ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG MODBUS TCP THU THẬP TÍN HIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ. Tự động hóa hoặc điều khiển tự động, là việc sử dụng nhiều hệ thống điều khiển cho các thiết bị hoạt động như máy móc, xử lý tại các nhà máy, nồi hơi, lò xử lý nhiệt, chuyển mạch trong mạng điện thoại, chỉ đạo và ổn định của tàu, máy bay và các ứng dụng khác với con người can thiệp tối thiểu hoặc giảm. Một số quy trình đã được hoàn toàn tự động.
Trang 1BỘ CÔNG THƯƠNG KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
-ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG MODBUS TCP THU
THẬP TÍN HIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN
NHIỆT ĐỘ
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2020
Trang 2NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Người nhận xét
(Kí tên và ghi rõ họ tên)
Trang 3NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
Người nhận xét
(Kí tên và ghi rõ họ tên)
Trang 4MỤC LỤC
Chương 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1
1.1 Lý do chọn đề tài 1
1.2 Mục tiêu 1
Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2
2.1 Giới thiệu sơ lược về bộ điều khiển và hệ thống tự động hoá 2
2.2 Bộ điều khiển ON/OFF 3
2.2.1 Giới thiệu bộ điều khiển 3
2.2.2 Thuật toán điều khiển 4
2.3 Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (PID) 5
2.3.1 Các thông số bộ điều khiển PID 6
2.3.2 Điều chỉnh vòng lặp 8
2.4 Bộ điều khiển logic khả trình PLC 12
2.4.1 Giới thiệu về PLC S7-1200 12
2.4.1.1 Các thông số cơ bản PLC Siemens S7-1200 13
2.4.1.2 Các bảng tín hiệu 15
2.4.1.3 Các module tín hiệu 15
2.4.1.4 Các module truyền thông 16
2.4.1.5 Nguyên lý hoạt động PLC S7-1200 16
2.5 Các chuẩn mạng truyền thông trong công nghiệp phổ biến 17
2.5.1 Truyền thông nối tiếp 17
2.5.2 HART 18
2.5.3 DeviceNet 20
2.5.4 Modbus 21
2.5.5 Profibus 22
2.6 Cảm biến nhiệt độ 23
2.6.1 Nhiệt điện trở (Resitance temperature detector-RTD) 23
2.6.2 Cặp nhiệt điện (Thermocouple) 24
2.6.3 Cảm biến vi mạch bán dẫn đo nhiệt độ 25
Chương 3 CẤU TRÚC PHẦN CỨNG CỦA HỆ THỐNG 27
3.1 Sơ đồ khối hệ thống 27
3.2 Bộ điều khiển 27
3.2.1 Cấu hình chi tiết 28
3.2.2 Tính năng nổi bật 28
3.3 Khối cảm biến 29
Trang 53.4 Khối điều khiển SSR 31
3.5 Khối điện trở nhiệt 32
3.6 Switch TP – LINK TL – SF1005D 33
3.7 Sơ đồ kết nối phần cứng PLC 35
3.8 Sơ đồ kết nối 2 PLC với PC 36
Chương 4 PHẦN MỀM CỦA HỆ THỐNG 37
4.1 Lập trình cho PLC S7-1200 37
4.1.1 Giới thiệu phần mềm lập trình 37
4.1.2 Cách cài đặt phần mềm 37
4.1.3 Cách tạo một Project 37
4.2 Cách giao thức Modbus TCP/IP trong TIA Portal S7-1200 39
4.3 Chương trình của hệ thống 51
4.3.1 Chương trình CLIENT (CPU 1211 DC/DC/DC) 51
4.3.2 Chương trình SERVER (CPU 1211 DC/DC/DC) 53
Chương 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 56
5.1 Kết quả đạt được 56
5.1.1 Hình ảnh mô hình thực tế 56
5.1.2 Giao diện WinCC 56
5.1.3 Kết quả thực nghiệm 57
5.2 Nhận xét và đánh giá 57
5.3 Kết luận 57
5.4 Hướng phát triển 58
TÀI LIỆU THAM KHẢO 59
Trang 6MỤC LỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1 Cánh tay Robot – một ứng dụng của tự động hoá 2
Hình 2.2 Một sơ đồ điều khiển vòng hở 3
Hình 2.3 Bộ điều khiển vòng kín 3
Hình 2.4 Xung PWM với các chu kì khác nhau 4
Hình 2.5 Phương pháp điều khiển theo kiểu PWM 5
Hình 2.6 Cấu trúc bộ điều khiển PID 6
Hình 2.7 Khâu tỉ lệ bộ điều khiển PID 7
Hình 2.8 Khâu tích phân bộ điều khiển PID 7
Hình 2.9 Khâu vi phân bộ điều khiển PID 8
Hình 2.10 Các bộ phận của PLC 13
Hình 2.11 Board mở rộng SB 15
Hình 2.12 Module tín hiệu 15
Hình 2.13 Module truyền thông 16
Hình 2.14 Chu kỳ quét của một PLC 17
Hình 2.15 Hệ thống điều khiển dùng truyền thông nối tiếp 18
Hình 2.16 Truyền thông song song và nối tiếp 18
Hình 2.17 Máy chủ Hart cầm tay 19
Hình 2.18 Liên kết điểm – điểm 20
Hình 2.19 Liên kết đa điểm 20
Hình 2.20.Truyền thông mạng Profibus 22
Hình 2.21 Nhiệt điện trở 23
Hình 2.22 Cặp nhiệt điện 24
Hình 2.23 Cảm biến vi mạch bán dẫn 25
Hình 2.24 Sơ đồ mạch IC đo nhiệt 25
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 27
Hình 3.2 Bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 1212C DC/DC/DC 28
Hình 3.3 Cảm biến LM35 30
Hình 3.4 Relay bán dẫn (SSR) 31
Hình 3.5 Điện trở nhiệt 32
Hình 3.6 Swith TP - LINK TL – SF1005D 33
Hình 3.7 Sơ đồ kết nối PLC 35
Hình 3.8 Mạch động lực SSR 35
Hình 3.9 Sơ đồ kết nối 2 PLC với PC 36
Trang 7Hình 4.1 Giao diện tạo project mới 38 Hình 4.2 Giao diện Main (OB1) lập trình chương trình 38 Hình 4.3 Giao diện thiết kế WinCC 39
Trang 8DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Bảng lựa chọn phương pháp điều chỉnh 10
Bảng 2.2 Bảng tác động của việc tăng một thông số độc lập 11
Bảng 2.3 Phương pháp Ziegler–Nichols 11
Bảng 2.4 Các module mở rộng PLC S7-1200 14
Bảng 4.1 Ghi chức năng dữ liệu 39
Bảng 4.2 Đọc chức năng dữ liệu 39
Bảng 4.3 Các thuộc tính trong khối hàm MB_CLIENT 42
Bảng 4.4 Chức năng MB_MODE 44
Bảng 4.5 Các thuộc tính trong khối hàm MB_SERVER 47
Bảng 4.6 Các địa chỉ Modbus vào hình ảnh quá trình 48
Bảng 4.7 Kiểu dữ liệu hệ thống TCON_IP_V4 để kết nối với các trạm IPV4 49
Trang 9Chương 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1.1 Lý do chọn đề tài
Với sự phát triển không ngừng của các nền công nghiệp trên thế giới mà nổi bật làcông nghiệp luyện kim, công nghiệp thực phẩm,… Cốt yếu của các ngành công nghiệpnày là làm thế nào để có thể điều khiển được lò nhiệt, lò hơi hay lò nung đạt đượcnhiệt độ mong muốn ban đầu để tối ưu hoá sản phẩm đầu ra Bởi chỉ cần sơ suất nhỏtrong việc điều khiển hệ thống nhiệt độ là có thể gây ra thiệt hại cực kỳ lớn đối với cơ
sở sản xuất hay công ty Từ những phương pháp điều khiển sơ khai ban đầu khôngđảm bảo được nhiệt độ đầu ra, thì các phương pháp điều khiển cấp cao hơn ra đời mànổi bật là điều khiển ON/OFF và đặc biệt là điều khiển bám (PID) Từ đó, trên thịtrường xuất hiện nhiều sản phẩm điều khiển dành riêng cho nhiệt độ như bộ điều khiểnnhiệt độ Tuy nhiên, với đáp ứng của bộ điều khiển nhiệt độ vẫn chưa đạt được yêu cầucủa người sử dụng, vì vậy việc điều khiển bằng bộ điều khiển logic khả trình PLC làmột sự lựa chọn hợp lý với nhiều ưu điểm nổi bật và được sử dụng rộng rãi trong hầuhết các ngành công nghiệp trên thế giới bởi sự tiện lợi, ngôn ngữ lập trình đơn giản, dễdàng lắp đặt và có nhiều sự lựa chọn cho các ngành công nghiệp khác nhau
Chỉ điều khiển thôi là chưa đủ, không thể chắc chắn là hệ thống luôn luôn hoạt động
ổn định Ngoài ra, việc tiếp xúc với nơi làm việc nhiệt độ cao sẽ gây ra những ảnhhưởng nhất định đến người điều khiển Do đó, một hệ thống giám sát là điều cần thiếtlúc này với nhiều phương pháp giám sát khác nhau như màn hình HMI, giao diện giámsát trên máy tính,…
Một điều thuận lợi là càng ngày càng có nhiều thiết bị chấp hành, hoặc thiết bị điềukhiển như PLC, biến tần,…được tích hợp các giao thức mạng như: Profibus, Can,Modbus,…Từ những giao thức mạng tích hợp có sẵn trên các thiết bị trên Do đó, đềtài “Ứng dụng Modbus TCP thu thập tín hiệu và điều khiển nhiệt độ” được em lựachọn
1.2 Mục tiêu
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài “Ứng dụng Modbus TCP thu thập tín hiệu và điềukhiển nhiệt độ” là nắm rõ nguyên lí hoạt động của Modbus TCP, PLC, làm quen vớingôn ngữ lập trình Tia Portal V15
Trang 10Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Giới thiệu sơ lược về bộ điều khiển và hệ thống tự động hoá
Tự động hóa hoặc điều khiển tự động, là việc sử dụng nhiều hệ thống điều khiểncho các thiết bị hoạt động như máy móc, xử lý tại các nhà máy, nồi hơi, lò xử lý nhiệt,chuyển mạch trong mạng điện thoại, chỉ đạo và ổn định của tàu, máy bay và các ứngdụng khác với con người can thiệp tối thiểu hoặc giảm Một số quy trình đã được hoàntoàn tự động
Lợi ích lớn nhất của tự động hóa là nó tiết kiệm lao động, tuy nhiên, nó cũng được
sử dụng để tiết kiệm năng lượng và nguyên vật liệu và nâng cao chất lượng với độchính xác cao
Thuật ngữ "tự động hóa", lấy cảm hứng từ các máy tự động, chưa được sử dụngrộng rãi trước năm 1947, khi Ford thành lập một bộ phận tự động hóa Trong thời giannày ngành công nghiệp đã được áp dụng nhanh chóng điều khiển phản hồi, mà đãđược giới thiệu trong những năm 1930
Hình 2.1 Cánh tay Robot – một ứng dụng của tự động hoá
Tự động hóa đã được thực hiện bằng phương tiện khác nhau bao gồm cơ khí, thủylực, khí nén, điện, điện tử và máy tính, thường kết hợp Các hệ thống phức tạp, chẳnghạn như các nhà máy hiện đại, máy bay và tàu thường sử dụng tất cả những kỹ thuậtkết hợp
Về cơ bản trong tự động hóa có 2 kiểu điều khiển vòng lặp: vòng lặp mở (openloop) và vòng lặp kín (closed loop)
Trang 11Với bộ điều khiển vòng lặp mở, các lệnh từ bộ điều khiển độc lập với đầu ra ví dụ
dễ hiểu như: Để giữ ấm nhiệt độ trong một tòa nhà, ngườ ta lắp một cái lò sưởi ở trungtâm, được điều khiển bởi 1 bộ timer Bộ timer này sẽ điều khiển bật/ tắt lò sưởi theothời gian định sẵn lặp đi lặp lại mà không cần biết nhiệt độ trong phòng đang là nónghay lạnh
r Giá trị mong muốn
c Giá trị thực tế
Hình 2.2 Một sơ đồ điều khiển vòng hở
Với bộ điều khiển vòng lặp kín, các lệnh từ bộ điều khiển luôn phụ thuộc vào giátrị ở đầu ra Trong trường hợp lò sưởi bên trên, để giữ nhiệt độ trong phòng luôn ổnđịnh, người ta lắp thêm một cảm biến nhiệt độ nhờ có phản hồi (feedback) từ cảmbiến mà bộ điều khiển có thể cảm nhận được nhiệt độ trong phòng, từ đó so sánh giữanhiệt độ trong phòng và nhiệt độ cần tăng giúp nhiệt độ trong phòng luôn ở mức cốđịnh Do đó, bộ điều khiển vòng lặp kín, luôn có một vòng của tín hiệu phản hồi đểđảm bảo đầu ra theo đúng giá trị đã thiết lập (Set point) còn gọi là giá trị tham chiếuđầu vào (Reference input) vậy nên, bộ điều khiển vong lặp kín còn được gọi là bộđiều khiển có phản hồi
H
ệ th ốn g
B
ộ đi
ều kh iể n
G
iá trị th a
m ch iế
N
gõ và
o
hệ th ốn g
N g
õ
ra
hệ th ố n g
C ả
m bi ến
Sa
i số
G
iá trị đ
o đ ư ợc
Hình 2.3 Bộ điều khiển vòng kín
2.2 Bộ điều khiển ON/OFF
2.2.1 Giới thiệu bộ điều khiển
Với những hệ thống, dây truyền điều khiển hiện nay vẫn chủ yếu là sử dụng phươngpháp điều khiển ON-OFF Đây là phương pháp điều khiển đơn giản nhất, tiết kiệm chi
3
Trang 12phí nhất, được ứng dụng cho những đối tượng không yêu cầu cao về chất lượng điềukhiển Ví dụ như điều khiển đóng mở trực tiếp các động cơ điện, các van thủy lực, khínén, lò nhiệt.
Phương pháp điều khiển theo kiểu ON-OFF chỉ là đóng và ngắt thiết bị tiêu thụ điện
ra khỏi lưới điện Ví dụ trong một hệ thống ổn định nhiệt độ của một lò nhiệt, sử dụngphương pháp điều khiển ON-OFF Khi khởi động hệ thống lò nhiệt, điều khiển lò nhiệtsang trạng thái ON, sau một thời gian nhiệt độ trong lò nhiệt đạt đến mức ngưỡng Lúc
đó, chuyển sang trạng thái OFF để cắt nguồn cấp cho lò nhiệt, vì có tính chất trễ nênsau một khoàng thời gian nhiệt độ trong lò giảm xuống, mạch điều khiển chuyến sangtrạng thái ON và cứ tiếp tục quá trình như vậy
Đầu ra sẽ luôn ON/OFF và dựa theo giá trị đặt để nhiệt độ điều khiển không đổi.Khi đó công suất cấp cho sợi đốt cũng chỉ có 2 giá trị (nghĩa là 100% hoặc 0%) Chonên bộ điều khiển tác động ON/OFF còn gọi là bộ điều khiển tác động 2 vị trí
2.2.2 Thuật toán điều khiển
Đối tượng áp dụng cho phương pháp điều khiển theo kiểu ON-OFF là các động cơcông suất nhỏ và yêu câu về chất lượng không cao Các bộ điều khiển logic hiện naynhư các dòng vi điều khiển, các dòng PLC chủ yếu điều khiển theo phương pháp này Phương pháp điều khiển theo PWM là phương pháp điều khiển dựa trên nguyên lýcủa điều khiển ON-OFF Điểm khác biệt ở đây là việc đóng mở ON-OFF có chủ định
và tần suất đóng mở trong một chu kỳ rất lớn Có thể điều chỉnh độ rộng xung theocông thức sau:
Giá trị điều khiển =
Trang 13Chu kỳ điều khiển trong phương pháp này sẽ là thời gian TON + TOFF, phương pháp giống như phương pháp điều khiển tỉ lệ.
Khi hoạt động, giá trị đầu vào thấp hơn và nằm ngoài dải tỷ lệ, đầu ra điều khiển sẽđược ON 100% Nếu giá trị đầu vào nằm trong dải tỷ lệ, đầu ra điều khiển sẽ tănghoặc giảm từ từ tuyến tính với độ sai lệch đầu vào Nếu độ sai lệch bằng 0 (đầu vào
= SV) thì đầu ra điều khiển sẽ ON 50% Nếu giá trị đầu vào cao hơn và nằm ngoàidải tỷ lệ, đầu ra sẽ OFF(ứng với giá trị 0%)
Hình 2.5 Phương pháp điều khiển theo kiểu PWM
2.3 Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (PID)
Bộ điều khiển PID tên tiếng anh là (Proportional Integral Derivative Controller) haycòn gọi là với tên là điều khiển vi tích phân tỉ lệ, là một bộ điều khiển vòng kín được
sử dụng rộng rãi trong công nghiệp Sử dụng bộ điều khiển PID để điều chỉnh sai lệchgiữa giá trị đo được của hệ thống (process variable) với giá trị đặt (set point) bằng cáchtính toán và điều chỉnh giá trị điều khiển ở ngõ ra
PID là một trong những lý thuyết cổ điển dùng cho điều khiển tuy nhiên nó vẫnứng dụng rộng rãi cho đến ngày nay Hệ điều khiển liên tục rất thường sử dụng bộ điềukhiển PID để điều khiển nhiều loại đối tượng khác nhau chẳng hạn như: nhiệt độ lònhiệt, tốc độ động cơ, mực chất lỏng trong bồn chứa… Do nó có khả năng làm triệttiêu sai số xác lập, tăng tốc độ đáp ứng quá độ, giảm độ vọt lố nếu các thông số của bộđiều khiển được lựa chọn thích hợp
Trang 14Hình 2.6 Cấu trúc bộ điều khiển PID
Công thức bộ điều khiển PID:
U=KP.e(t) + KI.(ʃ e(t)dt) + KD[de(t)/dt] (1)
Trong đó:
Setpoint: tín hiệu đặt (tín hiệu mong muốn đạt được)
Error:sai số giảm tín hiệu thực tế và tín hiệu đặt
Output:ngõ ra hệ thống
2.3.1 Các thông số bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID sẽ bao gồm ba khâu tương ứng với ba thông số chính:
- Khâu tỉ lệ (Proportional) KP
- Khâu tích phân (Integration) KI
- Khâu vi phân (Derivative) KD
Nếu chọn các thông số này phù hợp (tín hiệu đặt và tín hiệu thực tế trùng nhau) thì
Trang 15y(t) u(t)
r(t) e(t)
Hình 2.7 Khâu tỉ lệ bộ điều khiển PID
Chú ý:
- càng lớn thì tốc độ đáp ứng càng nhanh.
- càng lớn thì sai số xác lập càng nhỏ (nhưng không thể triệt tiêu).
- càng lớn thì các cực của hệ thống có xu hướng di chuyển ra xa trục thực
=> Hệ thống càng dao động và độ vọt lố càng cao
Nếu tăng quá giá trị giới hạn thì hệ thống sẽ mất ổn định
Khâu tích phân (Integration)
Hàm truyền: K(s) =KI/s
Đặt tính thời gian: Y(s) = KI.G(s).E(s)/s
Sai số hệ thống: E(s) = s.R(s)/[s+G(s).H(s).KI]
y(t) u(t)
- càng lớn thì sai số xác lập càng nhỏ Hệ số khuếch đại của khâu tích phân sẽ
bằng vô cùng khi tần số bằng 0 => triệt tiêu sai số xác lập với hàm nấc
Trang 16 Các phương pháp tìm thông số PID (K P, K I, K D )
- Có rất nhiều phương pháp để tìm thông số PID như:
Phương pháp Ziegler – Nichols
Phương pháp Cohen – Coon
Phương pháp Tyreus – Luyben
Trang 17một mức độ phi tuyến nào đấy khiến các thông số làm việc tốt ở điều kiện đầy tải sẽkhông làm việc khi quá trình khởi động từ không tải; điều này có thể khắc phụcbằng chương trình độ lợi (sử dụng các thông số khác nhau cho những khu vực hoạtđộng khác nhau) Các bộ điều khiển PID thường cung cấp các điều khiển có thể chấpnhận được thậm chí không cần điều chỉnh, nhưng kết quả nói chung có thể được cảithiện bằng cách điều chỉnh kỹ lưỡng, và kết quả có thể không chấp nhận được nếu điềuchỉnh kém.
Điều chỉnh PID là một bài toán khó, ngay cả khi chỉ có 3 thông số và về nguyên tắc
là dễ miêu tả, bởi vì nó phải thỏa mãn các tiêu chuẩn phức tạp nằm trong những hạnchế của điều khiển PID Vì vậy có nhiều phương pháp khác nhau để điều chỉnh vònglặp, và các kỹ thuật phức tạp hơn là đề tài cho nhiều phát minh sáng chế; phần nàymiêu tả vài phương pháp thủ công truyền thống để điều chỉnh vòng lặp
- Độ ổn định:
Nếu các thông số của bộ điều khiển PID (độ lợi của khâu tỉ lệ, tích phân và vi phân)được chọn sai, đầu vào quá trình điều khiển có thể mất ổn định, vì các khác biệt đầu racủa nó, có hoặc không có dao động và được giới hạn chỉ bởi sự bảo hòa hoặc đứt gãy
cơ khí Sự không ổn định được gây ra bởi sự dư thừa độ lợi, nhất là khi xuất hiện độtrễ lớn
Nói chung, độ ổn định của đáp ứng (ngược với độ bất định) phải thỏa mãn và quátrình phải không được dao động vì bất kỳ sự kết hợp nào giữa các điều khiện quá trình
và điểm đặt, mặc dù đôi khi ổn định biên có thể được chấp nhận hoặc yêu cầu
- Tổng quan các phương pháp:
Có nhiều phương pháp khác nhau để điều chỉnh vòng lặp PID Những phương pháphữu hiệu nhất thường bao gồm những triển khai của vài dạng mô hình xử lý, sau đóchọn P, I, và D dựa trên các thông số của mô hình động học Các phương pháp điềuchỉnh thủ công tương đối không hiệu quả lắm, đặc biệt nếu vòng lặp có thời gian đápứng được tính bằng phút hoặc lâu hơn
Lựa chọn phương pháp thích hợp sẽ phụ thuộc phần lớn vào việc có hay khôngvòng lặp có thể điều chỉnh "offline", và đáp ứng thời gian của hệ thống Nếu hệ thống
có thể thực hiện offline, phương pháp điều chỉnh tốt nhất thường bao gồm bắt hệ thốngthay đổi đầu vào từng bước, tín hiệu đo lường đầu ra là một hàm thời gian, sử dụngđáp ứng này để xác định các thông số điều khiển
Trang 18Bảng 2.1 Bảng lựa chọn phương pháp điều chỉnh
Các công cụ
phần mềm
Điều chỉnh chắc chắn Phương pháp online hoặc offline Có thể bao gồm phân tích các van
và cảm biến Cho phép mô phỏng trước khi tải xuống để thực thi
Giá cả cao, và phải huấn luyện
Cohen-Coon Xử lý các mô hình tốt Yêu cầu kiến thức toán học Phương pháp offline Chỉ tốt
đối với các quá trình bậc một
- Điều chỉnh thủ công:
Nếu hệ thống phải duy trì trạng thái online, một phương pháp điều chỉnh là thiết đặtgiá trị đầu tiên của KI và KD bằng không Tăng dần KP cho đến khi đầu ra của vòng điềukhiển dao động, sau đó KP có thể được đặt tới xấp xỉ một nửa giá trị đó để đạp đạt đượcđáp ứng "1/4 giá trị suy giảm biên độ" Sau đó tăng KI đến giá trị phù hợp sao cho đủthời gian xử lý Tuy nhiên, KI quá lớn sẽ gây mất ổn định Cuối cùng, tăng KD , nếu cầnthiết, cho đến khi vòng điều khiển nhanh có thể chấp nhận được nhanh chóng lấy lạiđược giá trị đặt sau khi bị nhiễu Tuy nhiên, KD quá lớn sẽ gây đáp ứng dư và vọt lố.Mộtđiều chỉnh cấp tốc của vòng điều khiển PID thường hơi quá lố một ít khi tiến tới điểmđặt nhanh chóng; tuy nhiên, vài hệ thống không chấp nhận xảy ra vọt lố, trong trườnghợp đó, ta cần một hệ thống vòng kín giảm lố, thiết đặt một giá trị KP nhỏ hơn một nửagiá trị KP gây ra dao động
Bảng 2.2 Bảng tác động của việc tăng một thông số độc lập Thông số Thời gian Quá độ Thời gian Sai số ổn định Độ ổn
Trang 19khởi động xác lập định
KD Giảm ít Giảm ít Giảm ít Về lý thuyết không
tác động
Cải thiệnnếu nhỏ
Bảng 2.3 Phương pháp Ziegler–Nichols Dạng điều khiển
- Phần mềm điều chỉnh PID:
Hầu hết các ứng dụng công nghiệp hiện đại không còn điều chỉnh vòng điều khiển
sử dụng các phương pháp tính toán thủ công như trên nữa Thay vào đó, phần mềmđiều chỉnh PID và tối ưu hóa vòng lặp được dùng để đảm báo kết quả chắc chắn.Những gói phần mềm này sẽ tập hợp dữ liệu, phát triển các mô hình xử lý, và đề xuấtphương pháp điều chỉnh tối ưu Vài gói phần mềm thậm chí còn có thể phát triển việcđiều chỉnh bằng cách thu thập dữ liệu từ các thay đổi tham khảo
Điều chỉnh PID bằng toán học tạo ra một xung trong hệ thống, và sau đó sử dụngđáp ứng tần số của hệ thống điều khiển để thiết kế các giá trị của vòng điều khiển PID.Trong những vòng lặp có thời gian đáp ứng kéo dài nhiều phút, nên chọn điều chỉnhbằng toán học, bởi vì việc thử sai thực tế có thể kéo dài nhiều ngày để tìm điểm ổnđịnh cho vòng lặp Giá trị tối ưu thì khó tìm hơn Vài bộ điều khiển số còn có chứcnăng tự điều chỉnh, trong đó những thay đổi rất nhỏ của điểm đặt cũng được gửi tớiquá trình, cho phép bộ điều khiển tự mình tính toán giá trị điều chỉnh tối ưu
Trang 20Các dạng điều chỉnh khác cũng được dùng tùy theo tiêu chuẩn đánh giá kết quảkhác nhau Nhiều phát minh hiện nay đã được nhúng sẵn vào trong các module phầnmềm và phần cứng để điều chỉnh PID.
2.4 Bộ điều khiển logic khả trình PLC
2.4.1 Giới thiệu về PLC S7-1200
Bộ điều khiển logic khả trình (PLC) S7-1200 mang lại tính linh hoạt và sức
mạnh để điều khiển nhiều thiết bị đa dạng hỗ trợ các yêu cầu về điều khiển tự động Sựkết hợp giữa thiết kế thu gọn, cấu hình linh hoạt và tập lệnh mạnh mẽ đã khiến cho S7-
1200 trở thành một giải pháp hoàn hảo dành cho việc điều khiển nhiều ứng dụng đa
dạng khác nhau
Kết hợp một bộ vi xử lý, một bộ nguồn tích hợp, các mạch ngõ vào và mạchngõ ra trong một kết cấu thu gọn, CPU trong S7-1200 đã tạo ra một PLC mạnh mẽ.Sau khi người dùng tải xuống một chương trình, CPU sẽ chứa mạch logic được yêucầu để giám sát và điều khiển các thiết bị nằm trong ứng dụng CPU giám sát các ngõ
vào và làm thay đổi ngõ ra theo logic của chương trình người dùng, có thể bao gồm các hoạt động như logic Boolean, việc đếm, định thì, các phép toán phức hợp và việc
truyền thông với các thiết bị thông minh khác
Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ việc truy xuất đến cả CPU và chươngtrình điều khiển:
- Mỗi CPU cung cấp một sự bảo vệ bằng mật khẩu cho phép người dùng cấu hìnhviệc truy xuất đến các chức năng của CPU
- Người dùng có thể sử dụng chức năng “know-how protection” để ẩn mã nằmtrong một khối xác định CPU cung cấp một cổng PROFINET để giao tiếp qua mộtmạng PROFINET các mạng RS232 hay RS485
Trang 21Hình 2.10 Các bộ phận của PLC
Bộ phận kết nối nguồn
Các bộ phận kết nối nối dây của người dùng có thể tháo được (phía sau cácnắp che) và khe cắm thẻ nhớ nằm dưới cửa phía trên
Các LED trạng thái dành cho I/O tích hợp
Bộ phận kết nối PROFINET (phía trên của CPU Các kiểu CPU khác nhaucung cấp một sự đa dạng các tính năng và dung lượng giúp cho người dùng tạo
ra các giải pháp có hiệu quả cho nhiều ứng dụng khác nhau
Trang 22Bộ nhớ bit (M) 4096 byte 8192 byte
Thông thường 10 ngày / ít nhất 6 ngày tại 400C
Bảng 2.4 Các module mở rộng PLC S7-1200 Module Chỉ ngõ vào Chỉ ngõ ra Kết hợp In/Out
Trang 23Một bảng tín hiệu (SB) cho phép người dùng thêm vào I/O cho CPU Người dùng
có thể thêm một SB với cả I/O kiểu số hay kiểu tương tự SB kết nối vào phía trướccủa CPU SB với 4 I/O kiểu số (ngõ vào 2 x DC và ngõ ra 2 x DC), SB với 1 ngõ rakiểu tương tự
Hình 2.11 Board mở rộng SB
Các LED trạng thái trên SB
Bộ phận kết nối nối dây của người dùng có thể tháo ra
Người dùng có thể sử dụng các module tín hiệu để thêm vào CPU các chức năng.Các module tín hiệu kết nối vào phía bên phải của CPU
Trang 24Hình 2.12 Module tín hiệu
Các LED trạng thái dành cho I/O của module tín hiệu
Bộ phận kết nối đường dẫn
Bộ phận kết nối nối dây của người dùng có thể tháo ra
Họ S7-1200 cung cấp các module truyền thông (CM) dành cho các tính năng bổsung vào hệ thống Có 2 module truyền thông: RS232 và RS485
CPU hỗ trợ tối đa 3 module truyền thông.Mỗi CM kết nối vào phía bên trái củaCPU (hay về phía bên trái của một CM khác)
Hình 2.13 Module truyền thông
Các LED trạng thái dành cho module truyền thông
Bộ phận kết nối truyền thông
Trang 25các phép tính số học và các phép tính logic, bộ nhớ lớn hơn, tốc độ xử lý cao hơn và
có trang bị giao diện với máy tính, với mạng nội bộ,…
Bộ vi xử lý điều khiển chu kỳ làm việc của chương trình Chu kỳ này được gọi làchu kỳ quét của PLC, tức là khoảng thời gian thực hiện xong một vòng các lệnh củachương trình điều khiển Chu kỳ quét được minh họa ở hình sau:
Hình 2.14 Chu kỳ quét của một PLC
Khi thực hiện quét các đầu vào, PLC kiểm tra tín hiệu từ các thiết bị vào như côngtắt, cảm biến,…Trạng thái của tín hiệu vào được lưu tạm thời vào một mảng nhớ.Trong thời gian quét chương trình, bộ xử lý quét lần lượt các lệnh của chương trìnhđiều khiển, sử dụng các trạng thái của tín hiệu vào trong mảng nhớ để xác định các đầu
ra đáp ứng hay không Kết quả là các trạng thái của đầu ra được ghi vào mảng nhớ,PLC sẽ cấp hoặc ngắt điện cho các mạch ra để điều khiển các thiết bị ngoại vi Chu kỳquét của PLC có thể kéo dài từ 1 đến 25ms Thời gian quét đầu vào và đầu ra thườngngắn so với chu kỳ quét của PLC
2.5 Các chuẩn mạng truyền thông trong công nghiệp phổ biến
2.5.1 Truyền thông nối tiếp
Trong viễn thông và truyền dữ liệu, truyền thông nối tiếp (tiếng Anh: serialcommunication) là quá trình gử dữ liệu tuần tự theo từng bit, qua một kênh truyềnthông hoặc bus máy tính Quá trình truyền thông nối tiếp trái ngược với truyền thôngsong song, trong đó một số bit được gửi toàn bộ và cùng lúc, trên một liên kết gồmnhiều kênh song song Truyền thông nối tiếp được sử dụng cho tất cả truyền thôngđường dài và là hệ thống giao tiếp cơ bản cho mọi bộ điều khiển như PLC Giao thức
Trang 26này được thực hiện bằng các tiêu chuẩn giao thức như: RS232, RS422, RS485.(RS viếttắt của từ Recommended Standard).
Hình 2.15 Hệ thống điều khiển dùng truyền thông nối tiếp
So sánh sự khác biệt truyền thông nối tiếp và song song:
+ Truyền thông nối tiếp yêu cầu một đường truyền duy nhất để giao tiếp còntruyền thông song song đòi hỏi nhiều đường truyền
+ Truyền thông nối tiếp được sử dụng để liên lạc đường dài trong khi truyền thôngsong song được sử dụng với khoảng cách ngắn hơn
+ Tốc độ truyền của truyền thông song song nhanh hơn khi dữ liệu được truyềnbằng nhiều dòng còn dữ liệu trong truyền thông nối tiếp qua một dây
+ Cáp truyền thông nối tiếp mỏng, dài và kinh tế hơn so với truyền thông songsong
+ Truyền thông nối tiếp đáng tin cây đơn giản và ít lỗi hơn so với truyền thôngsong song
Hình 2.16 Truyền thông song song và nối tiếp
Trang 272.5.2 HART
Giao thức HART (Highway Addressable Remote Transducer) là tiêu chuẩn quốc tế
về việc gửi và nhận thông tin kỹ thuật số trên cùng đường truyền với tín hiệu Analoggiữa các thiết bị thông minh và hệ thống điều khiển hoặc hệ thống giám sát HART làmột giao thức truyền thông hai chiều cung cấp truy cập dữ liệu giữa các thiết bị hiệntrường thông minh và hệ thống máy chủ Một máy chủ có thể là một thiết bị cầm tayhay một PC được cài phần mềm ứng dụng để kiểm soát một nhà máy xử lý, quản lýthiết bị, an toàn hoặc hệ thống khác
* Cơ chế giao tiếp
HART là giao thức truyền thông dạng chủ/tớ (Master/Slaver), nghĩa là thiết bị tạihiện trường (slaver) chỉ có thể giao tiếp với Master HART có thể được sử dụng đểtruyền tải thông tin từ các cảm biến thông minh tới hệ thống điều khiển, giám sát trungtâm HART cung cấp tới hai Master (sơ cấp và thứ cấp), điều này cho phép Master thứcấp như thiết bị cầm tay được sử dụng mà không can thiệp tới thông tin liên lạc đếnhoặc đi của Master sơ cấp (hệ thống điều khiển hoặc giám sát) Ứng dụng thường gặpnhất của HART là chế độ giao tiếp Master/slaver đồng thời với việc truyền tải tín hiệu4-20 mA
Hình 2.17 Máy chủ Hart cầm tay
* Liên kết HART điểm- điểm
Sử dụng tín hiệu chuẩn dùng cho các thiết bị thiết bị đo lường trong các nhà máy tựđộng hóa là tín hiệu tương tự dạng dòng điện 4-20mA Trong đó 4mA tương ứng vớigiới hạn đo dưới còn 20mA tương ứng với giới hạn đo trên của thiết bị
Trang 28Ví dụ đối với thiết bị đo áp suất có giải đo từ 0-100 Psi, khi tín hiệu ra là 4mAtương ứng 0 Psi và 20mA tương ứng 100 Psi tương tự tín hiệu ra là 12mA tương ứng
50 Psi ở đầu vào
Hình 2.18 Liên kết điểm – điểm
* Liên kết HART đa điểm
Đối với truyền đa điểm, giao thức HART sử dụng một điều chế số hay tương tự, kỹthuật được gọi là thay đổi tần số keying (FSK) Kỹ thuật này dựa trên giao tiếpchuẩn Bell 202, tốc độ truyền dữ liệu là 1.200 baud, tần số (2200 Hz) ứng với logic ‘0’
và tần số (1200 Hz)ứng với mức logic ‘1’ Điều này cho phép khả năng giao tiếp haichiều để truyền tải hay tiếp nhận thêm được các thông tin đến từ thiết bị cảm biếnthông minh Giao tiếp HART sử dụng tốc độ truyền thông 1200bps nên không làm ảnhhưởng đến tín hiệu 4-20mA được truyền trên cùng một đường dây và cho phép hai haynhiều hơn các dự liệu số được trao đỏi giữa hệ thống điều khiển, hiển thị trung tâm vớithiết bị cảm biến Vì tín hiệu số FSK là liên tục về pha và không gây nhiễu cho tín hiệu4-20mA
Trang 29Hình 2.19 Liên kết đa điểm
2.5.3 DeviceNet
Đây là một mạng phân cấp thiết bị mở dựa trên công nghệ CAN Nó được thiết kế
để giao tiếp các thiết bị cấp trường ( chẳng hạn như cảm biến, công tắc, đầu đọc mãvạch, màn hình bảng điều khiển, ) với bộ điều khiển cao nhơ như PLC Hổ trợ lên đến
64 trạm và 2048 thiết bị, cấu trúc mạng là đường trục hay đường nhánh với 3 tốc dộtruyền là 125 Kbit/s, 250 Kbit/s, 500 Kbit/s tương ứng với chiều dài tối đa của đườngtrục là 500m, 250m và 100m Đường trục ( các dây màu xanh da trời hoặc trắng) làxương sống của mạng và được kết thúc với trở đầu cuối là 120 Ohm, 0.25W, cácđường nhánh có chiều dài tối đa 6m dùng để kết nối các nút mạng với đường trụcchính Trong mạng chỉ sử dụng một hệ dây cáp dây này vừa là dây nguồn cũng là dâytruyền tải dữ liệu
* Đặc điểm cơ bản của chuẩn truyền thông công nghiệp DeviceNet
+ Gói dữ liệu: tối đa 8 byte
+ Kỹ thuật bus: Truyền thẳng hoặc rẽ nhánh, nguồn và tín hiệu trên cùng một cápmạng
+ Địa chỉ bus: Peer to Peer, MultiMaster hoặc Master/Slave
+ Mỗi thành viên trong mạng được đặt một địa chỉ trong khoảng 0-63, việc bổsung hay sửa đổi được thực hiện khi mạng đóng nguồn
* Truyền thông trong mạng DeviceNet
Truyền thông qua Devicenet dựa vào sự thay đổi tin nhắn (message) và chiều dàitrong khoảng từ 0 đến 8 byte Có hai loại tin nhắn được sử dụng để truyền thông quaDevicenet là Explicit Message và I/O message
Trang 302.5.4 Modbus
Modbus là một phương pháp truyền thông nối tiếp được sử dụng để truyền thông tinqua đường nối của các thiết bị điện tử Các thiết bị cung cấp thông tin gọi là Slave vàcác thiết bị nhân thông tin gọi là Master, trong mạng Modbus tiêu chuẩn có 1 Master
và nhiều nhất 247 Slave với một Slave là một địa chỉ tương ứng với một thiết bị đolường nào đó Master có thể đọc dữ liệu từ Slave và cũng có thể truyền dữ liệu xuốngSlave
Trang 31Hình 2.20.Truyền thông mạng Profibus
- Cấu trúc liên mạng
+ Cấu trúc tuyến (bus)
+ Cấu trúc mạch vòng (ring)
+ Cấu trúc hình sao (star)
- Phương thức truyền thông
+ Đồng đẳng (peer-to-peer) theo chu kì
+ Hỗ trợ mạng tại các cấp độ thiết bị, điều khiển quá trình
+ Sẵn có giao diện cho các ứng dụng variable speed drive và trung tâm điều khiểnđộng cơ
+ Sử dụng trong môi trường an
+ Các cổng nối (gateway) cho phép tích hợp Profibus PA trực tiếp với mạngProfibus DP
+ Giao diện chủ (host) sẵn có cho hầu hết PLC, DCS và các hệ thống máy tính
Trang 32+ Thiết bị gateway hỗ trợ trực tiếp các mạng bus sensor chi phí thấp hơn.
- Hạn chế:
+ Không hỗ trợ ứng dụng Intrinsically Safe
+ Những yêu cầu rằng buộc về hệ thống dây cáp, điện, tiếp đất, bọc và đầu cuốiphải được tính đến trong quá trình thiết kế và lắp đặt
2.6 Cảm biến nhiệt độ
Cảm biến nhiệt độ là một thiết bị đã được sử dụng rất phổ biến, rộng rãi trong nhiềulĩnh vực Không chỉ dùng để đo nhiệt độ mà còn dùng cảm biến để đo các đại lượngkhông điện khác như xác định nồng độ, thành phần chất khí,…Nguyên lý hoạt độngcủa cảm biến nhiệt độ là dựa trên quá trình nhiệt (đốt nóng, làm lạnh) mà đại lượng đochính là nhiệt độ Tùy theo cơ cấu của cảm biến sẽ biến đại lượng nhiệt này thành mộtđại lượng điện nào khác
Một số loại cảm biến được sử dụng phổ biến, thông dụng trên thị trường hiện nay:
- Nhiệt điện trở (Resitance temperature detector- RTD)
- Cặp nhiệt điện (Thermocouple)
- Cảm biến vi mạch bán dẫn đo nhiệt độ
2.6.1 Nhiệt điện trở (Resitance temperature detector-RTD)
Trang 33- Nguyên lý hoạt động: Khi có nhiệt độ thay đổi điện trở giữa 2 đầu dây kim loại
sẽ thay đổi, tùy vào chất liệu kim loại thì RTD sẽ cho ra khoảng nhiệt độ nhất định phùhợp Điện trở càng cao thì độ nhạy nhiệt của cảm biến càng cao
- Ưu điểm: có độ chính xác cao hơn cặp nhiệt điện, dễ dàng sử dụng, không hạnchế về chiều dài dây
- Nhược điểm: giá thành cao và tầm đo nhiệt độ bé hơn cặp nhiệt điện
- Tầm đo: -200 đến 700 độ C
- Ứng dụng: RTD được dùng trong các ngành trong công nghiệp môi trường, giacông vật liệu, hóa chất,…Hiện nay RTD phổ biến thường gặp nhất đó là cảm biến PT.Cảm biến PT được làm từ vật liệu Platinum với điện trở suất cao, độ nhạy cao, chống
bị mài mòn oxi hóa, tầm đo nhiệt độ rộng
2.6.2 Cặp nhiệt điện (Thermocouple)
Hình 2.22 Cặp nhiệt điện
- Cấu tạo: gồm hai chất liệu khác nhau và được hàn dính lại một đầu
- Nguyên lý hoạt động: nhiệt độ thay đổi cho ra suất điện động thay đổi theo(mv)
- Ưu điểm: có độ bền cao, chịu được nhiệt độ cao
- Nhược điểm: có nhiều nguyên nhân, yếu tố làm ảnh hưởng đến việc sai số khi
đo Độ nhạy của cảm biến không được cao
- Tầm đo: -100 đến 1400 độ C
- Ứng dụng: dùng trong các môi trường khắc nghiệt, trong lò nhiệt,…
Trang 342.6.3 Cảm biến vi mạch bán dẫn đo nhiệt độ
Linh kiện điên tử rất nhạy cảm với nhiệt độ, do đó ta có thể sử dụng một số linhkiện bán dẫn như diode hoặc transistor nối theo kiểu diode (hình 2.26 )
Hình 2.24 Sơ đồ mạch IC đo nhiệt
Khi nhiệt độ thay đổi, ta có:
Ud =U1-U2=KT/q.lnIC1/IC2
Với IC1/IC2 = const thì Ud tỷ lệ với nhiệt độ T mà không cần nguồn ổn định
Độ nhạy:
S=d.(U1-U2)/dT