Tích hợp bộ điều khiển mờ vào PLC s7 300 để điều khiển tay máy 2 bậc tự do

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




























ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

®¹i häc


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
TÍCH HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀO PLC S7-300
ĐỂ ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY 2 BẬC TỰ DO


Chuyên ngành : TỰ ĐỘNG HÓA
Mã số : 605260
Người thực hiện : NGUYỄN VĂN SUM
Cán bộ HD khoa học : PGS.TS. LẠI KHẮC LÃI




THÁI NGUYÊN-NĂM 2010

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP
*****

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

TÊN ĐỀ TÀI
TÍCH HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀO PLC S7-300
ĐỂ ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY 2 BẬC TỰ DO

Học viên : Nguyễn Văn Sum
Lớp : Cao học K11-TĐH
Cán bộ HDKH : PGS.TS. Lại Khắc Lãi

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC


PGS.TS. Lại Khắc Lãi
HỌC VIÊN


Nguyễn Văn Sum
BAN GIÁM HIỆU
KHOA SAU ĐẠI HỌC

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tổng hợp và nghiên cứu.
Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo nhƣ đã nêu trong phần tài liệu
tham khảo.

Tác giả luận văn


Nguyễn Văn Sum













2

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN 1
MỤC LỤC 2
DANH MỤC CÁC BẢNG 5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 5
MỞ ĐẦU 8
CHƢƠNG 1 11
TỔNG QUAN VỀ PLC S7-300 11
1.1. Lịch sử phát triển của PLC 11
1.2. Phân loại 12
1.3. Giới thiệu các ngôn ngữ lập trình 13
1.4. Cấu trúc phần cứng PLC S7-300 15
1.4.1. Module nguồn PS307 của S7-300 16
1.4.2. Khối xử lí trung tâm (CPU Hình 1.10) 17
1.4.3. Module mở rộng cổng tín hiệu 17
1.4.4. Module ghép nối 18
1.4.5. Module mềm PID (Hình 1.13) 18
1.4.6. Module mờ (Fuzzy hình 1.13) 19
1.5. Tập lệnh của S7-300 21
1.6. Phạm vi ứng dụng và các ƣu nhƣợc điểm 23
1.6.1. Phạm vi ứng dụng 23
1.6.2. Ƣu nhƣợc điểm 23
1.7. Kết luận Chƣơng 1 24
CHƢƠNG 2 24
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 24
2.1. Lịch sử phát triển 24
2.2. Điều khiển mờ 25

2.2.1. Sơ đồ khối của hệ điều khiển mờ 25
2.2.1.1. Khối mờ hoá 26
2.2.1.2. Khối hợp thành (Inference Mechanism) 27
2.2.1.3. Khối luật mờ (Rule-base) 27
2.2.1.4. Khối giải mờ (Defuzzifier) 27
3

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


2.2.2. Phân loại điều khiển mờ 29
2. 3. Điều khiển mờ nâng cao 32
2.3.1. Hệ điều khiển thích nghi mờ 32
Hệ điều khiển thích nghi mờ là hệ điều khiển thích nghi đƣợc xây dựng trên cơ
sở của hệ mờ 32
2.3.2. Hệ điều khiển mờ lai PID 33
2.3.2.1. Bộ điều khiển mờ lai kinh điển 34
2.3.2.2. Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID 35
2.4. Kết luận Chƣơng 2 37
CHƢƠNG 3 38
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN TAY
MÁY HAI BẬC TỰ DO 38
3.1. Khái quát 38
3.2. Xây dựng phƣơng trình động học cánh tay robot 2 bậc tự do 38
3.2.1. Khái quát 38
3.2.2. Vấn đề điều khiển cánh tay Robot 39
3.2.3. Động học của cánh tay Robot 2DOF 41
3.2.3.1. Động học thuận 42
3.2.3.2. Động học ngƣợc 42
3.2.3.3. Động lực học cánh tay robot 2DOF 43

3.3. Tổng hợp hệ điều khiển PID cho cánh tay robot hai bậc tự do 44
3.3.1. Thuật toán điều khiển tỉ lệ (P) có phản hồi tốc độ và điều khiển PD 45
3.3.2. Thuật toán điều khiển PD có bù gia tốc trọng trƣờng 46
3.3.3. Thuật toán điều khiển PID 46
3.3.4. Nhận xét chung 46
3.4. Tổng hợp bộ điều khiển vị trí PID cho động cơ điện một chiều 48
3.4.1. Các thông số ban đầu. 49
3.4.1.1. Động cơ điện một chiều. 49
3.4.1.2. Bộ chỉnh lƣu. 52
3.4.1.3. Biến dòng 53
3.4.1.4. Máy phát tốc 53
3.4.1.5. Cảm biến vị trí 54
3.4.2. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng (RI) 54
4

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


3.4.3. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ (
R

) 57
3.4.4. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh vị trí (
R

) 59
3.5. Tính phi tuyến của bộ điều khiển vị trí. 62
3.6. Xây dựng hệ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID để điều
chỉnh cánh tay Robot 2DOF. 63
3.6.1. Đặt vấn đề 63

3.6.2. Tổng hợp mô hình bộ điều khiển mờ chỉnh định bộ tham số PID. 64
3.6.2.1. Biến ngôn ngữ và miền giá trị của nó 65
3.6.2.2. Xác định hàm liên thuộc (membership function). 67
3.6.2.3. Xây dựng các luật điều khiển 71
3.6.2.4. Luật hợp thành 74
3.7. Kết quả mô hình hóa, mô phỏng 76
3.7.1. Hệ thống điều khiển tay máy sử dụng bộ điều khiển PID. 76
3.7.1.1. Mô hình simulink của hệ thống 76
3.7.1.2. Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển tay máy hai bậc tự do dùng
PID 78
(Vớ i trƣờng hợp khối lƣợng tải Mt=0; moment quán tính tải Jt=0) 78
3.7.2. Hệ thống điều khiển tay máy sử dụng hệ điều khiển mờ chỉnh định thông
số bộ PID. 85
3.7.2.1. Mô hình simulink hệ thống bộ điều khiển mờ (Fuzzy logic) 85
3.7.2.2. Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển tay máy hai bậc tự do dùng
bộ điều khiển mờ (Fuzzy logic).(Vớ i trƣờng hợp khối lƣợng tải Mt=0;
moment quán tính tải Jt=0) 88
3.8. So sánh quỹ đạo giữa PID và chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID 94
3.8.1. Trƣờng hợp Mt = 0kg, Jt=0 kg.m
2
. 94
3.8.1.1. Sai lệch quỹ đạo tay má y. 94
3.8.1.2. Sai lệch gó c quay hai khớ p củ a tay má y . 95
3.8.1.3. Sai lệch tố c độ gó c quay hai khớ p củ a tay má y . 97
3.8.2. Trƣờng hợp Mt = 1kg, Jt=0,5 kg.m
2
. 98
3.8.2.1. Sai lệch quỹ đạo tay má y. 98
3.8.2.2. Sai lệch gó c quay hai khớ p củ a tay má y . 98
3.8.2.3. Sai lệch tố c độ gó c quay hai khớ p củ a tay má y . 100

3.9. Kết luận Chƣơng 3 101
CHƢƠNG 4 103
5

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


TÍCH HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀO PLC S7 300 103
4.1. Phƣơng phá p tích hợp bộ điều khiển mờ vào PLC S7 300 103
4.1.1. Chƣơng trình phầ n mề m tí ch hợ p FCPA 103
4.1.1.1. Chuẩn bị một Project khai báo bộ điều khiển mờ bằng FCPA 103
4.1.1.2. Khai báo các biến vào ra và viết chƣơng trình 103
4.2. Tiế n hà nh tí ch hợ p bộ điề u khiể n mờ và o PLC 110
4.2.1. Sử dụng DB mờ với FB30 (Fuzzy control) 110
4.2.2. Thanh ghi báo trạng thái làm việc của FB30 111
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 112
1. KẾT LUẬN. 112
2. KIẾN NGHỊ. 113
TÀI LIỆU THAM KHẢO 113

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Thông số củ a module mờ 21
Bảng 3.1: Dịch chuyển theo quĩ đạo của cánh tay robot 39
Bảng 3.2: Thông số vật lý của cánh tay robot 2DOF 41
Bảng 3.3: Các thông số của động cơ điện một chiều 50
Bảng 3.4: Luật điều khiển Hesokp 71
Bảng 3.5: Luật điều khiển Hesokd 71
Bảng 3.6: Luật điều khiển xây dựng bằng MATLAB 71

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Sơ đồ khối của PLC 12
Hình 1.2: Hệ thống điều khiển sử dụng PLC 12
Hình.1.3 13
Hình 1.4 13
Hình 1.5 14
Hình 1.6 14
Hình 1.7: Ngôn ngữ đƣợc phát triển từ ngôn ngữ GRAPH 15
Hình 1.8: Cấu trúc của PLC S7- 300 16
Hình 1.9 16
Hình 1.10 17
Hình 1.11 17
Hình 1.12 18
6

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Hình 1.13 18
Hình 1.14 Module Fuzzy giao tiế p vớ i PLC S7-300 20
Hình 2.1: Sơ đồ khối bộ điều khiển mờ 26
Hình 2.2: Sơ đồ xá c đị nh trung bì nh tâm 29
Hình 2.3: Các bộ điều khiển mờ 29
Hình 2.3a, b: Hệ điều khiển mờ theo luật PI 30
Hình 2.4: Hệ điều khiển mờ theo luật PD 31
Hình 2.5: Hệ điều khiển mờ theo luật PID 31
Hình 2.6: Cấu trúc phƣơng pháp điều khiển thích nghi trực tiếp 32
Hình 2.7: Cấu trúc phƣơng pháp điều khiển thích nghi gián tiếp 33
Hình 2.9: Mô hình bộ điều khiển mờ lai kinh điển 35
Hình 2.8: Hệ điều khiển mờ lai 34
Hình 2.10: Phƣơng pháp chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID 36

Hình 2.11: Bên trong bộ chỉnh định mờ 37
Hình 3.1: Sơ đồ minh hoạ cánh tay robot n khâu 39
Hình 3.2: Sơ đồ cánh tay robot 2DOF 40
Hình 3.4: Điều khiển tỉ lệ (P) có phản hồi tốc độ 45
Hình 3.5: Điều khiển PD 45
Hình 3.6: Điều khiển PD có bù gia tốc trọng trƣờng 46
Hình 3.7: Sơ đồ cấu trúc điều khiển PID 46
Hình 3.8: Cấu trúc robot + các hệ dẫn động 47
Hình 3.9: Sơ đồ của DCM làm bộ dẫn động cho robot 47
Hình 3.10: Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập 49
Hình 3.11: Cấu trúc của động cơ điện một chiều khi từ thông không đổi. 52
Hình 3.12: Sơ đồ khối mạch chỉnh lƣu có điều khiển. 52
Hình 3.13: Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện. 54
Hình 3.14 55
Hình 3.15: Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí. 56
Hình 3.16: mạch vòng điều chỉnh tốc độ 57
Hình 3.17: mạch vòng điều chỉnh vị trí 59
Hình 3.18 60
Hình 3.19 : Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí. 61
Hình 3.20: Quan hệ giữa  và . 63
Hình 3.21: Sơ đồ bộ điều khiển mờ 64
Hình 3.22: Cấu trúc bộ chỉnh định mờ khớp 1 65
Hình 3.23: Cấu trúc bộ chỉnh định mờ khớp 2 65
Hình 3.24: Mô hình rời rạc hóa hàm liên thuộc trapmf của biến et, det 67
Hình 3.25: Mô hình hàm liên thuộc trapmf của biến Hesokp , Hesokd 67
Hình 3.26: Xác định tập mờ cho biến vào et 68
Hình 3.27: Xác định tập mờ cho biến vào det 68
Hình 3.28: Xác định tập mờ cho biến ra Hesokp 69
Hình 3.29: Xác định tập mờ cho biến ra Hesokd 69
Hình 3.30: Luật hợp thành đối với tín hiệu vào ra trên mặt phẳng 70

7

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Hình 3.31: Luật hợp thành đối với tín hiệu vào ra trên hình khối 70
Hình 3.32: Mô hình hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID 76
Hình 3.33: Mô hình khối điều khiển dòng điện và tốc độ động cơ 1 77
Hình 3.34: Mô hình khối điều khiển dòng điện và tốc độ động cơ 2 77
Hình 3.35: Mô hình khối HT1 và HT2 77
Hình 3.36: Mô hình khâu phản hồi vị trí 1 và 2 77
Hình 3.37: Mô hình tay máy 2DOF 78
Hình 3.38: Đồ thị quỹ đạo đặt và quỹ đạo thực của tay máy dùng PID 78
Hình 3.39: Đồ thị sai lệch quỹ đạo dùng PID 79
Hình 3.40: Đồ thị sai lệch quỹ đạo góc đặt và góc ra của khớp 1 dùng PID 80
Hình 3.41: Đồ thị sai lệch góc của khớp 1 dùng PID 80
Hình 3.42: Đồ thị sai lệch tốc độ góc của khớp 1 dùng PID 81
Hình 3.43: Đồ thị tốc độ động cơ 1 dùng PID 81
Hình 3.44: Đồ thị moment khớp 1 dùng PID 82
Hình 3.45: Đồ thị sai lệch quỹ đạo góc đặt và góc ra của khớp 2 dùng PID 82
Hình 3.46: Đồ thị sai lệch góc của khớp 2 dùng PID 83
Hình 3.47: Đồ thị sai lệch tốc độ góc của khớp 2 dùng PID 83
Hình 3.48: Đồ thị tốc độ động cơ 2 dùng PID 84
Hình 3.49: Đồ thị moment khớp 2 dùng PID 84
Hình 3.50: Mô hình hệ thống sử dụng bộ điều khiển Fuzzy 85
Hình 3.51: Mô hình bộ điều khiển 1 86
Hình 3.52: Mô hình bộ điều khiển 2 86
Hình 3.53: Kết quả mô phỏng bằng RuleWiewer FLC1, FLC2 87
Hình 3.54: Bảng các luật điều khiển FLC1, FLC2 87
Hình 3.55: Luật hợp thành củ a FLC1, FLC2 với tín hiệu vào ra trên hình khối 87

Hình 3.56: Đồ thị quỹ đạo đặt và quỹ đạo thực của tay máy dùng Fuzzy 88
Hình 3.57: Đồ thị sai lệch quỹ đạo dùng Fuzzy 88
Hình 3.58: Đồ thị sai lệch quỹ đạo góc đặt và góc ra của khớp 1 dùng Fuzzy 89
Hình 3.59: Đồ thị sai lệch góc của khớp 1 dùng Fuzzy 89
Hình 3.60: Đồ thị sai lệch tốc độ góc của khớp 1 dùng Fuzzy 90
Hình 3.61: Đồ thị tốc độ động cơ 1 dùng Fuzzy 90
Hình 3.62: Đồ thị moment khớp 1 dùng Fuzzy 91
Hình 3.63: Đồ thị sai lệch quỹ đạo góc đặt và góc ra của khớp 2dùng Fuzzy 91
Hình 3.64: Đồ thị sai lệch góc của khớp 2 dùng Fuzzy 92
Hình 3.65: Đồ thị sai lệch tốc độ góc của khớp 2 dùng Fuzzy 92
Hình 3.66: Đồ thị tốc độ động cơ 2 dùng Fuzzy 93
Hình 3.67: Đồ thị moment khớp 2 dùng Fuzzy 93
Hình 3.68: Sai lệch quỹ đạo dùng PID và Fuzzy 94
Hình 3.69: Đồ thị góc quay khớp 1 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy 95
Hình 3.70: Đồ thị góc quay khớp 2 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy 95
Hình 3.71: Đồ thị sai lệ ch góc quay khớp 1 giữa PID và Fuzzy 96
Hình 3.72: Đồ thị sai lệ ch góc quay khớp 2 giữa PID và Fuzzy 96
Hình 3.73: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khớp 1 giữa PID và Fuzzy 97
8

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Hình 3.74: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khớp 2 giữa PID và Fuzzy 97
Hình 3.75: Sai lệch quỹ đạo dùng PID và Fuzzy 98
Hình 3.76: Đồ thị góc quay khớp 1 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy 98
Hình 3.77: Đồ thị góc quay khớp 2 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy 99
Hình 3.78: Đồ thị sai lệ ch góc quay khớp 1 giữa PID và Fuzzy 99
Hình 3.79: Đồ thị sai lệ ch góc quay khớp 2 giữa PID và Fuzzy 100
Hình 3.80: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khớp 1 giữa PID và Fuzzy 100

Hình 3.81: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khớp 2 giữa PID và Fuzzy 101
Hình 4.1: Chọn biến ngôn ngữ vào/ ra 103
Hình 4.2: Cƣ̉ a sổ soạ n thả o biế n ngôn ngƣ̃ và o/ ra và luậ t hợ p thà nh 104
Hình 4.3: Cƣ̉ a sổ soạ n thả o cá c hà m liên thuộ c củ a đầ u và o et1 105
Hình 4.4: Cƣ̉ a sổ soạ n thả o cá c hà m liên thuộ c củ a đầ u và o det1 106
Hình 4.5: Cƣ̉ a sổ soạ n thả o cá c hà m liên thuộ c củ a đầ u ra HesoKP1 106
Hình 4.6: Cƣ̉ a sổ soạ n thả o cá c hà m liên thuộ c củ a đầ u ra HesoKD1 107
Hình 4.7: Màn hình soạn thảo luật điều khiển 107
Hình 4.8: Bảng ma trận luật điều khiển của hệ số KP1 108
Hình 4.9: Bảng ma trận luật điều khiển của hệ số KD1 108
Hình 4.10: Quan hệ và o/ra củ a bộ điề u khiể n mờ dạ ng hì nh khố i (HesoKP1) 109
Hình 4.11: Quan hệ và o/ra củ a bộ điề u khiể n mờ dạ ng hì nh khố i (HesoKD1) 109
Hình 4.12: Kế t nố i cá c khố i trong Simatic đế n module mờ (Fuzzy module) 110










MỞ ĐẦU

9

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật các ngành công nghệ thông
tin, điện tử viễn thông, tự động hóa… đã có một bƣớc tiến rất lớn, nhiều công trình
khoa học, các sản phẩm đƣợc ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu của con ngƣời nhƣ: máy
rút tiền tự động (ATM), thiết bị nhận dạng vân tay, robot giúp việc nhà, ngƣời máy
Asimo có khả năng giao tiếp giống nhƣ ngƣời và chỉ huy dàn nhạc…
Các cơ cấu tay máy 2 bậc tự do đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, nhƣ
hệ thống quay ra đa, điều chỉnh tầm và hƣớng pháo cao xạ, tên lửa; Điều chỉnh
hƣớng pin mặt trời… việc ―thông minh‖ hóa các hệ thống điều khiển này đang
nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu.
Việc nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển mờ và tích hợp chúng vào PLC S7- 300
để điều khiển và nâng cao chất lƣợng, tăng độ mềm dẻo và độ linh hoạt của bộ
truyền động trong các dây chuyền sản xuất, cụ thể là điều khiển tay máy hai bậc tự
do là một vấn đề mới có ý nghĩa cao về khoa học
Việc tích hợp điều khiển mờ vào PLC S7-300 mở ra triển vọng mới trong việc
khai thác, áp dụng module mở rộng của PLC cho các hệ thống điều khiển trong
công nghiệp nhằm khai thác triệt để năng lực của PLC, giảm vốn đầu tƣ, nâng cao
chất lƣợng hệ thống điều khiển.
Đối với hệ thống tay máy hai bậc tự do, việc lựa chọn sử dụng các bộ biến đổi,
các loại động cơ điện, các thiết bị đo lƣờng, cảm biến, các bộ điều khiển và đặc biệt
là phƣơng pháp điều khiển có ảnh hƣởng rất lớn đến chất lƣợng điều khiển bám
chính xác quỹ đạo của hệ.
Trong thời gian của khóa học cao học, chuyên ngành Tự Động Hóa tại trƣờng Đại
Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên, đƣợc sự giúp đỡ của nhà trƣờng và thầ y
giáo PGS.TS. Lại Khắc Lãi tôi đã chọn đề tài “Tích hợp điều khiển mờ vào PLC
S7- 300 để điều khiển tay máy 2 bậc tự do” để làm đề tài nghiên cứu.
Nội dung của luận văn đƣợc chia thành 4 chƣơng:
CHƢƠNG 1: TÌM HIỂU PLC S7-300
10

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH PID ĐỂ ĐIỀU
KHIỂN TAY MÁY HAI BẬC TỰ DO
CHƢƠNG 4: TÍCH HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀO PLC S7 300
CÁC KIẾN NGHỊ VÀ KẾT LUẬN
Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS. Lại Khắc Lãi
ngƣời đã hƣớng dẫn tận tình và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ này.
Tôi xin chân thành cả m ơn quý thầy cô ở Khoa Điện, khoa sau Đại học, Ban
Giám Hiệu – Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến và
tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn.
Dù có nhiều nỗ lực cố gắng, xong bản luận văn không tránh khỏi những thiếu
sót và hạn chế. Tôi rất mong nhận đƣợc sự góp ý của quý thầy và các độ c giả để bản
luận văn hoàn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cả m ơn!
Thái Nguyên, ngày 10 tháng 09 năm 2010
Ngƣời thực hiện


Nguyễn Văn Sum



11

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ PLC S7-300
1.1. Lịch sử phát triển của PLC
- Bộ điều khiển lập trình PLC (Programmable Logic Controller) đƣợc sáng tạo
ra từ ý tƣởng ban đầu của một nhóm kỹ sƣ thuộc hãng General Motors vào năm
1968 nhằm thay thế những mạch điều khiển bằng Rơle và thiết bị điều khiển rời rạc
cồng kềnh.
- Đến giữa thập niên 70, công nghệ PLC nổi bật nhất là điều khiển tuần tự theo
chu kỳ và theo bit trên nền tảng của CPU. Thiết bị AMD 2901 và AMD 2903 trở
nên ngày càng phổ biến. Lúc này phần cứng cũng phát triển: bộ nhớ lớn hơn, số
lƣợng ngõ vào/ra nhiều hơn, nhiều loại module chuyên dụng hơn. Vào năm 1976,
PLC có khả năng điều khiển các ngõ vào/ra ở xa bằng kỹ thuật truyền thông,
khoảng 200 mét.
- Đến thập niên 80, bằng sự nỗ lực chuẩn hóa hệ giao tiếp với giao diện tự
động hóa, hãng General Motors cho ra đời loại PLC có kích thƣớc giảm, có thể lập
trình bằng biểu tƣợng trên máy tính cá nhân thay vì thiết bị lập trình đầu cuối
chuyên dụng hay lập trình bằng tay.
- Đến thập niên 90, những giao diện phần mềm mới có cấu trúc lệnh giảm và
cấu trúc của những giao diện đƣợc cung cấp từ thập niên 80 đã đƣợc đổi mới.
- Cho đến nay những loại PLC có thể lập trình bằng ngôn ngữ cấu trúc lệnh
(STL), sơ đồ hình thang (LAD), sơ đồ khối (FBD).
- Hiện nay có rất nhiều hãng sản xuất PLC nhƣ: Siemens, Allen-Bradley,
General Motors, Omron, Mitsubishi, Festo, LG, GE Fanuc, Modicon…
- PLC của Siemens gồm có các họ: Simatic S5, Simatic S7, Simatic S500/505.
Mỗi họ PLC có nhiều phiên bản khác nhau, chẳng hạn nhƣ: Simatic S7 có S7-200,
S7-300, S7-400… Trong đó mỗi loại S7 có nhiều loại CPU khác nhau nhƣ S7-300
có CPU 312, CPU 314, CPU 316, CPU 315-2DP, CPU 614…
12

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

- Để có thể thực hiện đƣợc một chƣơng trình điều khiển, tất nhiên PLC phải có
tính năng nhƣ một máy tính, nghĩa là nó phải có một bộ vi xứ lý (CPU), một hệ điều
hành, bộ nhớ để lƣu trữ chƣơng trình điều khiển, dữ liệu và các cổng vào/ra để giao
tiếp với các dối tƣợng điều khiển và trao đổi thông tin với môi trƣờng xung quanh.

Hình 1.1: Sơ đồ khối của PLC

Hình 1.2: Hệ thống điều khiển sử dụng PLC
1.2. Phân loại
PLC đƣợc phân loại theo 2 cách sau:
13

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


 Hãng sản xuất: Gồm các nhãn hiệu nhƣ Siemen, Omron, Misubishi,
Alenbratlay …
 Version:
Ví dụ : PLC Siemen có các dòng: Logo, Zen, S7-200, S7-300, S7-400
PLC Misumishi có các dòng: Fx, F
0
x
, F
ON
x

1.3. Giới thiệu các ngôn ngữ lập trình
Các loại PLC nói chung thƣờng có nhiều ngôn ngữ lập trình nhằm phục vụ
các đối tƣợng sử dụng khác nhau. PLC S7-300 có 5 loại ngôn ngữ lập trình cơ bản.

 Ngôn ngữ ―hình thang‖, ký hiệu LAD (Ladder logic)

Hình.1.3
Đây là ngôn ngữ đồ họa thích hợp với những ngƣời quen thiết kế mạch logic.
 Ngôn ngữ ―liệt kê lệnh‖, ký hiệu STL (Statement List).

Hình 1.4
Đây là ngôn ngữ lập trình thông thƣờng của máy tính. Một chƣờng trình đƣợc
ghép bởi nhiều câu lệnh theo một thuật toán nhất định, mỗi lệnh chiếm mỗi hàng và
điều có cấu trúc chung là ―tên lệnh‖ + ― toán hạng‖.
14

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


 Ngôn ngữ ― hình khối‖, ký hiệu là FBD (Function Block Diagram).

Hình 1.5
Đây là ngôn ngữ đồ họa thích hợp với ngƣời quen thiết kế mạch điều khiển số.
 Ngôn ngữ GRAPH
Đây là ngôn ngữ lập trình cấp cao dạng đồ họa. Cấu trúc chƣơng trình rỏ
ràng, chƣơng trình ngắn gọn. Thích hợp với ngƣời trong ngành cơ khí vốn quen với
giản đồ Grafcet của khí nén.

Hình 1.6


 Ngôn ngữ High GRAPH
15

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Hình 1.7: Ngôn ngữ đƣợc phát triển từ ngôn ngữ GRAPH
1.4. Cấu trúc phần cứng PLC S7-300
PLC S7-300 đƣợc thiết kế theo kiểu module. Các module này sử dụng cho
nhiều ứng dụng khác nhau. Việc xây dựng PLC theo cấu trúc module rất thuận tiện
cho việc thiết kế các hệ thống gọn nhẹ và dễ dàng cho việc mở rộng hệ thống. Số
các module đƣợc sử dụng nhiều hay ít tùy theo từng ứng dụng, song tối thiểu bao
giờ cũng có một module chính là module CPU. Các module còn lại là những
module truyền và nhận tín hiệu với đối tƣợng điều khiển bên ngoài, các module
chức năng chuyên dụng… Chúng đƣợc gọi chung là các module mở rộng.
Các module mở rộng gồm có:
 Module nguồn (PS).
 Module mở rộng cổng tín hiệu vào/ra (SM), gồm có: DI, DO, DI/DO,
AI, AO, AI/AO.
 Module ghép nối (IM).
 Module chức năng điều khiển riêng (FM).
 Module phục vụ truyền thông (CP).
16

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Hình 1.9
M
COIL
VALE
PS CPU

SM:
DI
SM:
DO
FM
SM:
AI
SM:
AO
IM CP

Hình 1.8: Cấu trúc của PLC S7- 300
1.4.1. Module nguồn PS307 của S7-300 (Hình 1.9)
Module PS307 có nhiệm vụ chuyển đổi nguồn xoay chiều
120/230V thành nguồn một chiều 24V để cung cấp cho các
module khác của PLC. Ngoài ra còn có nhiệm vụ cung cấp
nguồn cho các cảm biến và các cơ cấu tác động có công suất
nhỏ.
Module nguồn thƣờng đƣợc lắp đặt bên trái hoặc phía
dƣới của CPU tùy theo cách lắp đặt theo bề ngang hoặc theo
chiều dọc.
Module nguồn PS307 có 3 loại: 2 A, 5A và 10 A.
Mặt trƣớc của module nguồn gồm có:
 Một đèn Led báo hiệu trạng thái điện áp ra 24 V.
 Một công tắc dùng để bật / tắt điện áp ra.
 Một nút dùng để chọn điện áp đầu vào là 120 VAC hoặc 230VAC.
- Mặt sau của module gồm có các lỗ dùng để nhận điện áp vào và ra.
17

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Hình 1.11
Hình 1.10
1.4.2. Khối xử lí trung tâm (CPU Hình 1.10)
Module CPU là loại module có chứa bộ vi xử lý, hệ
điều hành, bộ nhớ, các bộ định thời, bộ đếm và cổng truyền
thông (RS485)… và có thể có một vài cổng vào/ra số. Các
cổng vào ra số này đƣợc gọi là cổng vào ra onboard.
Trong họ PLC S7-300 các module CPU đƣợc đặt tên
theo bộ vi xử lí có trong nó, nhƣ : module CPU312, module
CPU314, module CPU315,…
Ngoài ra còn có các module đƣợc tích hợp sẵn cũng nhƣ
các khối hàm đặt trong thƣ viện của hệ điều hành phục vụ cho việc sử dụng các
cổng vào /ra onboard, đƣợc phân biệt bằng cụm chữ cái IFM (Intergrated Function
Module). Ví dụ module CPU312 IFM, module CPU314 IFM… Bên cạnh đó còn có
loại CPU với hai cổng truyền thông, trong đó cổng thứ hai có chức năng chính là
phục vụ nối mạng phân tán và kèm theo phần mềm tiện dụng tích hợp sẵn trong hệ
điều hành. Các loại module CPU này đƣợc phân biệt bằng cách thêm cụm từ DP
(Distributed port) trong tên gọi. Ví dụ: module CPU315-2DP, module CPU316-
2DP.
1.4.3. Module mở rộng cổng tín hiệu (Hình 1.11)
- Digital Input Module: Module mở rộng các cổng vào số, có nhiệm vụ nhận
các tín hiệu số từ các thiết bị ngoại vi vào vùng đệm để xử lí, gồm có các module
sau:
 SM 321 DI16xAC120 V
 SM 321 DI16xDC24 V
 SM 321 DI16x24VDC, interrupt
 SM 321 DI8xAC120/230V
 SM 321 DI32xDC24V,…

18

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Hình 1.12
Hình 1.13
Digital Output Module: Module mở rộng các cổng ra số, có nhiệm vụ xuất các
tín hiệu từ vùng đệm xử lý ra thiết bị ngoại vi, một số loại module ra số:
 SM 322 DO16xAC120V/0.5A
 SM 322 DO16xDC24V/0.5A
 SM 322 DO 8xAC120/230V/1A, …
1.4.4. Module ghép nối (Interface module-IM: Hình 1.12)
- Là loại module chuyên dụng có nhiệm vụ
ghép nối từng nhóm module mở rộng lại với
nhau thành một khối và đƣợc quản lý chung
bởi một module CPU. Một module CPU S7-
300 có thể làm việc trực tiếp với nhiều nhất 4
racks và các racks này phải đƣợc nối với nhau
bằng module IM. Module IM gồm có các
loại:
 IM 360 , IM 361, IM 365
1.4.5. Module mềm PID (Hình 1.13)
Trong phần mềm Step7 cung cấp các module mềm
PID để điều khiển các đối tƣợng có mô hình liên tục nhƣ
lò, động cơ, mức … Đầu ra của đối tƣợng đƣợc đƣa vào
đầu vào của bộ điều khiển thông qua các cổng vào tƣơng
tự của module tƣơng tự của S7-300. Tín hiệu ra của bộ
điều khiển có nhiều dạng và đƣợc đƣa đến các cơ cấu
chấp hành qua các module vào ra khác nhau nhƣ hình 13

 Qua cổng ra tƣơng tự của module ra tƣơng tự (AO)
 Qua cổng ra số của module ra số (DO)
 Qua các cổng phát ra xung tốc độ cao.
19

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Phụ thuộc vào cơ cấu chấp hành, ngƣời sử dụng có thể chọn đƣợc module
mềm PID tƣơng thích. Ba module đƣợc tích hợp trong phần mềm Step7 phù hợp với
ba kiểu cơ cấu chấp hành sau:
1) Điều khiển liên tục với module mềm FB41 (tên hình thức CONT_C)
2) Điều khiển bƣớc với module mềm FB42 (tên hình thức CONT_S)
3) Điều khiển kiểu phát xung với khối hàm hổ trợ FB43 (tên hình thức
PULSEGEN)
Mỗi module mềm PID đều có một khối dữ liệu riêng (DB) để lƣu trữ các dữ liệu để
phục vụ cho chu trình tính toán thực hiện luật điều khiển. Các khối hàm FB của
module mềm PID đều cập nhật đƣợc những khối dữ liệu này ở mọi thời điểm.
Module mềm FB ―PULSEGEN‖ đƣợc sử dụng kết hợp với module mềm FB
―CONT_C‖ nhằm tạo ra bộ điều khiển có tín hiệu ra dạng xung tốc độ cao thích ứng
với cơ cấu chấp hành kiểu tỷ lệ.
Mộ t bộ điề u khiể n PID mề m đƣợ c hoà n thiệ n thông qua cá c khố i hà m FB nhiề u
chƣ́ c năng tạ o ra tí nh linh hoạ t cao trong thiế t kế . Ngƣờ i sƣ̉ dụ ng có thể chọ n chƣ́ c
năng nà y hoặ c loạ i bỏ cá c chƣ́ c năng không cầ n c ho mộ t hệ thố ng . Các chức năng
cơ bả n khá c nhƣ xƣ̉ lý tí n hiệ u chủ đạ o tín hiệu quá trình và tính toán các biến khác
cùng với bộ điều khiển theo luật điều khiển PID cũng đƣợc tích hợp sẵn trong một
module điề u khiể n mề m.
1.4.6. Module mờ (Fuzzy hình 1.13)
Trong PLC S7 300 cung cấp module fuzzy để điều khiển các đối tƣợng có mô hình
phi tuyế n cầ n độ chí nh xá c cao nhƣ : robot, độ ng cơ trong cá c dây chuyề n sả n xuấ t

công nghiệ p… Đầu ra của đối tƣợng đƣợc đƣa vào đầu vào của bộ điều khiển thông
qua các cổng vào tƣơng tự của module tƣơng tự của S7-300. Tín hiệu ra của bộ điều
khiển có nhiều dạng và đƣợc đƣa đến các cơ cấu chấp hành qua các module vào ra
khác nhau nhƣ:
 Qua cổng vào tƣơng tự của module mờ (FUZZY_AI)
20

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


 Qua cổng ra tƣơng tự của module mờ (FUZZY_AO)
Trong module Fuzzy đƣợ c thiế t kế giao tiế p vớ i PLC S3- 300 có 8 ngõ vào vớ i bả y
ngôn ngƣ̃ hợ p thà nh, 4 ngõ ra vớ i chí n ngôn ngƣ̃ hợ p thà nh nhƣ hì nh 1.14.

Hình 1.14 Module Fuzzy giao tiế p vớ i PLC S7-300
Trong hình 1-14 sử dụng một ứng dụng mờ trong một hệ thống điều khiển
đóng hoặc mở vòng lặp sẽ đƣợc hiển thị ở dạng sơ đồ mạch. Cấu trúc này với việc
sử dụng tối đa bằng các yếu tố đầu vào và đầu ra sẵn cho chúng ta cái nhìn tổng
quan về các cấu hình củ a module fuzzy . Cấu hình một ứng dụng mờ có thể đƣợc
chia thành ba bƣớc:
- Xác định các biế n đầu vào và đầu ra
- Xác định giá trị ngôn ngữ
- Thiết lập các luậ t mờ
Tấ t cả cá c bƣớ c đƣợ c thƣ̣ c hiệ n trên phầ n mề m Fuzzy con trol. Bằ ng việ c xá c đị nh
các biến vào ra ta có thể tạ o ra mộ t mả ng đa chiề u vò ng lặ p trong hệ thố ng điề u
khiể n cá c đố i tƣợ ng phi tuyế n vớ i độ chí nh xá c khá cao.
21

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Bảng 1.1: Thông số củ a module mờ
Block name
FUZZY FB 30
FUZZY_AI FC 30
FUZZY_AO FC 31
Family
FUZZYCON
FUZZYCON
FUZZYCON
Block length at
runtime
1024 bytes
370 bytes
344 bytes


Block length in
memory
1226 bytes
510 bytes
478 bytes
Call length
–


Instance data
block or shared
data block
DB_FUZZY

Family
FUZZYCON


Block length at
runtime
2126 bytes


Block length in
memory
2248 bytes








1.5. Tập lệnh của S7-300
TT
Tên lệnh
Mô tả
1
+ n
Cộng các số đƣợc viết ở điểm n
2

- n
Nội dung của RLO hiện hành đƣợc gán cho đối tƣợng n
22

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


3
)
Dùng để đóng ngoặc biểu thức đã mỡ ngoặc trƣớc đó, lệnh
này không có đối tƣợng
4
+AR1 n
Cộng nội dung của ACCUI hoặc nội dung tại con trỏ n với
nội dung có địa chỉ ở thanh ghi 1
5
+AR2 n
Cộng nội dung của ACCUI hoặc nội dung tại con trỏ n với
nội dung có địa chỉ ở thanh ghi 2
6
+ D
Cộng hai số nguyên 32 bit ở ACCU1 và ACCU2, kết quả để
ở ACCU1.
7
- D
Trừ số nguyên 32 bit ở ACCU2 cho số nguyên 32 bit ở
ACCU1 kết quả để ở ACCU1
8
* D
Nhân hai số nguyên 32 bit ở ACCU1 và ACCU2, kết quả để

ở ACCU1

9
/D
Chia số nguyên 32 bit ở ACCU2 cho số nguyên 32 bit ở
ACCU1 kết quả để ở ACCU1
10
▪▪ D
So sánh hai số nguyên 32 bit ở ACCU1 và ACCU2 có bằng
nhau không
11
<> D
So sánh hai số nguyên 32 bit ở ACCU1 và ACCU2 có khác
nhau không
12
> D
So sánh số nguyên 32 bit ở ACCU2 có lớn hơn số nguyên
32 bit ở ACCU1 không
13
<D
So sánh số nguyên 32 bit ở ACCU2 có nhỏ hơn số nguyên