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

Bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o

Tr−êng ®¹i häc N«ng nghiÖp hµ néI

---------------

Vò xu©n phong

Nghiªn cøu khai th¸c mét sè module ®iÒu khiÓn

qu¸ tr×nh cña hÖ SIMATIC S7-300

luËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt

Chuyªn ngµnh : ®iÖn khÝ ho¸ s¶n xuÊt

n«ng nghiÖp vµ n«ng th«n

M· sè : 60.52.54

Ng−êi h−íng dÉn khoa häc: pgs.ts. phan xu©n minh

Hµ néi – 2008

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………i

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

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………ii

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

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………iii

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

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………iv

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

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………v

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

BðK Bộ ñiều khiển

ðTðK ðối tượng ñiệu khiển

HTðK Hệ thống ñiều khiển

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………vi

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 kth và Tgh ........................... 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

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………vii

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

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………viii

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

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………1

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).