Nghiên cứu, chế tạo bộ điều khiển đa năng dựa trên vi điều khiển 16 bit cho các ứng dụng công nghiệp

Bé c«ng th−¬ng

viÖn nghiªn cøu ®iÖn tö, tù ®éng, tin häc hãa

B¸o c¸o tæng kÕt ®Ò tµi cÊp bé n¨m 2007

nghiªn cøu, chÕ t¹o bé ®iÒu khiÓn ®a n¨ng

dùa trªn vi ®iÒu khiÓn 16 bit

cho c¸c øng dông c«ng nghiÖp

Chñ nhiÖm ®Ò tµi: TrÞnh h¶i th¸i

6936

04/8/2008

hµ néi - 2007

BỘ CÔNG THƯƠNG

VIỆN NC ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA

ó ñ ò & ô ó ñ

BÁO CÁO

KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NCKH VÀ PTCN

CẤP BỘ NĂM 2007

Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐA NĂNG DỰA TRÊN

VI ĐIỀU KHIỂN 16 BIT CHO CÁC ỨNG DỤNG CÔNG NGHIỆP

(Mã số: 139.07RD/HĐ-KHCN)

Chủ nhiệm đề tài: ThS. Trịnh Hải Thái

Đơn vị chủ trì: Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa

Các cơ quan phối hợp chính: Công ty CP Bia Thanh Hoá, Hà Nội-Hải Dương,..

Hà Nội – 12/2007

DANH SÁCH CÁN BỘ THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

STT Họ và tên Đơn vị công tác

1 Trịnh Hải Thái Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa

2 Trần Văn Tuấn Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa

3 Nguyễn Tuấn Nam Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa

4 Tạ Văn Nam Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa

5 Đinh Đức Chính Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa

6 Phạm Chí Công Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa

7 Nguyễn Thị Hương Lan Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa

8 Phạm Thùy Dung Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa

9 Bùi Đức Thắng Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa

10 Phạm Hùng Cường Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa

2

MỤC LỤC

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐA NĂNG...................................................4

1. Cơ sở pháp lý/ xuất xứ của đề tài .................................................................................4

2. Tính cấp thiết và mục tiêu nghiên cứu của đề tài ..........................................................4

2.1. Tính cấp thiết......................................................................................................4

2.2. Mục tiêu nghiên cứu............................................................................................4

3. Đối tượng/phạm vi và nội dung nghiên cứu...................................................................5

3.1. Đối tượng nghiên cứu..........................................................................................5

3.2. Nội dung nghiên cứu ...........................................................................................5

4. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước.................................................................6

5. Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước ................................................................6

5.1. Tổng quan...........................................................................................................6

5.2. Giới thiệu các bộ điều khiển đa năng của nước ngoài.........................................7

5.3. Các ứng dụng điều khiển tiêu biểu.....................................................................13

6. Khảo sát thực tế trong nước......................................................................................15

7. Một số công trình đã thi công sử dụng bộ điều khiển đa năng.....................................17

8. Tổng kết về bộ điều khiển đa năng ............................................................................18

Chương 2 - THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN ............................................................19

1. Tổng quan về thiết kế.................................................................................................19

2. Thiết kế chế tạo phần cứng ........................................................................................20

2.1. Sơ đồ thiết kế tổng thể phần cứng......................................................................20

2.2. Yêu cầu đối với linh kiện, thiết bị......................................................................20

2.3. Module xử lý trung tâm .....................................................................................22

2.4. Module vào/ ra số và PWM...............................................................................23

2.5. Module vào/ ra tương tự....................................................................................24

2.6. Module hiển thị và bàn phím .............................................................................25

2.7. Module truyền thông RS232/RS485 ...................................................................25

2.8. Module nguồn...................................................................................................26

2.9. Module truyền thông Ethernet...........................................................................26

2.10. Thiết kế các module đầu vào tương tự cho cảm biến RTD, TC ...........................30

2.11. Module pH transmitter......................................................................................32

3. Xây dựng phần mềm trên bộ điều khiển......................................................................43

3.1. Thiết kế giao diện tương tác ..............................................................................43

3.2. Xây dựng các hàm toán học...............................................................................46

3.3. Xây dựng các hàm logic ....................................................................................48

3.4. Xây dựng hàm PID tự chỉnh ..............................................................................49

3.5. Xây dựng chức năng điều khiển.........................................................................55

3.6. Xây dựng chức năng lưu trữ..............................................................................61

3.7. Xây dựng chức năng cảnh báo/báo động ...........................................................62

3.8. Xây dựng chức năng truyền thông Ethernet.......................................................63

3.9. Xây dựng chức năng truyền thông RS232/RS485 ...............................................68

3.10. Hoạt động của bộ điều khiển.............................................................................69

4. Xây dựng hệ SCADA trên cơ sở bộ điều khiển đa năng..............................................74

4.1. Mạng truyền thông trong hệ SCADA .................................................................74

4.2. Giao thức truyền thông......................................................................................75

4.3. Xây dựng phần mềm SCADA.............................................................................83

Chương 3 - THỬ NGHIỆM..................................................................................................94

1. Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm ...........................................................................94

2. Thử nghiệm thực tế....................................................................................................97

KẾT LUẬN ........................................................................................................................ 104

LỜI CÁM ƠN..................................................................................................................... 104

3

TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................................... 105

1. Tiếng Việt................................................................................................................. 105

2. Tiếng Anh................................................................................................................. 105

PHỤ LỤC .......................................................................................................................... 106

4

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐA NĂNG

1. Cơ sở pháp lý/ xuất xứ của đề tài

Đề tài “Nghiên cứu, chế tạo bộ điều khiển đa năng dựa trên vi điều khiển 16 bit cho các

ứng dụng công nghiệp” được thực hiện theo:

Hợp đồng nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ số 04-16RD/BCN-KHCN giữa

Bộ Công nghiệp (Bên A) và Viện Nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hoá (Bên B) ký

ngày 26 tháng 01 năm 2006

và

Hợp đồng nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ số 139.07RD/HĐ-KHCN giữa

Bộ Công nghiệp, nay là Bộ Công Thương (Bên A) và Viện Nghiên cứu Điện tử, Tin học,

Tự động hoá (Bên B) ký ngày 06 tháng 02 năm 2007.

2. Tính cấp thiết và mục tiêu nghiên cứu của đề tài

2.1. Tính cấp thiết

Bộ điều khiển đa năng hiện đang được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công

nghiệp như điều khiển nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, pH, ... vì có các ưu điểm: nhỏ gọn

(ngày càng nhỏ hơn theo sự phát triển của công nghệ sản xuất chip); cho phép giảm

đáng kể thời gian thiết kế, thi công công trình tự động hoá; có nhiều chức năng cài đặt

sẵn dễ sử dụng; mức độ thông minh, bộ nhớ ngày càng cao; hỗ trợ nhiều chuẩn truyền

thông quốc tế nên dễ mở rộng hệ thống; tích hợp sẵn tính năng điều khiển (từ đơn

giản cho tới phức tạp) phù hợp cho nhiều đối tượng điều khiển trong công nghiệp.

(Các ưu điểm sẽ được phân tích sâu hơn trong các mục sau)

Tại Việt Nam hầu hết các bộ điều khiển đa năng đều do nước ngoài cung cấp với giá

thành cao, do vậy việc nghiên cứu thiết kế chế tạo, tiến tới sản xuất các thiết bị này

trong nước là cần thiết nhằm làm chủ công nghệ sản xuất, giảm giá thành sản phẩm,

góp phần tạo ra các sản phẩm điện tử có khả năng cạnh tranh trong giai đoạn gia nhập

WTO.

2.2. Mục tiêu nghiên cứu

Năm 2006, đề tài đặt ra các mục tiêu sau:

ß Nghiên cứu, làm chủ công nghệ thiết kế chế tạo bộ điều khiển đa năng có giá

thành hạ cho các ứng dụng trong công nghiệp tại Việt Nam, có khả năng thay

thế các thiết bị ngoại nhập có cùng tính năng.

ß Làm cơ sở để tiếp tục nghiên cứu các công nghệ vi điều khiển tiên tiến hơn

trong tương lai để nâng cao chất lượng và phạm vi ứng dụng của bộ điều

khiển.

Năm 2007, đề tài đặt ra các mục tiêu sau:

ß Hoàn thiện và mở rộng chức năng cho bộ điều khiển đa năng trên cơ sở kết quả

nghiên cứu của giai đoạn I, đáp ứng yêu cầu thực tế.

ß Xây dựng mạng truyền thông trên cơ sở bộ điều khiển đa năng ứng dụng trong

các hệ SCADA.

5

3. Đối tượng/phạm vi và nội dung nghiên cứu

3.1. Đối tượng nghiên cứu

Khái niệm : Hiện nay chưa thấy có một định nghĩa chuẩn nào về bộ điều khiển đa

năng, tuy nhiên hãng Honeywell đưa ra dòng sản phẩm - UDC (UNIVERSAL

DIGITAL CONTROLLERS) có các tính năng tương tự các bộ điều khiển của nhiều

hãng nổi tiếng như Siemens - SIPART, Burkert - DIC(Digital Industrial Controller),

OMRON - DC(Digital Controller), ABB (Advanced Process Controller),...Có thể

phân biệt bộ điều khiển đa năng bằng một số đặc điểm đặc trưng sau:

ß Được xây dựng trên nền tảng các phương pháp điều khiển thông thường và

hiện đại (điều khiển PID, điều khiển fuzzy, điều khiển thích nghi,.....), do vậy

có thể áp dụng cho nhiều các bài toán điều khiển (tính đa năng): sử dụng nhiều

nhất trong điều khiển quá trình (process control).

ß Người sử dụng xây dựng chương trình điều khiển bằng phương pháp cấu hình

cấu trúc bộ điều khiển dựa trên cơ sở các khối hàm chuẩn dựng sẵn, do vậy

không đòi hỏi lập trình bằng ngôn ngữ (tất nhiên người sử dụng phải là chuyên

gia tích hợp hệ thống chứ không phải end-user). Các khối hàm chuẩn là những

hàm rất hay sử dụng trong điều khiển các quá trình công nghiệp như: lọc

(filter), chống nhiễu (pulse suppress), scaling, PID, nhận dạng, các hàm toán

học, hàm logic,....

ß Một bộ điều khiển đa năng thường được sử dụng cho điều khiển cục bộ, tương

đối độc lập (liên động ít) một hay vài khâu quy mô nhỏ trong hệ thống tự động

hoá. Đối với những hệ thống lớn, người ta thường sử dụng bộ điều khiển đa

năng kết hợp với PLC.

ß Có khả năng kết nối mạng theo các giao thức truyền thông mở (các giao thức

trên cơ sở RS485, RS232, Ethernet,...), do vậy có thể mở rộng, tích hợp hệ

thống dễ dàng.

ß Ngoài ra một xu thế đã khá phổ biến là tích hợp luôn tính năng của transmitter

vào bộ điều khiển.

3.2. Nội dung nghiên cứu

Năm 2006, đề tài đã thực hiện các nội dung sau:

ß Nghiên cứu, thiết kế chế tạo phiên bản I bộ điều khiển đa năng. Kết quả là đã

tạo ra sản phẩm UDC.01 với các tính năng cơ bản như: điều khiển PID, truyền

thông trên cơ sở RS485/RS232, vào/ra chuẩn, cấu hình từ xa (đặt cấu hình từ

máy tính qua mạng RS232)

ß Thử nghiệm bộ điều khiển trong thực tế cho ứng dụng điều khiển độ cứng và

pH của hệ thống lọc nước. Bộ điều khiển đã điều khiển chính xác (tương

đương với bộ điều khiển SC100 của HACH về độ chính xác) và có đánh giá tốt

của cơ sở sản xuất.

Năm 2007, đề tài đăng ký nội dung nghiên cứu sau:

ß Hoàn thiện và mở rộng chức năng của bộ điều khiển bao gồm: tính toán toán

học, thiết kế chế tạo module vào/ra cắm thêm; thiết kế chế tạo module khuyếch

đại tín hiệu RTD, TC và pH; xây dựng bộ lọc; xây dựng chức năng PID tự

chỉnh; xây dựng chức năng truyền thông theo chuẩn Ethernet.

6

ß Xây dựng hệ SCADA trên cơ sở bộ điều khiển đa năng bao gồm: mạng

Ethernet kết nối các bộ điều khiển đa năng và máy tính, phần mềm SCADA

trên PC phục vụ giám sát, cấu hình từ xa. Giao thức truyền thông sử dụng

TCP/IP.

ß Thử nghiệm và đánh giá kết quả.

4. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước

Việc thiết kế chế tạo các bộ điều khiển trong công nghiệp nói chung không phải là

mới tại Việt Nam, tuy nhiên hầu hết các bộ điều khiển đều hướng vào một phạm vi rất

hẹp các ứng dụng (chủ yếu là giám sát điều khiển nhiệt độ) nên thường có cấu trúc cố

định và ít tính năng. Độ mềm dẻo không cao, đòi hỏi kiến thức chuyên sâu về lập

trình, tốn nhiều thời gian, công sức cho thiết kế chế tạo để đáp ứng những yêu cầu

mới của công nghệ đã khiến các bộ điều khiển này khó thích nghi được trong nhiều

trường hợp thực tế. Mặt khác nhiều bộ điều khiển dựa trên vi điều khiển 8-bit do hạn

chế về tốc độ và bộ nhớ đã không đáp ứng được yêu cầu phát triển ngày càng tăng

của cơ sở sản xuất như nâng cấp, mở rộng để nâng cao năng suất, sản lượng, chất

lượng đồng thời cũng làm giảm phạm vi ứng dụng.

Trên thị trường chưa có bộ điều khiển đa năng có thương hiệu Việt Nam, hầu hết đều

phải nhập khẩu từ nước ngoài với giá thành cao gấp nhiều lần so với sản xuất trong

nước như tại các nhà máy bia Hải Dương, Thanh Hoá, Kim Bài, Thái Bình; Công ty

phân đạm và hoá chất Hà Bắc; Công ty Gang thép Thái Nguyên những bộ điều khiển

pH, T, DO, Ca, Flow, áp suất,... đều nhập ngoại. Bên cạnh đó hầu hết các đơn vị chưa

chú ý tích hợp các transmitter vào bộ điều khiển để tăng thêm giá trị sử dụng của nó

hoặc các chức năng điều khiển còn đơn giản chưa đáp ứng được thực tế.

5. Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước

5.1. Tổng quan

Nhiều hãng lớn như SIEMENS, Honeywell, OMRON, ABB ... đã nghiên cứu và phát

triển các bộ điều khiển đa năng như dòng sản phẩm SIPART (SIEMENS), UDC

(HoneyWell), Digital Process Controller (OMRON), Advanced Process Controller

(ABB)...đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới. Nhiều thuật toán điều khiển phức

tạp, nhiều chức năng tính toán được cài đặt sẵn đã làm cho bộ điều khiển có thể dùng

trong nhiều ứng dụng và đúng như tên gọi của nó “đa năng”. Trên một bộ điều khiển

có thể có sẵn các thuật toán điều khiển PID, điều khiển mờ, điều khiển thích nghi,

điều khiển lai, điều khiển bù nhiễu trước, điều khiển nhiều vòng kín, điều khiển logic,

điều khiển theo giới hạn (limit control), điều khiển theo dõi, điều khiển tỷ lệ, điều

khiển đồng bộ (đồng bộ theo giá trị chủ đạo đưa từ master là PLC hoặc bộ điều khiển

khác), điều khiển bước,....các hàm toán học, logic, so sánh, định thời,... Tất cả việc

còn lại người sử dụng cần làm chỉ là cấu hình (định nghĩa cấu trúc cho bộ điều khiển)

và cài đặt tham số. Bộ điều khiển còn có các giao diện truyền thông cho phép kết nối

mạng và trên cơ sở đó người ta xây dựng hệ SCADA có kiến trúc phân tán: hệ bao

gồm nhiều bộ điều khiển nằm tại hiện trường, mỗi bộ điều khiển có hiển thị, cảnh

báo, bàn phím, cài đặt tại chỗ. Mỗi bộ sẽ điều khiển cục bộ, độc lập tương đối (liên

động ít) một công đoạn trong dây chuyền sản xuất đồng thời thu thập dữ liệu liên

quan để truyền về một trạm điều khiển trung tâm qua mạng truyền thông. Trạm điều

7

khiển trung tâm thường sử dụng máy tính PC có cài đặt phần mềm HMI để người vận

hành giám sát, lưu trữ, điều khiển từ xa toàn bộ dây chuyền. Mạng truyền thông phổ

biến của bộ điều khiển là PROFIBUS, MODBUS và Ethernet. Trong đó mạng

Ethernet có xu hướng ngày càng phổ biến, hiện chiếm đến 80% thị phần mạng trên

toàn thế giới. Ethernet có rất nhiều ưu điểm như: lắp đặt nhanh nhờ phương pháp kết

nối đơn giản; tính sẵn sàng cao nhờ khả năng mở rộng lớn, hầu như không hạn chế;

cho phép kết nối nhiều lớp ứng dụng khác nhau như quản lý, sản xuất; có khả năng

kết nối diện rộng mạng WAN; tương thích rất nhiều thiết bị trên thế giới hiện nay;

gần như không giới hạn hiệu suất mạng nhờ sử dụng công nghệ switching.

Ngoài ra trong các bộ điều khiển đa năng của các hãng kể trên hầu hết đều tích hợp

sẵn đầu vào cho đầu đo nhiệt độ RTD, TC. Hơn nữa hiện nay rất nhiều hãng sản xuất

đầu đo như HACH, E+H, YSI,... có xu hướng tích hợp các bộ điều khiển với

transmitter. Mỗi bộ điều khiển có khả năng kết nối một vài dạng đầu đo chuẩn. Tuy

nhiên các bộ điều khiển dạng này thường rất đơn giản về điều khiển, không có

module mở rộng nhưng giá thành rất cao (thậm chí gấp đôi giá thành bộ transmitter

thông thường).

5.2. Giới thiệu các bộ điều khiển đa năng của nước ngoài

Tất cả các bộ điều khiển đa năng đều có một số AI, AO, DI, DO chuẩn (0..10V,

0/4...20mA, 24VDC, dry contact,...) và tín hiệu đầu vào từ cặp nhiệt. Sau đây chỉ giới

thiệu các hàm chức năng của mỗi loại

ÿ Burkert - DIC(Digital Industrial Controller)-Hình 1

Hình 1 Bộ điều khiển DIC của hãng Burkert

Chức năng điều khiển

-Điều khiển setpoint cố định

-Folowup control

-Điều khiển tỷ lệ

-Điều khiển fixed setpoint kết hợp feedforward

-Cascade control

8

-Step control

-Overide control

Hàm toán học

-Cộng, trừ, nhân, chia, khai căn

Truyền thông

-RS232

-RS485/PROFIBUS

ÿ Siemens – SIPART - Hình 2

Hình 2 Bộ điều khiển SIPART của hãng Siemens

Chức năng điều khiển

-Điều khiển setpoint cố định

-Folowup control

-Điều khiển tỷ lệ

-Điều khiển fixed setpoint kết hợp feedforward

-Cascade control

-Step control

-Điều khiển thích nghi (tuỳ chọn)

Hàm toán học

-Cộng, trừ, nhân, chia, khai căn

Truyền thông

-RS232

-RS485/PROFIBUS-DP/PA, HART

-Ethernet (tuỳ chọn)

9

ÿ Honeywell – UDC (Universal Digital Controller) - Hình 3

Hình 3 Bộ điều khiển UDC của hãng Honeywell

Chức năng điều khiển

-Điều khiển setpoint cố định

-Điều khiển theo ramping setpoint

-Điều khiển tỷ lệ

-Step control

-Self tuning (tuỳ chọn)

Hàm toán học

-Cộng, trừ, nhân, chia, khai căn

Truyền thông

-RS232

-RS485/MODBUS RTU

-RS485/ASCII

-Ethernet (tuỳ chọn)

10

ÿ Omron – DC (Digital Controller) - Hình 4

Hình 4 Bộ điều khiển DC của hãng Omron

Chức năng điều khiển

-Điều khiển setpoint cố định

-Cascade control

-Feed forward control

-Điều khiển tỷ lệ

-Step control

-Fuzzy control

-Hybrid control (PID+fuzzy)

-Fuzzy fine tuning

Hàm toán học

-Cộng, trừ, nhân, chia, khai căn

Truyền thông

-RS232

-RS422

-RS485

11

ÿ Endress+Hauser- Mycom S CPM 153 - Hình 5

Hình 5 Bộ điều khiển và transmitter pH/Redox của hãng E+H

Chức năng điều khiển

-Điều khiển ON/OFF theo ngưỡng.

-PID controller: output PWM (pulse length)/PFM (pulse frequency)/0/4 ... 20 mA

Transmitter

-pH/ Redox

-Nhiệt độ

Truyền thông

-PROFIBUS DP/PA

-HART

Chức năng khác

-Datalogger

-Vệ sinh tự động