Đang tải... (xem toàn văn)
Thiết bị điều khiển lập trình đầu tiên (programmable controller) đã được những nhà thiết kế cho ra đời năm 1968 (Công ty General Moto Mỹ). Tuy nhiên, hệ thống này còn khá đơn giản và cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó khăn trong việc vận hành hệ thống. Vì vậy các nhà thiết kế từng bước cải tiến hệ thống đơn giản, gọn nhẹ, dễ vận hành, nhưng việc lập trình cho hệ thống còn khó khăn, do lúc này không có các thiết bị lập trình ngoại vi hổ trợ cho công việc lập trình. Để đơn giản hóa việc lập trình, hệ thống điều khiển lập trình cầm tay (programmable controller handle) đầu tiên được ra đời vào năm 1969. Điều này đã tạo ra một sự phát triển thật sự cho kỹ thuật điều khiển lập trình. Trong giai đoạn này các hệ thống điều khiển lập trình (PLC) chỉ đơn giản nhằm thay thế hệ thống Relay và dây nối trong hệ thống điều khiển cổ điển. Qua quá trình vận hành, các nhà thiết kế đã từng bước tạo ra được một tiêu chuẩn mới cho hệ thống, tiêu chuẩn đó là dạng lập trình dùng giản đồ hình thang (The diagroom format). Trong những năm đầu thập niên 1970, những hệ thống PLC còn có thêm khả năng vận hành với những thuật toán hổ trợ (arithmetic), “vận hành với các dữ liệu cập nhật” (data manipulation). Do sự phát triển của loại màn hình dùng cho máy tính (Cathode Ray Tube: CRT), nên việc giao tiếp giữa người điều khiển để lập trình cho hệ thống càng trở nên thuận tiện hơn. Sự phát triển của hệ thống phần cứng và phần mềm từ năm 1975 cho đến nay đã làm cho hệ thống PLC phát triển mạnh mẽ hơn với các chức năng mở rộng: hệ thống ngõ vào và ra có thể tăng lên đến 8.000 cổng vào và ra, dung lượng bộ nhớ chương trình tăng lên hơn 128.000 từ bộ nhớ (word of memory). Ngoài ra các nhà thiết kế còn tạo ra kỹ thuật kết nối với các hệ thống PLC riêng lẻ thành một hệ thống PLC chung, tăng khả năng của từng hệ thống riêng lẻ. Tốc độ xử lý của hệ thống được cải thiện, chu kỳ quét (scan) nhanh hơn làm cho hệ thống PLC xử lý tốt với những chức năng phức tạp số lượng cổng ra và vào lớn. Trong tương lai hệ thống PLC không chỉ giao tiếp với các hệ thống khác thông qua CIM (Computer Intergrated Manufacturing) để điều khiển các hệ thống: Robot, CadCam… ngoài ra các nhà thiết kế còn đang xây dựng các loại PLC với các chức năng điều khiển “thông minh” (intelligence) còn gọi là các siêu PLC (super PLCS) cho tương lai.
Nguyễn Đức Tuấn DẪN NHẬP Thiết bị điều khiển lập trình đầu tiên (programmable controller) đã được những nhà thiết kế cho ra đời năm 1968 (Công ty General Moto - Mỹ). Tuy nhiên, hệ thống này còn khá đơn giản và cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó khăn trong việc vận hành hệ thống. Vì vậy các nhà thiết kế từng bước cải tiến hệ thống đơn giản, gọn nhẹ, dễ vận hành, nhưng việc lập trình cho hệ thống còn khó khăn, do lúc này không có các thiết bị lập trình ngoại vi hổ trợ cho công việc lập trình. Để đơn giản hóa việc lập trình, hệ thống điều khiển lập trình cầm tay (programmable controller handle) đầu tiên được ra đời vào năm 1969. Điều này đã tạo ra một sự phát triển thật sự cho kỹ thuật điều khiển lập trình. Trong giai đoạn này các hệ thống điều khiển lập trình (PLC) chỉ đơn giản nhằm thay thế hệ thống Relay và dây nối trong hệ thống điều khiển cổ điển. Qua quá trình vận hành, các nhà thiết kế đã từng bước tạo ra được một tiêu chuẩn mới cho hệ thống, tiêu chuẩn đó là dạng lập trình dùng giản đồ hình thang (The diagroom format). Trong những năm đầu thập niên 1970, những hệ thống PLC còn có thêm khả năng vận hành với những thuật toán hổ trợ (arithmetic), “vận hành với các dữ liệu cập nhật” (data manipulation). Do sự phát triển của loại màn hình dùng 1 Nguyễn Đức Tuấn cho máy tính (Cathode Ray Tube: CRT), nên việc giao tiếp giữa người điều khiển để lập trình cho hệ thống càng trở nên thuận tiện hơn. Sự phát triển của hệ thống phần cứng và phần mềm từ năm 1975 cho đến nay đã làm cho hệ thống PLC phát triển mạnh mẽ hơn với các chức năng mở rộng: hệ thống ngõ vào và ra có thể tăng lên đến 8.000 cổng vào và ra, dung lượng bộ nhớ chương trình tăng lên hơn 128.000 từ bộ nhớ (word of memory). Ngoài ra các nhà thiết kế còn tạo ra kỹ thuật kết nối với các hệ thống PLC riêng lẻ thành một hệ thống PLC chung, tăng khả năng của từng hệ thống riêng lẻ. Tốc độ xử lý của hệ thống được cải thiện, chu kỳ quét (scan) nhanh hơn làm cho hệ thống PLC xử lý tốt với những chức năng phức tạp số lượng cổng ra và vào lớn. Trong tương lai hệ thống PLC không chỉ giao tiếp với các hệ thống khác thông qua CIM (Computer Intergrated Manufacturing) để điều khiển các hệ thống: Robot, Cad/Cam… ngoài ra các nhà thiết kế còn đang xây dựng các loại PLC với các chức năng điều khiển “thông minh” (intelligence) còn gọi là các siêu PLC (super PLCS) cho tương lai. Nguyễn Đức Tuấn PHẦN I: LÝ THUYẾT CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ PLC 1.1 GIỚI THIỆU VỀ PLC S7-300 PLC S7-300 là thiết bị điều khiển logic khả trình cỡ trung bình do hãng Siemen sản xuất với kích thước nhỏ, gọn. Chúng có kết cấu theo kiểu các Module được sắp xếp trên các thanh rack. Trên mỗi rack cho phép đặt được nhiều nhất 8 Module mở rộng (không kể CPU, Module nguồn nuôi). Một CPU S7-300 có thể làm việc trực tiếp với nhiều nhất 4 rack. S7-300 được thiết kế dựa trên tính chất của PLC S7-200 và bổ sung những tính năng mới, đặc biệt trong điều khiển liên kết cả hệ thống nhiều PLC gọi là mạng PLC. 1.2 CÁC MODULE CỦA PLC S7-300 Nhằm mục đích tăng tính mềm dẻo trong các ứng dụng thực tế, các đối tượng điều khiển của một trạm S7-300 được chế tạo theo Module. Các Module gồm có: Module CPU, nguồn, ngõ vào và ra số, tương tự, mạng, …Số lượng Module nhiều hay ít tùy vào yêu cầu thực tế, song tối thiểu bao giờ cũng có một Module chính là CPU, các Module còn lại nhận truyền tín hiệu với đối tượng điều khiển, các Module chức năng Nguyễn Đức Tuấn chuyên dụng như PID, điều khiển động cơ,… chúng được gọi chung là Module mở rộng. Cấu hình của một trạm PLC S7-300 như sau: Hình 1.1: Các khối trên một thanh rack của trạm PLC S7-300. Module CPU: chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ định thời gian, bộ đếm, cổng truyền thông (RS485)… và có thể có vài cổng vào và ra số onboard. PLC S7-300 có nhiều loại CPU khác nhau, chúng được đặt tên theo bộ vi xử lý có trong CPU như CPU312, CPU314, CPU315, CPU316, CPU318… Những Module cùng có chung bộ vi xử lý nhưng khác nhau về cổng vào và ra onboard, khác nhau về các khối hàm đặc biệt có sẵn trong thư viện của hệ điều hành được phân biệt với nhau trong tên gọi bằng cách thêm Nguyễn Đức Tuấn cụm từ IFM (Intergrated Function Module). Ví dụ Module CPU314 IFM. Ngoài ra còn có các loại Module CPU với hai cổng truyền thông, trong đó cổng truyền thông thứ hai có chức năng chính là phục vụ việc nối mạng phân tán có kèm theo những phần mềm tiện dụng được cài đặt sẵn trong hệ điều hành. Các loại CPU này được phân biệt với các CPU khác bằng tên gọi thêm cụm từ DP (Distributted Port) trong tên gọi. Ví dụ Module CPU 314C-2DP… Hình 1.2: Các Module tích hợp CPU của PLC S7-300. • AO (Analog output): Module mở rộng các cổng ra tương tự. Chúng là những bộ chuyển đổi số tương tự (DA). Số các cổng ra tương tự có thể là 2, 4 hoặc 8 tùy thuộc từng loại. • AI/AO (Analog input/Analog output): Module mở rộng vào/ra tương tự. Số cổng vào/ra tương tự có thể là 4 vào/2 ra hoặc 4 vào/4 ra tùy từng loại Module. Nguyễn Đức Tuấn • IM (Interface Module): Module ghép nối. Đây là loại Module chuyên dụng có chức năng nối các nhóm Module mở rộng lại với nhau thành một khối và được quản lý chung bởi một CPU. Một CPU có thể làm việc trực tiếp nhiều nhất 4 rack, mỗi rack tối đa 8 Module mở rộng và các rack được nối với nhau bằng Module IM. • FM (Function Module): Module có chức năng điều khiển riêng, ví dụ như Module điều khiển động động cơ bước, Module điều khiển động cơ servo, Module PID, điề khiển đếm tốc độ cao… • CP (Communication Module): Module phục vụ truyền thông trong mạng giữa các bộ PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính. a) Module nguồn (PS) b) Module vào số (DI) c) Module ra analog (AO) Nguyễn Đức Tuấn d) Module ra số (DO) e) Module chức năng (FM) f) Module truyền thông Hình 1.3: Module mở rộng của PLC S7-300 1.3 CÁCH HOẠT ĐỘNG ĐỘNG CỦA MODULE PLC S7-300 có 4 mode hoạt động, gồm: • RUN_P: Xử lý chương trình, có thể đọc và ghi được từ PG. • RUN: Xử lý chương trình, không thể đọc từ PG. • STOP: Dừng, chương trình không được xử lý. • MRES: Chức năng reset hệ thống (Module Reset) Các mode này được chọn dựa vào công tắc chọn ở mặt trước CPU như hình 1.4 Nguyễn Đức Tuấn Trong đó: 1. Đèn báo trạng thái 2. Card nhớ 3. Nút chọn kiểu làm việc 4. Đầu nối 24V 5. Cổng giao tiếp MPI Hình 1.4: Mặt trước CPU S7-300 Ngoài ra, CPU còn có các đèn chỉ báo giúp người sử dụng chẩn đoán được trạng thái hiện tại của PLC. • SF: báo lỗi trong nhóm, trong CPU hay trong các Module. • BATF: lỗi pin, hết pin hoặc không có pin. • DC5V: báo có nguồn 5V. • FRCE: báo ít nhất có một ngỏ vào và ra đang bị cưỡng bức hoạt động. • RUN: nhấp nháy khi CPU khởi động và sáng khi CPU làm việc. • STOP: sáng khi PLC dừng, chớp chậm khi có yêu cấu reset bộ nhớ, chớp nhanh khi đang reset bộ nhớ. • Các thành phần khác trên CPU: • Card nhớ: dùng để lưu chương trình mà không cần pin trong trường hợp mất điện. • Ngăn để pin: nằm dưới nắp, chứa pin cung cấp năng lượng cho RAM khi mất điện. • Đầu nối MPI: đầu nồi dành cho thiết bị lập trình hay các thiết bị cần giao tiếp qua cổng MPI. • Đầu nối điện 24V: cung cấp nguồn cho CPU. Nguyễn Đức Tuấn 1.4 CÁC KIỂU DỮ LIỆU: Tương tự như PLC S7-200, các kiểu dữ liệu sử dụng trong chương trình của PLC S7-300 gồm có: • BOOL: có dung lượng 1 bit, giá trị là 0 hoặc 1, sử dụng cho biến có 2 giá trị • BYTE: dung lượng 8 bit, thường dùng biểu diễn số nguyên dương từ 0 đến 255,mã BCD của số thập phân 2 chữ số, mã ASCII của ký tự,… • WORD: dung lượng 2 byte, biểu diễn số nguyên dương từ 0 đến 65535. • INT: dung lượng 2 byte, biểu diễn số nguyên từ -32768 đến 32767. • DINT: dung lượng 4 byte biểu diễn số nguyên từ -2147483648 đến 2147483647. • REAL: dung lượng 4 byte, biểu diễn số thực có dấu phẩy. • Ngoài ra còn có các kiểu dữ liệu khác: • S5T (S5TIME): biểu diễn khoảng thời gian, tính theo giờ/phút/giây/mgiây • TOD: biểu diễn khoảng thời gian tính theo giờ/phút/giây • DATE: biểu diễn thời gian theo năm/tháng/ngày • CHAR: biểu diễn ký tự (tối đa 4 ký tự). PLC S7-300 có 4 loại khối cơ bản: • Khối OB (Organization Block): là khối tổ chức và quản lý chương trình điều khiển. Có nhiều loại OB với các chức năng khác nhau, chúng được phân biệt dựa vào số nguyên gán thêm phía sau. OB1, OB35, OB40… OB1 là khối luôn được CPU quét và thực hiện lặp lại các lệnh theo thứ tự từ Nguyễn Đức Tuấn trên xuống dưới. • Khối FC (Program Block): là khối chương trình với các chức năng riêng, giống như 1 chương trình con. Một chương trình có thể có nhiều khối FC, chúng được phân biệt dựa theo số nguyên gán thêm phía sau, FC1, FC2, … • Khối FB (Function Block): là 1 khối FC đặc biệt có khả năng trao đổi lượng dữ liệu lớn với các khối chương trình khác. Một chương trình có thể có nhiều khối FB, chúng được phân biệt dựa theo số nguyên gán thêm phía sau, FB1, FB2, … • Khối DB (Data Block): là khối chứa các dữ liệu cần thiết để thực hiện chương trình. Các tham số của khối này do người sử dụng tự đặt. Một chương trình có thể có nhiều khối DB, chúng được phân biệt dựa theo số nguyên gán thêm phía sau, DB1, DB2, • Chương trình trong các khối được liên kết với nhau bằng các lệnh gọi khối, chuyển khối. 1.5 CÁC KHỐI OB ĐẶC BIỆT: Nếu OB1 là khối được thực hiện liên tục trong từng vòng quét thì các khối OB khác chỉ được thực hiện khi có tín hiệu báo ngắt tương ứng. [...]... một bộ điều khiển với tín hiệu chủ đạo đặt cứng ( fix setpoint) hoặc thiết kế một hệ thống điều khiển nhiều mạch vòng theo kiều điều khiển cascade Những chức năng điều khiển được thiết kế trên cơ sở của luật điều khiển PID của bộ điều khiển mẫu với tín hiệu tương tự Module mềm PID bao gồm tín hiệu chủ đạo SP_INT, tín hiệu ra của đối tượng PV_PER, tín hiệu giả để mô phỏng tín hiệu ra của đối tượng... nguyên sang số thực dấu phẩy động có giá trị nằm trong khoảng -100 đến 100% theo công thức: Tín hiệu ra của CRP_IN = PV_PER*100/27648 Nguyễn Đức Tuấn Chuẩn hóa : chức năng của hàm chuẩn hóa PV_NORM tín hiệu ra của đối tượng là chuẩn hóa tín hiệu ra của hàm CRP_IN theo công thức Tín hiệu ra của PV_NORM= (tín hiệu ra của CRP_IN) * PV_FAC_OFF Hai tham trị khống chế giải giá trị cho phép của PV_NORM... trị cho phép của PV_NORM là PV_FAC và PV_OFF Mặc định PV_FAC của hàm PV_NORM có giá trị bằng 1 và PV_OFF có giá trị bằng 0 Lọc nhiễu tác động trong lân cận điểm làm việc Tín hiệu sai lệch là hiệu giữa tín hiệu chủ đạo và tín hiệu ra của đối tượng Nó được tạo ra ngay trong FB41 và là đầu vào của khối DEADBAND hoặc của đối tượng mà có thể bỏ qua sự ảnh hưởng của nhiễu trong lân cận điểm làm việc... PV_IN, các biến trung gian trong quá trình thực hiện luật và thuật điều khiển PID như PVPER_ON,P_SEL,I_SEL , D_SEL , MAN_ON… Tín hiệu chủ đạo SP_INT được nhập dưới dạng số thực dấu phẩy động Tín hiệu ra của đối tượng PV_PER:Thông qua hàm nội của FB41 có tên CRP_IN, tín hiệu ra của đối tượng có thể đựơc nhập dưới dạng số nguyên có dấu hoặc số thực dấu phẩy động Chức năng của CRP_IN là chuyển đổi... cuối cùng được dùng 2.5.6 Tốc độ hiệu chỉnh PID Thuật toán thường dùng trong việc tính hằng số PID được gọi là Positional Calculation, tính giá trị tuyệt đối của biến đặt liên quan tới độ lệch từ điểm đặt trong tốc độ hiệu chỉnh PID, tuy nhiên tăng biến đặt gây ra bởi độ lệch được tính và kết quả cộng với biến đặt trước để thực hiện điều khiển Dù có hai loại thuật tiến hiệu chỉnh PID được biểu diễn bằng... gian lấy mẫu là khoảng thời gian không đổi giữa các Nguyễn Đức Tuấn SP_INT PV_IN REAL REAL -100.0… 100.0(%) 0.0 giá trị vật lý -100.0… 100.0(%) 0.0 giá trị vật lý lần khối được cập nhật INTERNAL SETPOINT Đầu vào “internal setpoint” được sử dụng để thiết lập tín hiệu chủ đạo (tín hiệu mẫu) PROCESS VARIABLE IN Giá trị khởi tạo có thể đặt ở đầu vào “process variable in” hoặc từ biến quá trình được nối với... và ra nhưng lại không tìm thấy Module này Nguyễn Đức Tuấn GIỚI THIỆU VỀ MODULE MỀM CỦA PID CHƯƠNG 2 2.1 GIỚI THIỆU Nhiều năm trước đây bộ điều khiển PID được coi là bộ điều khiển lý tưởng với các đối tượng có mô hình liên tục Bộ PID thực sự là bộ điều khiển mà việc thay đổi các tham số của bộ điều khiển có khả năng làm thay đổi tính động và tỉnh của hệ thống điều khiển tự động Bộ điều khiển PID... tự động Bộ điều khiển PID thực chất là thiết bị điều khiển thực hiện luật điều khiển được mô tả bằng phương trình sau: t 1 u (t ) = k p e(t ) + ∫ e(τ )dτ + TD e(t ) TI 0 trong đó e(t) là tín hiệu vào, u(t) là tín hiệu của ra của bộ điều khiển, k p là hệ số khuếch đại của luật điều khiển tỉ lệ, T I hằng số thời gian tich phân, TD là hằng số thời gian vi phân Hình 1.5 Điều khiển với bộ điều khiển PID... mất ổn định do khuếch đại nhiễu tín hiệu trong phép vi phân sai số Bảng tóm tắt Hệ số Thời gian xác lập Vọt lố Sai số xác lập Ki tăng Kp tăng Kd tăng Giảm Tăng Tăng Tăng Tăng Giảm Khử Giảm Bảng 1.1: Ảnh hưởng các thông số Kp, Ki, Kd Nguyễn Đức Tuấn 2.5.5 Đặt thông số hiệu chỉnh PID Với Reset I và Rate D đặt t 0, hoặc giá trị trung bình (I = 4 min, D = 1 min), dải hiệu chỉnh P hẹp dần Khi P hẹp tới...Nguyễn Đức Tuấn Chương trình viết cho các khối này chính là các chương trình xử lý tín hiệu ngắt, bao gồm: • OB10 (Time of date interrupt): chương trình trong khối OB10 sẽ được thực khi giá trị của đồng hồ thời gian thực nằm trong một khoảng thời gian đã quy định OB10 có thể gọi một . PID của bộ điều khiển mẫu với tín hiệu tương tự. Module mềm PID bao gồm tín hiệu chủ đạo SP_INT, tín hiệu ra của đối tượng PV_PER, tín hiệu giả để mô phỏng tín hiệu ra của đối tượng PV_IN, các. công thức: Tín hiệu ra của CRP_IN = PV_PER*100/27648 Nguyễn Đức Tuấn Chuẩn hóa : chức năng của hàm chuẩn hóa PV_NORM tín hiệu ra của đối tượng là chuẩn hóa tín hiệu ra của hàm CRP_IN theo công thức Tín. có giá trị bằng 0. Lọc nhiễu tác động trong lân cận điểm làm việc. Tín hiệu sai lệch là hiệu giữa tín hiệu chủ đạo và tín hiệu ra của đối tượng. Nó được tạo ra ngay trong FB41 và là đầu vào