-ợc tóm

tắt trong bảng 1.2 và 1.3

Bảng 1.2 Đặc điểm biến đổi của các module vào t-ơng tự

Bảng 1.3 Đặc điểm biến đổi của các module ra t-ơng tự

Module vào/ra số

• Module vào/ra dạng Sourcing :

Cung cấp dòng cho các thiết bị nhận ( sinking devices )

• Module vào/ra dạng Sinking :

Nhận dòng từ các thiết bị cấp dòng ( sourcing devices )

Các module vào/ra có đầu ra dạng bán dẫn một chiều thì khi sử dụng các thiết

bị ngoài cần phân biệt và thiết kế phù hợp với sinking hay soursing module

Tín hiệu vào Khoảng biến đổi Giá trị số t-ơng ứng Mức biến đổi

Trang 9

động

sinking và sourcing

1.1.2 Nguyên tắc hoạt động của SLC 500

SLC 500 hoạt động theo nguyên tắc vòng quét ( Scan ) Trong mỗi chu trình quét, các hoạt động xảy ra theo chu trình đ-ơc trình bày ở hình 1.2

Hình 1.2 Chu kỳ quét của SLC 500

Trong đó :

• Input scan: đọc các giá trị đầu vào từ Input module sau đó đ-a kết quả vào Input Image

• Program Scan: Thực hiện ch-ơng trình, đ-a kết quả ra Output Image

• Output Scan: đ-a kết quả ra Output Module

• Communication: thực hiện việc truyền thông với các thiết bị khác nếu

có

• Internal works (house keeper): thực hiện các thao tác bên trong bộ xử

lý

Cứ mỗi vòng quét, các giá trị đ-ợc khai báo trong file cấu hình đ-ợc cập nhật

ở Input scan và đ-a vào vùng nhớ Input Image

Trang 10

động

Vùng nhớ dữ liệu của SLC 500 đ-ợc tổ chức d-ới dạng các file dữ liệu (Data Files) trình bày ở bảng 1.4

Bảng 1.4 Các file dữ liệu nằm trong Data Files

Data file 0 và 1 (Output và Input)

Đây là vùng nhớ đệm của tín hiệu ra (file 0) và tín hiệu vào (file 1) Cả hai file này đều có tối đa 30 phần tử (elements), mỗi phần tử là một word 16 bit hoặc hai word 8 bit Các bit biểu diễn một trạng thái logic t-ơng ứng với module vào/ra số còn các word còn lại chứa kết quả biến đổi của một kênh analog t-ơng ứng với module vào/ra t-ơng tự Ví dụ I:2/0 là địa chỉ đầu vào của tớn hiệu logic (bit số 0 của module vào số đ-ợc cắm tại slot số 2) còn O:1.0 lại chứa kết quả đầu ra của tín hiệu t-ơng tự (kênh số 0 của module ra t-ơng tự đ-ợc cắm tại slot số 1)

Trang 11

Vò Dòng Kú LuËn v¨n cao häc – Bé m«n ®iÒu khiÓn tù

4 word

0 Input chanel word 0

3 Input chanel word 3 Data File

H×nh 1.3 Data file 1 (Input image)

O: e.3

3 Output chanel word 3

Trang 12

động

File này đ-ợc dùng để phản ánh trạng thái của các thanh ghi bên trong cũng nh- tình trạng hoạt động của các ngắt Ví dụ S:0/3 (bit số 3 của thành phần số 0) là bit dấu (Sign Bit)

Data file 3 (Bit)

Kích th-ớc cực đại của file là 256 element loại 1 word ( 4096 bit ) Ta

có thể đánh địa chỉ bằng cách xác định element, sau đó số thứ tự của bit trong elment hoặc đánh theo tuần tự thứ tự bit từ 0 đến 4095 Cách đánh địa chỉ nh- sau Ví dụ B3:3/15 hoặc B3/63 đều chỉ bit số 63 ( 3 là chỉ số mặc định )

Data file 4 (Timer)

Timer là file có nhiều element kiểu 3 word Ngoài các thành phần trong file số 4, Timer còn có thể đ-ợc định nghĩa thêm trong file số 9255 là các file do ng-ời dùng định nghĩa, ví dụ T4:11 (4 là chỉ số mặc định)

Data file 5 (Counter)

Counter là file có nhiều element kiểu 3 word Ngoài các thành phần trong file số 4, Counter còn có thể đ-ợc định nghĩa thêm trong file số 9255

là các file do ng-ời dùng định nghĩa, ví dụ C5:7 (5 là chỉ số mặc định)

Data file 6 (Control)

L-u trữ về độ dài cũng nh- vị trí con trỏ và trạng thái các bit trong các lệnh đặc biệt nh- lệnh dịch chuyển thanh ghi, lệnh về logic dãy

Data file 7 (Integer)File này đ-ợc sử dụng trong mục đích ch-ơng trình điều

khiển cần dùng các biến trung gian để l-u kết quả Nó gồm nhiều phần tử 1

word, ngoài ra nó có thể đ-ợc khai báo thêm trong file số 9255

Các file dữ liệu định nghĩa bởi ng-ời dùng

Đây là phần mở rộng để ng-ời sử dụng khai báo thêm, có thể là Timer, Counter hay là Integer để phục vụ yêu cầu bài toán

Trang 13

động

Do mục đích của đề tài chỉ khai thác trên họ SLC 500 làm thiết bị để thực hiện thuật toán điều khiển PID nên mục này chỉ liệt kê toàn bộ hệ lệnh của SLC500 mà không đi vào chi tiết Các lệnh liên quan đến mục đích của đồ

án nh- các lệnh PID, IIM, IOM, SCL và một số lệnh khác đ-ợc trình bày chi tiết trong các mục sau

Bao gồm các lệnh đ-ợc chia thành các nhóm nh- sau:

Nhóm lệnh ASCII

Gồm hai loại:

• Lệnh ASCII Port Control đ-ợc sử dụng để thay đổi kênh nhận hoặc truyền dữ liệu, gồm các lệnh: ABL, ACB, ACL, AHL, ARD, ARL, AWA, AWT

• Lệnh ASCII String Control dùng để thao tác với sâu dữ liệu, các lệnh này đ-ợc thực hiện trực tiếp gồm: ACI, CAN, AEX, AIC ASC, ARS

Nhóm lệnh thay đổi Bit

• Nạp hoặc lấy dữ liệu từ một mảng bit, một bit tại một thời điểm: BSL, BSR

• Nạp các từ vào một file và lấy ra theo hỡnh thức (first in, first out): FFL, FFU

Trang 14

Lệnh thao tác với file

Sử dụng lệnh này để thay đổi những file hiện hành bằng việc sao chép dữ liệu từ file này đến file khác hoặc việc điền vào một file lựa chọn từ nguồn dữ liệu riêng: COP, FILL

Lệnh về thủ tục ngắt

Cho phép ngắt một module vào/ra đặc biệt từ chu chình xử lý bằng một thủ tục ngắt: IID, IIE, RPI, INT

Lệnh toán học(Nhóm lệnh đầu ra)

Sử dụng các lệnh này để thực hiện tính toán bằng một biểu thức hoặc một lệnh số học gồm: ADD, SUB, MUL, DIV, DDV, NEG, CLR, TOD, FRD, DCD, SQR, SCL

Lệnh toán học cao cấp (Advanced Math)

Sử dụng các lệnh này để tính toán: giá trị tuyệt đối, cos, sin … Gồm có: CPT, SWP, SCP, ABS, ACS, ASN, ATN có DEG, LN, LOG, RAD, SIN, TAN, XPY

Lệnh gán và lệnh logical (Nhóm lệnh đầu ra)

Cho phép thực hiện gán và thao tác logic với các từ riêng lẻ gồm: MOV, MVM, AND, OR, XOR, NOT

Trang 15

Các lệnh này là căn cứ để đặt thời gian, đếm sự kiện của các thao tác

điều khiển Gồm các lệnh: TON, TOF, RTO, CTU, CTD, HSC

1.1.5 Giới thiệu về phần mềm lập trình RSLogix 500

Đây là phần mềm dùng để soạn thảo và lập trình cho SLC 500 chạy trên nền Windows, có thể là Windows9.x hoặc các phiên bản mới hơn Logix 500

đ-ợc phát triển từ APS (Advanced Programming Sofware) cũng là phần mềm lập trình cho SLC 500 nh-ng chạy trên hệ điều hành MS-DOS Ngôn ngữ lập trình trong RSLogix là Ladder Diagram

RSLogix có nhiều tính năng soạn thảo giồng các phần mềm thông th-ờng khác viết trên nền Windows nh- các lệnh cut, paste, copy…và có giao diện thân thiện và dễ sử dụng Sau khi khởi động cửa sổ của RSLogix xuất hiện nh- sau

Trang 16

động

Để soạn thảo một ch-ơng trình điều khiển thì đầu tiên là phải tạo một Processor file mới Khi đó bắt buộc phải lựa chọn đúng loại CPU, một cửa sổ xuất hiện nh- hình d-ới

Trang 17

động

Màn hình soạn thảo đ-ợc chia thành hai phần, phần phía bên phải là nơi soạn thảo các câu lệnh Trong khi đó phía bên trái có thể giám sát các biến trong Data files ( xem 1.1.3 ) hoặc khai báo cấu hình Công việc khai báo cấu hình

vào/ra là mang tính bắt buộc, điều này đ-ợc thực hiện bằng cách kích đúp I/O Configuration nằm d-ới th- mục Controller, sau đó sẽ xuất hiện cửa sổ sau :

Trang 18

động

SLC 500, sau khi soạn thảo xong thì download xuống PLC hay chạy ch-ơng trình đó…Tất cả công việc đó đều có thể thực hiện nhờ các thao tác trên thanh công cụ

1.1.6 Giới thiệu về mạng DH-485 của Allen-Bradley

Giới thiệu chung và đặc tr-ng cơ bản

Mạng DH-485 của hãng Allen-Bradley đ-ợc dùng để kết nối các PLC

họ SLC 500 với nhau, nó đ-ợc xây dựng dựa trên chuẩn truyền dẫn RS485 do

tổ chức EIA (Electronic Industry Association) đ-a ra Mạng DH-485 có nhiệm vụ truyền dẫn dữ liệu giữa các PLC và các thiết bị liên quan với nhau Qua mạng DH485 các ch-ơng trình ứng dụng có thể giám sát mọi dữ liệu của quá trình và thay đổi ch-ơng trình điều khiển

Một số đặc tr-ng tiêu biểu của mạng DH-485 nh- sau:

• Có thể tổ chức liên kết truyền thông giữa 32 thiết bị

( SLC500 và các thiết bị khác có liên quan )

• Khẳ năng tổ chức nhiều trạm chủ

• Truy nhập bus bằng ph-ơng pháp Token Passing

• Khẳ năng thêm bớt các nút mạng không gây cản trở và phá vỡ cấu trúc mạng

• Chiều dài tối đa trên mạng là 1219 m

• Tốc độ truyền tối đa là 19,2 Kilobaud

Hình 1.5 là một ví dụ về mạng DH-485

Trang 19

H×nh 1.5 Mét vÝ dô vÒ m¹ng DH-485

Trang 20

động

Ph-ơng pháp truy nhập bus

Giao thức mạng DH-485 bổ xung hai lớp của thiết bị là bộ khởi tạo (Initator) và bộ đáp ứng (Responder) Tất cả các bộ khởi tạo trên mạng sẽ

đ-ợc đ-a ra các thay đổi khi truyền các thông báo mới

DH-485 sử dụng giao thức Token Passing cho phép các nút trên mạng

có thể gửi gói thông báo lên đ-ờng truyền Token chứa các thông số xác định

số lần truyền ( và số lần thử ) mỗi khi nó nhận đ-ợc token

Nút giữ token có thể gửi dữ liệu sang bộ liên kết dữ liệu, các tham số xác định số token đ-ợc truyền trong mỗi lần nhận token Token đ-ợc truyền cho trạm kế tiếp bằng cách gửi “token pass”, nếu trạm kế tiếp không tham gia vào mạng thì bộ Initiator sẽ tìm trạm kế tiếp để chuyển token, cứ tiếp tục nh- thế tận khi token bị trao tới nút có địa chỉ cao nhất Khi nút có địa chỉ cao nhất hoàn thành thì chu kỳ đ-ợc lặp lại

Trạng thái ban đầu đ-ợc bắt đầu khi bắt đầu một thời kỳ không hoạt

động v-ợt quá thời gian “link dead timeout” Trong thời gian này, bộ Initiator

có địa chỉ thấp nhất sẽ giữ token và cố gắng đ-a token tới nút kế tiếp Nếu nh- việc gửi token bị lỗi hoặc nếu nh- bộ Initiator không thiết lập nút kế tiếp thì

nó sẽ tìm kiếm trên đ-ờng truyền nút địa chỉ trên nó và sẽ đ-a về 0 khi đạt tới nút địa chỉ lớn nhất

Phạm vi nút địa chỉ cho Initiator từ 031 Địa chỉ nút Responder từ 131, và cần phải có ít nhất một Initiator trong mạng Các thiết bị điều khiển PLC dạng Fixed, SLC 5/01, SLC 5/02, SLC 5/03 …không đ-ợc dùng địa chỉ nút 0 Thông th-ờng địa chỉ nút 0 là của PC

Trang 21

động

Các thành phần thiết bị

Mạng DH-485 sử dụng các thiết bị điều khiển PLC sau cùng với công

cụ lập trình trên HHT hoặc trên PC :

• SLC 500 Fixed I/O Controller (responder)

• SLC 5/01 Modular I/O Controller (responder)

• SLC 5/02 Modular I/O Controller (initiator/responder)

• PC chạy một phần mềm lập trình nh- RSLogix 500 (initiator)

• HHT: Hand-Held-Terminal (initiator), một thiết bị lập trình chuyên

dụng cho SLC 500 Fixed, SLC 5/01 và SLC 5/02

• DTAM: Data Table Access Module (initiator/responder), một thiết

bị dùng để giám sát trực tiếp dữ liệu ngay tại hiện tr-ờng

Tuy nhiên các thiết bị trên cần phải có thêm giao diện mạng, bản thân trên các module CPU của SLC 500 cũng có các cổng truyền thông Vì vậy các thiết bị điều khiển này chỉ cần nối qua các bộ chuyển đổi ( Converter ) là có thể nối mạng đ-ợc, ví dụ nh- 1747-PIC (Personal Interface Converter), 1746-

AIC isolated link coupler for DH-485, 1761-NET-AIC (Advanced Interface

Converter) ( xem hình 1.6 )

Trang 22

động

Hình 1.6 Thiết bị giao tiếp mạng 1747-AIC

Ngoài ra các thiết bị trong mạng có thể là các module truyền thông, hay card truyền thông Bảng 1.5 liệt kê ra các thiết bị truyền thông trong mạng DH-485

Bảng 1.5 Các thiết bị đ-ợc sử dụng trong mạng DH-485

1746-BAS

Module

BASIC

Để chạy những ch-ơng trình viết trên BASIC không phụ thuộc vào CPU

3 cổng:

• 1 DH-485

• 2 cổng đặt cấu hình theo RS-

422, RS485 hoặc t-ơng thích với RS-232/423

2,4-4,8-9,6- 19,2

Trang 23

0,3-0,6-1,2-Vũ Dũng Kỳ Luận văn cao học – Bộ môn điều khiển tự

• Hai cổng kia là: 0,3- 0,6-0,9-1,2- 19,2

• DH-485

• DH+

DH-485: 2,4-4,8-9,6- 12,9 1784-KTXD

1,2-Card giao diện

truyền thông

Cung cấp giao diện mạng để workstation giao tiếp với nhiều PLC trên nhiều mạng cùng một lúc

• DH-485

• DH+

DH-485: 2,4-4,8-9,6- 12,9

Trang 24

1,2-Vũ Dũng Kỳ Luận văn cao học – Bộ môn điều khiển tự

dùng cáp PCM4, còn thiết

1784-bị khác sử dụng 1747-AIC

Couplers

DH-485: 2,4-4,8-9,6-2,9

Cung cấp một cổng cách ly DH485 phía sau máy tính

9,6-12,9

1770-KF3

Giao diện

truyền thông

DH-485

Một giao diện không phải là chuẩn

để kết nối giữa máy chủ và SLC

500 thông qua RS-232-C trong mạng DH-485

0,3-0,6-1,2-Cáp truyền mạng DH-485 là Belden-9842 Loại cáp này gồm có hai cặp dây xoắn Khi sử dụng trong môi tr-ờng công nghiệp loại cáp này có khẳ năng làm giảm thiểu sự tác động của nhiễu điện từ vào hệ thống

Trang 25

động

Kết nối giữa mạng DH+ và mạng DH-485

Mạng DH+ là sự phát triển của mạng DH-485 trên cơ sở sử dụng cả hai loại PLC là PLC-5 và SLC500 của A-B Mạng DH+ có một số đặc tr-ng cơ bản sau:

• Số nút lớn nhất là 64

• Kiểu truyền thông peer-to-peer

• Điều khiển truy nhập bằng ph-ơng pháp Token Passing

• Độ dài lớn nhất lên tới 3048m

• Tốc độ tối đa 230.4 Kilobaud (57.6, 115.2, 230.4)

Kết nối giữa hai mạng DH+ và DH-485 là hết sức quan trọng khi cần

phải nâng cấp hệ thống Điều này đ-ợc thực hiên t-ơng đối đơn giản khi sử dụng các thiết bị làm cầu nối giữa chúng, ví dụ nh- module truyền thông 1785-KA5 hoặc có thể trực tiếp dùng SLC 5/04 Hình 1.7 sẽ minh hoạ điều này

Hình 1.7 Liên kết giữa mạng DH-485 và DH

Trang 26

động

1.2 RSVIEW32 và tổ chức hệ SCADA

1.2.1 Khái quát về hệ SCADA

Hệ SCADA ( Supervisory Control And Data Acquisition ) là một hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu nhằm hỗ trợ con ng-ời trong việc giám sát và điều khiển từ xa Trong một hệ thống SCADA, ng-ời vận hành có thể theo dõi toàn bộ hoạt động của quá trình sản xuất một cách chi tiết và liên tục ngay tại phòng điều khiển trung tâm

Các thành phần trong một hệ SCADA :

• Các trạm điều khiển giám sát trung tâm :

- Trạm kỹ thuật ( Engineering Station - ES )

- Trạm vận hành ( Operator Station - OS )

- Trạm chủ ( Server station - SS )

• Các trạm thu thập dữ liệu trung gian :

- Remote Terminal Unit ( RTU )

- Data Collection Unit ( DCU ) : PLC, PC, I/O…

• Hệ thống truyền thông :

- Mạng truyền thông công nghiệp

- Mạng viễn thông ( vô tuyến, hữu tuyến )

- Các thiết bị chuyển đổi, dồn kênh ( Modem, Mux…)

• Các công cụ phát triển ứng dụng :

- Các trạm điều khiển giám sát trung tâm với giao diện ng-ời máy HMI ( Human Machine Interface ) có thể xây dựng bằng các ngôn ngữ bậc cao nh- Visual C++, Visual Basic ( có hạn chế ở chỗ khi muốn mở rộng ứng dụng ta phải biên dịch lại ch-ơng trình ) hay bằng các công cụ phần mềm SCADA chuyên dụng nh- WinCC, RSView 32… Những công cụ này

tỏ ra rất tiện lợi cho việc phát triển các ứng dụng

Trang 27

động

• Giao diện ng-ời máy HMI ( Human Machine Interface ) :

- Sơ đồ hệ thống, sơ đồ công nghệ

- Hiển thị các biến quá trình qua các “thiết bị ảo”

- Đồ thị thời gian thực, đồ thị dữ liệu tĩnh

- Các phím thao tác, nút điều khiển…

• Hỗ trợ trao đổi thông tin ( Messaging ), xử lý sự kiện ( Event ) hay sự

cố ( Alarm )

• Hỗ trợ việc thống kê và lập báo cáo ( Reporting )

• Phần mềm kết nối với các nguồn dữ liệu khác nhau ( driver cho PLC, các module I/O, cho các hệ thống bus tr-ờng )

• Cơ sở dữ liệu quá trình, dữ liệu cấu hình hệ thống

Tr-ớc đây SCADA th-ờng đ-ợc hiểu là một hệ thống mạng và thiết bị có nhiệm vụ thuần tuý là thu thập dữ liệu từ các trạm ở xa và truyền về trung tâm

để xử lý do đó hệ thống truyền thông đ-ợc đặt lên hàng đầu và các thiết bị phần cứng đ-ợc quan tâm nhiều hơn Nh-ng ngày nay thì quan điểm trên đã

có những thay đổi , đặc biệt là những vấn đề sau :

• Khả năng hỗ trợ của phần mềm để thiết kế các màn hình giao diện có chất l-ợng với các công cụ đồ hoạ có sẵn

• Khả năng truy cập và cách thức kết nối dữ liệu từ các quá trình kỹ thuật ( trực tiếp từ sensor, actuator, module I/O qua PLC hoặc qua hệ thống bus tr-ờng )

• Kiến trúc mở, có khả năng t-ơng tác giữa các thành phần của một hệ thống hay giữa các hệ thống với nhau Khả năng thay thế, mở rộng

hệ thống và chuẩn hoá các giao diện quá trình

• Khả năng hỗ trợ xây dựng các trao đổi tin tức ( Messaging ), xử lý sự kiện và sự cố ( ( Event and Alarm ) L-u trữ thông tin ( Archive and History ) và lập báo cáo ( Reporting )

Trang 28

động

• Tính năng thời gian thực, tăng c-ờng hiệu suất trao đổi thông tin

• Giá thành tổng thể của hệ thống

1.2.2 Hệ SCADA của Rockwell Automation

Hệ SCADA phát triển bởi Rockwell Automation, một hãng rất có uy tín trên thế giới, với các thiết bị và giao thức khá đa dạng cho ng-ời sử dụng chọn lựa Có thể sử dụng trạm chủ và trạm từ xa ( Remote Station ) với các giao thức của các hãng khác nhau nh- : Teledyne – Brown Control Application (

CA ),

Modbus, DNP – 3.0 Các thiết bị trong hệ SCADA có thể là Logix 5550 TM, PLC-5, SLC 5/03, SLC 5/04, SLC 5/05, MicroLogix 1000…cùng các phần mềm tiện dụng nh- RSView 32, RSLinx 2.0, RSLogix, Module Logix 5550 phối hợp với module truyền thông Ethernet, Control Net hoặc DH+ có thể thích hợp làm trạm chủ nhỏ hoặc trạm từ xa Với các trạm vừa và lớn hơn có thể chọn Enhanced PLC-5 với 6 cấp bộ nhớ Các thiết bị này đã đ-ợc tích hợp sẵn phần hỗ trợ truyền thông nối tiếp thậm chí PLC-5 hay SLC 5/05 còn có khả năng kết nối mạng Ethernet thông qua giao thức phổ biến TCP/IP Ngoài

ra, Rockwell Automation còn có giao thức AB – DF1 với một số đặc điểm nổi bật sau :

• Không cần viết ch-ơng trình từ trạm chủ để đọc dữ liệu từ các trạm khi các trạm có dữ liệu mới mà chính bản thân các trạm sẽ tự động thu thập dữ liệu thành các Block để sẵn sàng truyền đến trung tâm khi đ-ợc hỏi đến

• Thực hiện truyền thông giữa các trạm từ xa với nhau thông qua trung tâm mà không cần một giản đồ logic đặc biệt tại trạm chủ và không làm tăng thời gian thực hiện ch-ơng trình

• Lập trình cho các trạm từ xa qua mạng truyền thông (cáp, sóng radio )

mà không làm gián đoạn hoạt động bình th-ờng của trạm chủ cũng nh- việc thu thập dữ liệu

Trang 29

động

Printer

OCM OCM

DDE SERVER Microsoft EXCEL

Operator work station

LAN

Hình 1.8 Sơ đồ tổng quát hệ SCADA trạm xây dựng trên cơ sở

SLC500 và DH485

Rockwell Automation có thể cung cấp một tập hợp đầy đủ các thiết bị

để thiết kế một hệ SCADA hoàn chỉnh bao gồm : Thiết bị truyền thông dữ liệu ( Data Communication Equipment – DCE ), trạm chủ giao tiếp vận hành ( Operation Interface ) và các trạm từ xa ( Local Remote Station )

Các topology, mode truyền, thiết bị kết nối đa dạng tạo cho ng-ời thiết

kế hệ thống dễ dàng trong việc chọn lựa

Mạng PLC của Allen – Bradley gồm có mạng DH-485, DH, DH+

• Mạng DH đ-ợc sử dụng để tổ chức mạng PLC-5

• Mạng DH-485 đ-ợc sử dụng để tổ chức mạng SLC-5

Trang 30

động

• Mạng DH+ có thể tổ chức đồng thời cho cả mạng PLC-5

và SLC500 ( SLC 5/04, SLC 5/05 )

1.2.3 Phần mềm công cụ SCADA RSView32

RSView32 là một thành phần không thể thiếu đ-ợc trong các hệ SCADA của Rockwell Automation, nó thực hiện chức năng giao diện ng-ời-máy HMI ( Human Machine Interface ).Đây là một trong số nhiều sản phẩm của Rockwell Sofware đ-ợc viết để chạy trên nền Windows 9.x hay Windows

NT

Trong RSView32 đ-ợc chia thành hai phần:

• RSview32 works : thực hiện chức năng soạn thảo, phát triển và chạy ch-ơng trình

• RSview32 Runtime: chỉ thực hiện chức năng chạy ch-ơng trình đã phát triển trên RSview32 Works

Các ch-ơng trình đ-ợc xây dựng bởi RSView32 đ-ợc gọi là các dự án (project) Một project là một th- mục đ-ợc chứa trên ổ cứng của máy tính mà

nó có thể có những th- mục con nh- sau:

• Các file ứng dụng (*.rsv)

• Tag folder

• Danh mục các file phục vụ truyền thông ( Communications profile folder )

• Danh mục các file l-u trữ ( Cache folder )

File rsv chứa những thông tin nh- danh sách các thành phần của một project và th- mục con, phiên bản của ch-ơng trình Mặc định các thành phần của project đ-ợc chứa trong th- mục có tên của project nh-ng cũng có thể

đ-ợc chứa trong th- mục khác hoặc chứa trong th- mục khác của máy tính khác

Trang 31

Vò Dòng Kú LuËn v¨n cao häc – Bé m«n ®iÒu khiÓn tù

.rsv, act, sec

\Compre C¸c files th«ng tin vÒ kªnh, nót, vµ chu

\Dts

C¸c files nhËn ®-îc tag( tªn gäi logic cho mét biÕn cho mét thiÕt bÞ hoÆc bé nhí RAM)

File l-u tr÷ tag

.db, ctl, dat cac

Trang 32

H×nh 1.9 C¸c thµnh phÇn chøc n¨ng trong RSView32

Giao tiÕp víi thiÕt

bÞ kh¸c

§å thÞ thêi gian thùc

L-u tr÷

NhËt ký C¶nh b¸o

§å ho¹

thêi gian

thùc

ChuÈn OPC ChuÈn

DDE

ODBC

§Þnh d¹ng

NhËt ký c¶nh b¸o

Ghi nhËn c¶nh b¸o

ThiÕt lËp c¸c c¶nh b¸o

Khu«n d¹ng vµ hiÓn thÞ c¶nh b¸o

Trang 33

động

Trong RSView32 các trạm (Node) có thể là các thiết bị ( thông th-ờng

là các PLC ) đ-ợc sử dụng trong mạng hoặc các ứng dụng khác trong Windows Các trạm liên lạc với các thiết bị khác trong mạng thông qua trình

điều khiển (driver) hay DDE server cũng nh- OPC server DDE server có thể

là RSServer - một sản phẩn của Rockwell Sofware - hay có thể là ứng dụng trên nền Windows nh- Excel

Mô tả giao tiếp DDE (Dynamic Data Exchange) và OPC (OLE for Process Control) trong RSView32 nh- hình 1.10 và 1.11 :

Hình 1.10 Mô tả giao tiếp DDE trong RSView32

RSView32

RSView32 DDE module

Remote computer- RSView32 OPC server

RSServer

PLC network

Third party DDE Server

Network or third-party communication link

CF_Text or

XL Table

AdvanceDDE

CF_Text or AdvanceDDE

PC runing RSView32

Modicon, GE, Siemens, or other Programmable controller

Other non-Allen- Bradley device

Trang 34

động

1.3 Tổ chức bộ điều khiển PID trên SLC 500

1.3.1 Cấu trúc vòng điều khiển trên PLC

Trong công nghiệp bộ điều khiển PID có thể là các thiết bị khí nén, thuỷ lực hoặc là một chip vi điều khiển có cài đặt thuật toán PID Bộ điều khiển PID trong SLC 500 là một bộ điều khiển công nghiệp đ-ợc tổ chức dựa trên các module CPU và các module vào/ra analog cùng với lệnh PID, trong

đó ng-ời dùng chỉ việc khai báo các tham số của bộ điều khiển cũng nh- một

số tham số khác của hệ thống

Hình 2.7 Mô tả giao tiếp DDE trong RSView32 DDE

RSView32

RSView32 OPC client module

Remote computer 3rd-party OPC server

Non-Allen-Bradley programmable controller

Bradley device

Network or third-party communication link

Hình 1.11 Mô tả giao tiếp OPC trong RSView32

Third-party application with OPC server support

Trang 35

động

Hình 1.12 là một minh họa cho cấu trúc điều khiển PID trong SLC 500

Thuật toán PID có đầu vào là sai lệch E giữa giá trị thực đo đ-ợc của biến điều

khiển PV (Process Variable) và giá tri đặt SP ( Set Point ) Đầu ra của bộ điều

khiển là tín hiệu CV ( Control Variable ) đ-ợc tính theo thuật PID nh- sau :

I C

1

(1.1) Tín hiệu sơ cấp của cảm biến đo (đã qua chuyển đổi) cũng nh- tín hiệu

đ-a ra điều khiển thiết bị chấp hành sẽ là những tín hiệu điện theo các chuẩn trong công nghiệp nh- 010VDC, 420mA t-ơng ứng với các giá trị số ( kiểu nguyên ) trong bộ nhớ của PLC, cụ thể các khoảng giá trị biến đổi có thể xem trong bảng 1.2 và 1.3(phần đặc điểm biến đổi của các module vào ra t-ơng

Control Output

Hình 1.12 Một vòng điều khiển PID trong SLC 500

CV

Trang 36

động

Trong SLC500, lệnh SCL cho ta thực hiện thang hoá theo ph-ơng trình mô tả

quan hệ y=ax +b với các tham số nh- sau :

y : scaled value – là giá trị đã đ-ợc thang hoá

x : input value – là đại l-ợng vào cần đ-ợc thang hoá

a : rate – là hệ số thang hoá ( độ dốc )

InputMin InputMax

ScaleMin ScaleMax

Hai thông số Rate và Offset đ-ợc tính theo công thức (1.2) và tuỳ thuộc vào

đặc tính các đại l-ợng đo ( input value ) và đặc tính của đại l-ợng ra

Hình 1.13 Khai báo lệnh SCL (Scale) trong SLC 500

Trong đó:

• Source là địa chỉ chứa giá trị vào

( Input Value có giá trị từ -32768  32767 )

• Rate có thể là hằng số hoặc giá trị của một từ nhớ

(có giá trị từ –32,768  32,767 )

• Offset có thể là hằng số hoặc giá trị của một từ nhớ

Trang 37

động

• Dest là địa chỉ chứa kết quả là giá trị đã đ-ợc thang hoá

(Scaled Value có giá trị từ -32768  32767)

Hình 1.14 Thang hoá tín hiệu đầu vào 4-20mA

Để tránh phụ thuộc vào thời gian của một vòng quét ch-ơng trình chính các bộ PID cần phải đ-a ra quyết định điều khiển phù hợp với thời gian cắt mẫu thì mới có ý nghĩa do đó vấn đề đặt ra là phải cập nhật ngay số liệu vào từ

PV, nh- thế lệnh IIM (vào số liệu trực tiếp ) phải đ-ợc dùng tr-ớc lệnh PID T-ơng tự lệnh IOM ( đ-a kết quả ra trực tiếp ) phải đ-ợc đặt sau lệnh PID ( xem hình 1.14 )

Trong đó:

• Slot : vị trí khe cắm module Analog Input/Analog Output, ví dụ I:1.0 nghĩa là module Analog Input đ-ợc cắm tại slot số 1, địa chỉ là của word số 0

Trang 38

động

• Mask : mặt nạ để che những bit không truyền của word 16 bit

• Length : chỉ số word đ-ợc truyền

Hình 1.15 Khai báo lệnh IOM và IIM trong SLC 500 1.3.2 Các khai báo tham số bộ điều khiển PID

Cú pháp lệnh PID nh- sau :

Hình 1.16 Khai báo lệnh PID trong SLC 500

Trong đó :

• Control Block là một file l-u chứa dữ liệu để lệnh PID hoạt động đ-ợc

Độ dài (Control Block Length) của file là cố định 23 words và địa chỉ

các file phải là số nguyên Ví dụ nếu địa chỉ Control Block đ-ợc nhập là N10:0 thì các phần tử trong file là từ N10:0  N10:22 Chú ý là các địa chỉ trong file không đ-ợc dùng làm biến khác trong ch-ơng trình, nếu không sẽ dẫn đến các kết quả không mong muốn Các kết nối dữ liệu với DDE server nhằm mục đích hiệu chỉnh, đánh giá chất l-ợng PID

đều thực hiện thông qua Control Block

Trang 39

động

• Process Variable (PV) là một địa chỉ của một word chứa giá trị của

biến điều khiển quá trình Địa chỉ này có thể là word của analog input nơi chứa kết quả biến đổi đầu vào của A/D nếu nh- ch-ơng trình không

có lệnh SCL Trong ví dụ trên N10:28 là địa chỉ PV đã đ-ợc thang hoá

• Control Variable (CV) là thành phần địa chỉ chứa giá trị đầu ra tác

động điều khiển của lệnh PID Khoảng giá trị đầu ra là từ 016383 với

16383 là giá trị 100%CV Giá trị này luôn là giá trị nguyên để có thể thang hoá khoảng giá trị đầu ra của PID thành khoảng giá trị analog phục vụ cho mục đích cụ thể

Để khai báo trực tiếp các tham số điều khiển ta vào Setup Screen nh- hình

1.16

Hình 1.17 Khai báo các tham số trong lệnh PID của SLC 500

Các tr-ờng phải nhập vào đ-ợc miêu tả ở bảng 1.7

Trang 40

Là hệ số vi phân tính theo phút, T D =0,125,5 (với CPU 5/02 ) và

T D =0327,67 (với CPU 5/03, 5/04, 5/05 ) Th-ờng chọn T D =1/8T I

Loop Update

Khoảng thời gian giữa các lần tính của PID, th-ờng thì nó nhanh gấp 510 lần chu kỳ dao động của hệ thống Với chế độ ngắt STI thì LoopUpdate bằng khoảng thời gian thực hiện ngắt

Tính bằng giây, có giá trị từ 0,125,5 (s) đối với CPU 5/02 và từ 0,0110,24 (s) đối với CPU 5/03, 5/04, 5/05

Control

Mode

Lựa chọn giữa hai chế độ E=SP-PV ( Reverse Acting )-chế độ này phù

hợp cho quá trình điều khiển nhiệt độ khi mà PV nhỏ hơn SP thì CV sẽ

tăng Chế độ còn lại là E=PV-SP ( Direct Acting )- chế độ này phù hợp

cho quá trình làm lạnh khi mà PV lớn hơn SP thì CV sẽ tăng

PID Control

Lựa chọn giữa Auto và Manual Chế độ Auto chỉ rằng PID đang điều

khiển đâu ra, còn chế độ Manual chỉ rằng ng-ời dùng đang thiết lập giá trị

đầu ra

Time Mode

Lựa chọn giữa chế độ Timed và STI Trong chế độ Timed thì giá trị ra

đ-ợc cập nhật trong khoảng thời gian Loop Update, ở chế độ này thì thời gian quét để xử lý ít nhất phải nhanh gấp 10 lần thời gian Loop Update để tránh tình trạng xử lý sai kết quả Với chế độ STI, giá trị ra đ-ợc cập nhật tại thời điểm nó đ-ợc quét

Định dạng
Số trang	91
Dung lượng	1,67 MB