(LUẬN văn THẠC sĩ) giải pháp nâng cao hệ số công suất COS của động cơ đồng bộ công suất lớn

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

LÊ THỊ HẢI YẾN

GIẢI PHÁP NÂNG CAO HỆ SỐ CÔNG SUẤT COS CỦA
ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ CÔNG SUẤT LỚN

Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 8520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Thái Nguyên - 2020

download by :


ii

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

LÊ THỊ HẢI YẾN

GIẢI PHÁP NÂNG CAO HỆ SỐ CÔNG SUẤT COS CỦA
ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ CÔNG SUẤT LỚN
Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số: 8520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1. PGS.TS. Nguyễn Hữu Công

2. TS. Vũ Ngọc Kiên

Thái Nguyên - 2020

download by :


iii

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi dựa trên sự hướng
dẫn của tập thể các nhà khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Kết quả
nghiên cứu là trung thực.
Thái Nguyên, ngày 02 tháng 11 năm 2020
Học viên

Lê Thị Hải Yến

download by :

iv

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN..................................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ....................................................... iv
DANH MỤC CÁC BẢNG...................................................................................................... vi
DANH MỤC CÁC HÌNH (HÌNH VẼ, ẢNH CHỤP, ĐỒ THỊ...) ....................................... vi
MỞ ĐẦU.................................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN KINH ĐIỂN PID............ 4
1.1. Tổng quan về lý thuyết điều khiển kinh điển PID ............................................4
1.1.1. tổng quan về bộ điều khiển PID .................................................................4
1.1.2. phương pháp tổng hợp bộ điều khiển PID .................................................6
2.2. Tìm hiểu bộ điều khiển pid trong plc s7 1200 ..................................................9
2.2.1. giới thiệu plc s7 1200 .................................................................................9
2.2.2. bộ điều khiển pid trong plc s7 1200 .........................................................17
2.2.3. phương pháp khai báo và cài đặt bộ điều khiển PID_Compact ..............23
1.3. Kết luận chương 1 ...........................................................................................29
CHƯƠNG 2: MƠ HÌNH TỐN HỌC ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ CÔNG SUẤT LỚN .... 31
2.1 Tổng quan về điều khiển kích từ động cơ đồng bộ .........................................31
2.1.1 Tổng quan .................................................................................................31
2.1.2 Điều khiển kích từ động cơ đồng bộ ........................................................34
2.2 Mơ hình tốn của động cơ đồng bộ ................................................................ 35
2.2.1 Sơ đồ mạch điện thay thế và đồ thị véc tơ ................................................35
2.2.2 Công suất của động cơ đồng bộ ................................................................ 38
2.2.3 Sự ảnh hưởng của tải đối với dịng điện phần ứng, góc cơng suất và hệ số
cơng suất ............................................................................................................39
2.3. Mơ hình tốn động cơ đồng bộ trên hệ trục tọa độ véc tơ không gian ...........42
2.3.1. Phương trình điện áp, từ thơng và mơ men của động cơ đồng bộ ...........42
2.3.2. Phương trình liên hệ điện áp và từ thông trong các biến tham chiếu .......50
2.3.3. Phương trình thay thế và mạch điện tương đương của Park ....................50

2.4 Kết luận chương 2 ........................................................................................ 51

download by :


v

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐỂ NÂNG CAO HỆ
SỐ CÔNG SUẤT COS CHO ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ CÔNG SUẤT LỚN ........ 52
3.1. Đánh giá một số nghiên cứu trong và ngoài nước ..................................... 52
3.1.1. Một số nghiên cứu ngoài nước .................................................................52
3.1.2. Một số nghiên cứu trong nước .................................................................56
3.2. Xây dựng thuật toán điều khiển ................................................................. 59
3.2.1. Xây dựng cấu trúc điều khiển ..................................................................59
3.2.2. Xây dựng sơ đồ mơ phỏng trên matlab simulink .....................................60
3.3. Thử nghiệm thuật tốn trên mơ hình thực nghiệm...................................... 67
3.3.1. Giới thiệu mơ hình thực nghiệm ..............................................................67
3.3.2. Kết quả thực nghiệm ................................................................................71
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................................ 73
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................... 74

download by :


vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
STT VIẾT TẮT ĐẦY ĐỦ

Ý NGHĨA

1.

N

North

Cực bắc

2.

S

South

Cực nam

3.

PF

Power factor

Hệ số công suất

4.

SCR

Semiconductor Controlled

Bộ điều khiển chỉnh lưu bán

Rectifier

dẫn

5.

FB

Feedback

Phản hồi

6.

REF

Reference

Tham chiếu

7.

SM

Synchronous Machine

Máy điện đồng bộ

8.

PWM

Pulse-width modulation

Điều chế độ rộng xung

9.

A/D

Analog to Digital

Chuyển đổi tương tự sang số

10.

D/A

Digital to Analog

Chuyển đổi số sang tương tự

11.

V/f

Voltage/frequency

Tỉ số điện áp/ tần số

12.

PMSM

Permanent Magnet

Động cơ đồng bộ kích thích

Synchronous Motor

nam châm vĩnh cửu

13.

BAKT

Biến áp kích từ

14.

CL1

Bộ chỉnh lưu 1

15.

CL2

Bộ chỉnh lưu 2

16.

HMI

Human Machine Interface

Màn hình giao tiếp người và
máy

17.

SCADA

Supervisory control and

Điều khiển giám sát và thu

download by :


vii

data acquisition

thập dữ liệu

18.

SCR

Silicon controlled rectifier

Bộ chỉnh lưu bán dẫn

19.

HSC

High speed counter

Đọc xung tốc độ cao

download by :


viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG
Hình 1.1. Cấu trúc bộ điều khiển PID ......................................................................... 4
Hình 1.2. Đặc tính động của bộ điều khiển PID ......................................................... 5
Hình 1.3. Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S ............................................................... 7
Bảng 1.1: Các thông số của bộ điều khiển P, PI, PID theo phương pháp ZeiglerNichols với hệ hở có đáng ứng đầu ra với các thơng số ...................................... 7
KK

gh
Hình 1.4. Đáp ứng quá độ của hệ kín khi
và tín hiệu vào dạng nấc ........... 8

Bảng 1.2: Của bộ điều khiển P, PI, PID theo phương pháp Zeigler-Nichols với hệ
kín dạng chuẩn...................................................................................................... 8

Hình 1.5. PLC S7-1200 đi kèm phần mềm lập trình tự động hóa tích hợp ................ 9
Hinh 1.6. PLC S7 – 1200 và các module mở rộng .................................................. 11
Hinh 1.7. Hình dạng bên ngồi của S7 – 1200 (CPU 1212C) .................................. 12
Hình 1.8. Cấu trúc bên trong PLC S7 1200 .............................................................. 14
Hình 19. Hình ảnh một số loại Modul mở rộng của PLC S7 1200 .......................... 14
Hình 1.10. Sơ đồ nối dây cho CPU 1212C AC/DC/RLY ......................................... 15
Hình 1.11. Sơ đồ nối dây cho Modul mở rộng SM1232 AQ2x14bit........................ 16
Hình 1.12. Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID của PLC S7 1200 ............................. 18
Hình 1.13. Sơ đồ cấu trúc khối PIDT1 Anti Windup trong bộ điều khiển PID của
PLC S7 1200 ..................................................................................................... 19
Hình 1.14. Sơ đồ khối làm việc của lệnh PID_Compact PLC S7 1200 .................. 20
Hình 1.15. Đặt tên Project ........................................................................................ 23
Hình 1.16. Chọn CPU phù hợp ................................................................................ 24
Hình 1.17. Khai báo khối chương trình ngắt xử lý PID ........................................... 24
Hình 1.18. Khai báo khối PID................................................................................. 24
Hình 1.19. Khai báo các đầu vào/ra cho khối PID theo yêu cầu cơng nghệ ............ 25
Hình 1.20. Cấu hình loại bộ điều khiển ................................................................... 25
Hình 1.21. Thiết lập loại tín hiệu vào/ra .................................................................. 26
Hình 1.22. Thiết lập mức cao và mức thấp của giá trị vật lý điều khiển ................. 26
Hình 1.23. Các tham số của bộ điều khiển............................................................... 27
Hình 1.24. Đặt địa chỉ cho PLC ................................................................................ 27
Hình 1.25. Đặt địa chỉ cho máy tính ........................................................................ 28
Hình 1.26. Tham số bộ điều khiển PID sau khi thiết kế (Kp = 0.02; Ti = 0.2;
Td = 0.026) ......................................................................................................... 29

download by :

ix

Hình 2.1. Các thành phần cấu tạo của Động cơ đồng bộ cơng suất lớn ................... 31
Hình 2.2. Stator của Động cơ đồng bộ ...................................................................... 31
Hình 2.3. Rotor cực lồi .............................................................................................. 32
Hình 2.4. Rotor cực ẩn .............................................................................................. 32
Hình 2.5. Hệ thống chổi than, vành trượt ................................................................. 33
Hình 2.6. Sự tương tác giữa từ trường quay và từ trường không đổi làm cho
chúng đạt được tốc độ đồng bộ .......................................................................... 35
Hình 2.7. Sự hình thành từ trường quay trong máy điện 3 pha ................................ 36
Hình 2.8. Sự tương tác giữa từ trường Stator và từ trường Rotor............................. 37
Hình 2.9. Sơ đồ mạch điện thay thế một pha ............................................................ 37
Hình 2.10. Đồ thị véc tơ dòng – áp của động cơ đồng bộ ........................................ 38
Hình 2.11. Sơ đồ mạch điện thay thế và đồ thị véc tơ của động cơ đồng bộ khi bỏ
qua điện trở phần ứng ......................................................................................... 38
Hình 2.12. Đồ thị véc tơ của động cơ đồng bộ khi tải thay đổi ................................ 40
Hình 2.13. Sự ảnh hưởng của nguồn kích từ đến hiệu suất làm việc........................ 40
Hình 2.14. Họ đường cong V của động cơ đồng bộ ................................................. 42
Hình 2.15 Máy điện đồng bộ hai cực, ba pha, nối sai, cực lồi [1] ............................ 43
Hình 3.1. Điều khiển kích từ động cơ đồng bộ có chổi than .................................... 52
Hình 3.2. Rotor của động cơ chổi than loại cực lồi .................................................. 53
Hình 3.3. Điều khiển kích từ động cơ đồng bộ khơng chổi than .............................. 53
Hình 3.4. Rotor của động cơ khơng chổi than loại cực lồi ....................................... 53
Hình 3.5. Sơ đồ cấu trúc điều khiển kích từ và ổn định hệ số Cos [23] ................. 54
Hình 3.6. Cấu trúc điều khiển và kết quả mơ phỏng [24] ......................................... 54
Hình 3.7. Cấu trúc điều khiển và kết quả mô phỏng [25] ......................................... 55
Hình 3.8. Sơ đồ khối điều khiển kích từ của GE Multilin Inc ................................ 56
Hình 3.9. Sơ đồ nguyên lý của máy phát điện 3 pha ................................................ 56
Hình 3.10. Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu có điều khiển bơm dòng DC cho Rotor động

cơ đồng bộ đến 3000kW .................................................................................... 57
Hình 3.11. Sơ đồ chức năng khối điều khiển pha xung ........................................... 58
Hình 3.12. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển kích từ của cơng ty cổ phần cơ điện tử
ASO .................................................................................................................... 59
Hình 3.13. Cơ đồ cấu trúc của bộ điều chỉnh hệ số cơng suất .................................. 60
Hình 3.14. Lưu trình làm việc của hệ thống điều khiển kích từ động cơ đồng bộ
công suất lớn....................................................................................................... 61

download by :


x

Hình 3.15. Mơ hình mơ phỏng trên Matlab Simulink ............................................... 62
Hình 3.16. Thư viện máy điện đồng bộ trong Simulink ......................................... 62
Hình 3.17. Các khối chức năng bên trong mơ hình mơ phỏng máy điện đồng bộ ... 63
Hình 3.18. Khối tổng hợp tín hiệu cơ khí ................................................................ 63
Hình 3.19. Khối tổng hợp các tín hiệu điện .............................................................. 64
Hình 3.20. Khối tổng hợp các tín hiệu đo lường...................................................... 64
Bảng 3.1. Các thơng số của tín hiệu khối đo lường .................................................. 65
Hình 3.21. Thơng số bộ điều khiển PID .................................................................. 65
Bảng 3.2. Số liệu mơ phỏng: ..................................................................................... 66
Hình 3.22. Kết quả mơ phỏng khi bộ điều khiển tự động dị và ổn định giá trị Cosφ
tối ưu................................................................................................................... 67
Bảng 3.3. Thông số kỹ thuật của động cơ trong mơ hình thực nghiệm .................... 67
Hình 3.23 Động cơ đồng bộ 500kW ......................................................................... 68
Hình 3.24. Sơ đồ khối chức năng mơ hình thực nghiệm động cơ đồng bộ 500kW.. 69
Hình 3.25. Tủ điều khiển kích từ động cơ đồng bộ 500kW ..................................... 70
Hình 3.26. Đặc tính ổn định giá trị Cos .................................................................. 72
Hình 3.27. Điện áp DC sau khối chỉnh lưu Thyristor ............................................... 72

download by :


1

MỞ ĐẦU
I. Đặt vấn đề
Động cơ đồng bộ công suất lớn chủ yếu được ứng dụng trong các trạm bơm,
các máy nén khí cao áp trong ngành cơng nghiệp hố chất. Ưu điểm của nó so với
động cơ khơng đồng bộ có cùng cơng suất là:
o Có hiệu suất cao hơn, có khả năng hoạt động ở Cos  1, điều này cho phép
nâng cao hệ số Cos của lưới điện nhà máy và giảm kích thước, trọng lượng
bản thân động cơ do dòng nhỏ hơn.
o Độ nhạy với dao động điện áp nguồn thấp hơn do mô men cực đại tỷ lệ bậc nhất
với điện áp.
o Tần số quay khơng đổi và ít phụ thuộc vào dao động tải (trong một giới hạn cho
phép nào đó) trên trục Rotor.
Xong do có cấu tạo phức tạp và cần phải có nguồn kích từ phía Rotor nên việc điều
khiển nó cũng khó khăn hơn so với động cơ khơng đồng bộ. Trong q trình khởi
động cần phải xác định được chính xác thời điểm để bơm dịng kích từ vào Rotor
(Thời điểm “bắt” đồng bộ) và phải điều chỉnh dịng kích từ này sao cho ổn định được
hệ số công suất Cos ở giá trị tối ưu để dịng Stator có giá trị nhỏ nhất, tổn hao ít nhất,
an tồn cho động cơ và đem lại hiệu suất làm việc cao nhất. Nên động cơ đồng bộ yêu
cầu chi phí vận hành cao hơn so với động cơ không đồng bộ.
Trong q trình làm việc cần điều khiển dịng kích từ sao cho hiệu suất làm việc
của động cơ đạt MAX. Hiệu suất làm việc của động cơ phụ thuộc vào nhiều yếu tố
như: Hệ số cơng suất Cos, dịng điện Stator, Mômen cản của tải MC … Về lý thuyết,
động cơ đồng bộ có thể đạt Cos = 1, tuy nhiên trong thực tế Cos  1 (thông thường
Cos < 0,98  0,99). Nếu bơm thừa dịng kích từ vào Rotor động cơ bị q kích từ dẫn

đến phát cơng suất phản kháng Q, Nếu bơm thiếu kích từ vào Rotor, động cơ bị non
kích từ dẫn đến tiêu thụ cơng suất phản kháng. Do vậy cần phải có thuật toán điều

download by :


2

khiển dịng kích từ này để nâng cao và ổn định được hệ số công suất Cos theo giá trị
tối ưu.
Trong những năm gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của lý thuyết điều khiển,
các thuật toán điều khiển tối ưu đã được nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều vào thực tế,
trong đó có lĩnh vực điều khiển truyền động điện nói chung và điều khiển động cơ
đồng bộ nói riêng. Đề tài tiếp tục nghiên cứu ứng dụng các thuật toán điều khiển hiện
đại này vào việc điều khiển tối ưu quá trình làm việc của động cơ đồng bộ công suất
lớn nhằm khai thác tối đa ưu điểm và hạn chế đến mức tối thiểu những nhược điểm
của loại động cơ này.
II. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết điều khiển kinh điển PID
- Động cơ đồng bộ và một số phương pháp điều khiển kích từ động cơ đồng bộ
- PLC S7 1200 và phần mềm TIA Portal
- Xây dựng thuật tốn nhằm nâng cao và ổn định hệ số cơng suất Cos
III. Hướng nghiên cứu của đề tài
- Nghiên cứu lý thuyết liên quan đến đề tài: Lý thuyết điều khiển kinh điển PID
- Xây dựng thuật toán nhằm nâng cao và ổn định hệ số công suất Cos
- Xây dựng mơ hình tốn động cơ đồng bộ
- Cài đặt và thử nghiệm thuật tốn trên mơ hình đối tượng thực.
IV. Những nội dung nghiên cứu chính
Luận văn dự kiến được chia làm 03 chương: Đề tài tập trung nghiên cứu một số
nội dung chính sau:

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN KINH ĐIỂN PID
CHƯƠNG 2: MƠ HÌNH TỐN HỌC ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ CƠNG SUẤT LỚN
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐỂ NÂNG CAO
HỆ SỐ CÔNG SUẤT Cos CHO ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ CÔNG SUẤT LỚN

download by :


3

V. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết: Khai thác các nghiên cứu lý thuyết về PID, lý thuyết
điều khiển mờ, nhằm xây dựng và mô phỏng thành công thuật toán điều khiển
nhằm nâng cao và tự động ổn định hệ số công suất Cos cho đồng bộ động cơ đồng
bộ cơng suất lớn.
Thực nghiệm: Cài đặt thuật tốn vào hệ thống điều khiển kích từ động cơ đồng
bộ cơng suất lớn tại nhà máy, xí nghiệp tại tại các tỉnh phía Bắc Việt Nam.
VI. Ý nghĩa khoa học của đề tài
Kết quả nghiên cứu của luận văn sẽ đóng góp vào việc cải tiến thiết bị cơng
nghệ, nâng cao chất lượng làm việc của hệ thống truyền động công suất lớn sử dụng
động cơ đồng bộ ba pha công suất lớn.

download by :


4

1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN
KINH ĐIỂN PID
1.1. TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN KINH ĐIỂN PID

1.1.1. Tổng quan về bộ điều khiển PID
Tên gọi PID là chữ viết tắt của ba thành phần cơ bản có trong bộ điều khiển
gồm khâu khuếch đại (P), khâu tích phân (I) và khâu vi phân (D). Người ta vẫn thường
nói rằng PID là một tập thể hồn hảo gồm ba tính cách khác nhau:
- Phục tùng và thực hiện chính xác nhiệm vụ được giao (tỷ lệ)
- Làm việc và có tích lũy kinh nghiệm để thực hiện tốt nhiệm vụ (tích
phân)
- Ln có sáng kiến và phản ứng nhanh nhạy với sự thay đổi tình huống
trong quá trình thực hiện nhiệm vụ (vi phân)

Hình 1.1. Cấu trúc bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID được sử dụng khá rộng rãi để điều khiển đối tượng SISO
theo nguyên lý hồi tiếp. Lý do bộ PID được sử dụng rộng rãi vì tính đơn giản của nó
cả về cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc. Bộ PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) của hệ
thống về 0 sao cho quá trình quá độ thỏa mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng:
- Triệt tiêu sai số xác lập
- Giảm thời gian xác lập và độ vọt lố.

download by :


5

- Hạn chế dao động
Quan hệ vào/ra của bộ điều khiển được thể hiện bằng biểu thức:

Hình 1.2. Đặc tính động của bộ điều khiển PID
Chất lượng hệ thống phụ thuộc vào các tham số Kp, TI, Td.
- Thành phần khuếch đại (Kp) có tác dụng làm tăng tốc độ đáp ứng của hệ, và
làm giảm, chứ không triệt tiêu sai số xác lập của hệ. Muốn giảm nhỏ sai lệch tĩnh phải

tăng hệ số Kp nhưng khi đó tính dao động của hệ thống sẽ tăng lên và hệ thống dễ mất
ổn định.
- Thành phần tích phân TI tạo thành tín hiệu chậm sau có thể đảm bảo được độ
chính xác trạng thái ổn định, nhưng lại bị hạn chế về độ nhạy.

download by :


6

- Thành phần vi phân Td tạo thành tín hiệu vượt trước, tăng nhanh tốc độ tác
động (nhanh hơn cả quy luật tỉ lệ), nhưng thành phần vi phân sẽ phản ứng với các
nhiễu cao tần có biên độ nhỏ và không làm giảm sai lệch dư đồng thời độ chính xác
trạng thái ổn định lại bị ảnh hưởng. Vì vậy chỉ sử dụng ở những nơi đòi hỏi độ nhạy
tác động nhanh (điều khiển tay máy).
1.1.2. Phương pháp tổng hợp bộ điều khiển PID
Muốn hệ thống có được chất lượng như mong muốn thì phải phân tích đối
tượng rồi trên cơ sở đó chọn các tham số phù hợp. Hiện có khá nhiều các phương pháp
xác định các tham số Kp, TI, Td cho bộ điều khiến PID, song tiện ích hơn cả trong ứng
dụng vẫn là:
- Phương pháp Ziegler – Nechols
- Phương pháp Chien –Hrones –Reswick
- Phương pháp tổng T của Kuhn
- Phương pháp tối ưu độ lớn và phương pháp tối ưu đối xứng
- Phương pháp tối ưu thế sai lệch bám
Phương pháp thực nghiệm Zeigler-Nichols
Đây là phương pháp phổ biến nhất để chọn thông số cho bộ điều khiển PID
thương mại hiện nay. Phương pháp này dựa vào thực nghiệm để thiết kế bộ điều khiển
P, PI, PID bằng cách dựa vào đáp ứng quá độ của đối tượng điều khiển.
Zeigler và Nichols đã đưa ra hai cách chọn thông số bộ điều khiển PID tuỳ theo

đặc điểm của đối tượng.
Cách 1: Dựa vào đáp ứng quá độ của hệ hở, áp dụng cho các đối tượng có đáp
ứng dạng chữ S đối với tín hiệu vào là hàm nấc như hình 2.3.
 Ls

k
S(s)  e
1  Ts

download by :


7

Hình 1.3. Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S
Khi đó ta có thể xác định các thơng số của bộ điều khiển P, PI, PID theo bảng
sau:
Bảng 1.1: Các thông số của bộ điều khiển P, PI, PID theo phương pháp
Zeigler-Nichols với hệ hở có đáng ứng đầu ra với các thông số:
Thông số

Ti

TD

T2 (T1K )



0

PI

0.9T2 (T1K )

T1 0.3

0

PID

1.2T2 (T1K )

2T1

0.5T1

BĐK
P

Cách 2: Dựa vào đáp ứng quá độ của hệ kín dạng chuẩn (Phản hồi bằng -1), áp
dụng cho các đối tượng có khâu tích phân lý tưởng. Đáp ứng quá độ (hệ hở) của các
đối tượng có khâu tích phân lý tưởng khơng có dạng như hình 3.1 mà tăng đến vô
cùng. Đối với các đối tượng thuộc loại này ta chọn thông số bộ điều khiển PID dựa
vào đáp ứng quá độ của hệ kín như hình 2.4. Tăng dần hệ số khuyếch đại K đến giá trị
giới hạn

K gh

với chu kỳ

, khi đó đáp ứng ra của hệ kín ở trạng thái xác lập là dao động ổn định

Tgh

.

download by :


8

Hình 1.4. Đáp ứng q độ của hệ kín khi

K  K gh

và tín hiệu vào dạng nấc

Khi đó thơng số của bộ điều khiển P, PI, PID được xác định như sau:
Bảng 1.2: Của bộ điều khiển P, PI, PID theo phương pháp Zeigler-Nichols với hệ kín
dạng chuẩn
Thơng số

Ti

TD

0.5K gh



0

PI

0.45K gh

0.83Tgh

0

PID

0.6 K gh

0.5Tgh

0.125Tgh

BĐK
P

Trong khuôn khổ của luận văn này, ta sử dụng thuật tốn PID có sẵn của PLC
S7 1200 và sử dụng phương pháp thực nghiệm Zeigler – Nichols để lựa chọn tham số
của bộ điều khiển PID.

download by :


9

2.2. TÌM HIỂU BỘ ĐIỀU KHIỂN PID TRONG PLC S7 1200
2.2.1. Giới thiệu PLC S7 1200
a. Tổng quan về PLC S7 1200
PLC SIMATIC S7 1200 là một đề nghị mới của SIEMENS cho các nhiệm vụ
tự động hóa với chính xác cao. PLC SIMATIC S7 1200 được thiết kế dạng module
nhỏ gọn, linh hoạt, một sự đầu tư an toàn mạnh mẽ phù hợp cho một loạt các ứng
dụng. PLC S7 1200 có một giao diện truyền thơng đáp ứng tiêu chuẩn cao nhất của
truyền thông công nghiệp và đầy đủ các tính năng cơng nghệ mạnh mẽ (Technology
Function) tích hợp sẵng làm cho nó trở thành một giải pháp tự động hóa hồn chỉnh và
tồn diện.
PLC S7 1200 bao gồm 4 phiên bản với nhiều tùy chọn cho người dùng (CPU
1211C, CPU 1212C, CPU 1214C và CPU 1215C), Tất cảc ác dịng CPU của Serial S7
1200 đều tíchh Hợp giao tiếp Ethernet và cũng có thể mở rộng giao diện truyền thông
khác như RS232, RS485, Profibus, AS-I. Trên các CPU này đều tích hợp sẵn các cổng
vào ra số DI/DO và 2 cổng vào Analog AI với độ phân giải 10bit
S7-1200 sử dụng chung một phần mềm TIA PORTAL cho việc lập trình PLC
và các màn hình HMI. Điều này giúp cho việc thiết kế, lập trình, thi cơng hệ thống
điều khiển được nhanh chóng, đơn giản.
Bên cạnh CPU S7-1200 và phần mềm lập trình mới, một dải sản phẩm các màn
hình HMI mới dùng cho PLC S7-1200 cũng được giới thiệu. Tất cả cùng tạo ra một
giải pháp tích hợp, thống nhất cho thị trường tự động hóa cỡ nhỏ (Micro Automation).

Hình 1.5. PLC S7-1200 đi kèm phần mềm lập trình tự động hóa tích hợp

download by :


10

Các tính năng nổi bật của SIMATIC S7-1200:
- Cổng truyền thơng Profinet (Ethernet) được tích hợp sẵn:


Dùng để kết nối máy tính, với màn hình HMI hay truyền thơng PLCPLC



Dùng kết nối với các thiết bị khác có hỗ trợ chuẩn Ethernet mởĐầu nối
RJ45 với tính năng tự động chuyển đổi đấu chéo



Tốc độ truyền 10/100 Mbits/s



Hỗ trợ 16 kết nối ethernet, TCP/IP, ISO on TCP, và S7 protocol

- Các tính năng về đo lường, điều khiển vị trí, điều khiển quá trình:


6 bộ đếm tốc độ cao (high speed counter) dùng cho các ứng dụng đếm và
đo lường, trong đó có 3 bộ đếm 100kHz và 3 bộ đếm 30kHz



2 ngõ ra PTO 100kHz để điều khiển tốc độ và vị trí động cơ bước hay bộ
lái servo (servo drive)



Ngõ ra điều rộng xung PWM, điều khiển tốc độ động cơ, vị trí valve,
hay điều khiển nhiệt độ...



16 bộ điều khiển PID với tính năng tự động xác định thông số điểu khiển
(auto-tune functionality)

- Thiết kế linh hoạt:


Mở rộng tín hiệu vào/ra bằng board tín hiệu mở rộng (signal board), gắn
trực tiếp phía trước CPU, giúp mở rộng tín hiệu vào/ra mà khơng thay
đổi kích thước hệ điều khiển



Mỗi CPU có thể kết nối 8 module mở rộng tín hiệu vào/ra



Ngõ vào analog 0-10V được tích hợp trên CPU



3 module truyền thơng có thể kết nối vào CPU mở rộng khả năng truyền
thông, vd module RS232 hay RS48550KB work memory, 2MB load
memory



Card nhớ SIMATIC, dùng khi cần rộng bộ nhớ cho CPU, copy chương
trình ứng dụng hay khi cập nhật firmware

download by :


11



Chẩn đoán lỗi online / offline

Hinh 1.6. PLC S7 – 1200 và các module mở rộng
Phân loại
Việc phân loại S7-1200 dựa vào loại CPU mà nó trang bị: Các loại PLC thông
dụng: CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1214C, CPU 1215C. Thơng thường S7-200
được phân ra làm 3 loại chính:
- Loại AC/DC/RLY:


Nguồn ni: 120 – 240VAC



Ngõ vào: Kích hoạt mức 1 ở cấp điện áp +24VDC(từ 15VDC – 30VDC).



Ngõ ra: Relay.



Ưu điểm của loại này là dùng ngõ ra Relay. Do đó có thể sử dụng ngõ ra
ở nhiều cấp điện áp khác nhau( có thể sử dụng ngõ ra 0V, 24V, 220V…)



Tuy nhiên, nhược điểm của nó là do ngõ ra Relay nên thời gian đáp ứng
không nhanh cho ứng dụng biến điệu độ rộng xung, hoặc Output tốc độ
cao…

- Loại DC/DC/RLY:


Nguồn nuôi: 24VDC

download by :


12



Ngõ vào: Kích hoạt mức 1 ở cấp điện áp +24VDC( từ 15VDC –
30VDC).



Các thơng số cịn lại giống như loại AC/DC/RLY

- Loại DC/DC/DC:


Nguồn ni: 24VDC



Ngõ vào: Kích hoạt mức 1 ở cấp điện áp +24VDC( từ 15VDC –
30VDC).



Ngõ ra: Tranzitor.



Ưu điểm của loại này là dùng ngõ ra transistor. Do đó có thể sử dụng
ngõ ra này để biến điệu độ rộng xung, Output tốc độ cao…



Tuy nhiên, nhược điểm của loại này là do ngõ ra transistor nên chỉ có thể
sử dụng một cấp điện áp duy nhất là 24VDC, do vậy sẽ gặp rắc rối trong
những ứng dụng có cấp điện áp khác nhau. Trong trường hợp này, phải
thơng qua một Relay 24VDC đệm. Hơn nữa nó lại cần nguồn ni
24VDC, do vậy cần phải có bộ nguồn DC kem theo

b. Cấu trúc phần cứng PLC S7 1200
1- Đèn báo trạng thái hoạt động
của các ngõ I/O
2- Đèn báo trạng thái hoạt động
của PLC
3- Cổng kết nối
4- Khe cắm thẻ nhớ
5- Nơi gắn dây nối
Hinh 1.7. Hình dạng bên ngoài của S7 – 1200 (CPU 1212C)
Số lượng đầu vào/ra số của PLC S7 1200 tùy thuộc vào từng dịng CPU khác
nhau. Ví dụ: CPU 1212C gồm 10 ngõ vào và 6 ngõ ra, có khả năng mở rộng thêm 2
module tín hiệu (SM), 1 mạch tín hiệu(SB) và 3 module giao tiếp (CM).

download by :


13

Các đèn báo trên CPU


STOP / RUN (cam / xanh): CPU ngừng / đang thực hiện chương trình đã
nạp vào bộ nhớ.



ERROR (màu đỏ): màu đỏ ERROR báo hiệu việc thực hiện chương trình
đã xảy ra lỗi.



MAINT (Maintenance): led cháy báo hiệu việc có thẻ nhớ được gắn vào
hay khơng.



LINK: Màu xanh báo hiệu việc kết nối với tính thành cơng.



Rx / Tx: Đèn vàng nhấp nháy báo hiệu tín hiệu được truyền.



Đèn cổng vào ra:
Ix.x (đèn xanh): Đèn xanh ở cổng vào báo hiệu trạng thái tức thời

của cổng Ix.x. đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị của công tắc.
Qx.x(đèn xanh): Đèn xanh ở cổng ra báo hiệu trạng thái tức thời
của cổng Qx.x. Đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của
cổng.
Cấu trúc bên trong PLC S7 1200 cũng giống như các PLC cùng họ khác, PLC
S7-1200 gồm 4 bộ phận cơ bản: bộ xử lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao tiếp xuất / nhập.
Bộ xử lý còn được gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU), chứa bộ vi xử lý, biên dịch
các tín hiệu nhập và thực hiện các hoạt động điều khiển theo chương trình được lưu
trong bộ nhớ của PLC. Truyền các quyết định dưới dạng tín hiệu hoạt động đến các
thiết bị xuất.
Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp DC (24V) cần
thiết cho bộ xử lý và các mạch điện trong các module giao tiếp nhập và xuất hoạt
động.

Bộ nhớ là nơi lưu trữ chương trình được sử dụng cho các hoạt động điều khiển
dưới sự kiểm soát của bộ vi xử lý.

download by :


14

Các thành phần nhập và xuất (input / output) là nơi bộ nhớ nhận thông tin từ
các thiết bị ngoại vi và truyền thông tin đến các thiết bị điều khiển. Tín hiệu nhập có
thể từ các cơng tắc, các bộ cảm biến,… Các thiết bị xuất có thể là các cuộn dây của bộ
khởi động động cơ, các van solenoid,…
Chương trình điều khiển được nạp vào bộ nhớ nhờ sự trợ giúp của bộ lập trình
hay bằng máy vi tính.

Hình 1.8. Cấu trúc bên trong PLC S7 1200
Modul chức năng và Modul mở rộng.
Khả năng mở rộng của từng loại CPU tùy thuộc vào các đặc tính, thơng số và
quy định của nhà sản xuất.

Hình 1.9. Hình ảnh một số loại Modul mở rộng của PLC S7 1200
S7-1200 có các loại module mở rộng sau:
- Communication module (CP): Modul truyền thông – RS232; RS485;
Ethernet
- Signal board (SB): Vào số; ra số; vào analog; ra analog; RS485

download by :


15

- Signal Module (SM): Vào số; ra số; vào analog; ra analog; hoặc kết
hợp
Đấu nối PLC S7 – 1200 với thiết bị ngoại vi
Việc đấu nối PLC S7 – 1200 tùy thuộc vào từng dịng CPU. Tuy nhiên sẽ có
quy tắc chung sau:
+ Các thiết bị đầu vào: Nút bấm, Cảm biến, biến trở, Switch... sẽ được nối tới
các đầu vào số (Ký hiệu: Ix.y) hoặc các đầu vào tương tự (Ký hiệu: IWx) tùy từng
chức năng.
+ Các thiết bị chấp hành: Rơle trung gian, Contactor, Biến tần, van tỉ lệ... sẽ
được nối tới các đầu ra số (Ký hiệu: Qx.y) hoặc các đầu ra tương tự (Ký hiệu QWx)
tùy từng chức năng.
Ví dụ 1: Hình 1.10 trình bày sơ đồ nối dây cho CPU 1212 AC/DC/RLY

Hình 1.10. Sơ đồ nối dây cho CPU 1212C AC/DC/RLY
+ Nguồn nuôi cấp bằng điện áp: 120VAC - 240VAC
+ 8 đầu vào số (8DI) được nối với nguồn 24VDC
+ 2 đầu vào tương tự (2AI) được nối với tín hiệu vào dạng Analog ( 0 – 10V
hoặc 0 – 20mA hoặc 4 – 20mA)

download by :