tóm tắt 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

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 1 Chuyên ngành: Tự động hóa
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


CBHDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi - HVTH: Nguyễn Văn Sum
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
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

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 2 Chuyên ngành: Tự động hóa
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


CBHDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi - HVTH: Nguyễn Văn Sum
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP
*****
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 3 Chuyên ngành: Tự động hóa
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 như đã nêu trong phần tài liệu
tham khảo.
Tác giả luận văn
Nguyễn Văn Sum


CBHDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi - HVTH: Nguyễn Văn Sum

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 4 Chuyên ngành: Tự động hóa
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN 3
MỤC LỤC 4
DANH MỤC CÁC BẢNG 7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 7
MỞ ĐẦU 12
CHƯƠNG 1 15
TỔNG QUAN VỀ PLC S7-300 15
1.1. Lịch sử phát triển của PLC 15
1.2. Phân loại 17
1.3. Giới thiệu các ngôn ngữ lập trình 17
1.4. Cấu trúc phần cứng PLC S7-300 20
1.4.2. Khối xử lí trung tâm (CPU Hình 1.10) 21
1.4.5. Module mềm PID (Hình 1.13) 23
1.4.6. Module mờ (Fuzzy hình 1.14) 24
1.5. Tập lệnh của S7-300 26
1.6. Phạm vi ứng dụng và các ưu nhược điểm 28
1.6.1. Phạm vi ứng dụng 28
1.6.2. Ưu nhược điểm 28
1.7. Kết luận Chương 1 29
CHƯƠNG 2 29
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 29
2.1. Lịch sử phát triển 29
2.2. Điều khiển mờ 30
2.2.1. Sơ đồ khối của hệ điều khiển mờ 30
2.2.1.1.Khối mờ hoá 31
2.2.1.2.Khối hợp thành (Inference Mechanism) 32
2.2.1.3.Khối luật mờ (Rule-base) 32
2.2.1.4.Khối giải mờ (Defuzzifier) 32
2.2.2. Phân loại điều khiển mờ 34
2. 3. Điều khiển mờ nâng cao 37
2.3.1. Hệ điều khiển thích nghi mờ 37

CBHDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi - HVTH: Nguyễn Văn Sum

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 5 Chuyên ngành: Tự động hóa
Hệ điều khiển thích nghi mờ là hệ điều khiển thích nghi được xây dựng
trên cơ sở của hệ mờ 37
2.3.2. Hệ điều khiển mờ lai PID 38
2.3.2.1. Bộ điều khiển mờ lai kinh điển 39
2.3.2.2. Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID 40
2.4. Kết luận Chương 2 42
CHƯƠNG 3 43
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN TAY
MÁY HAI BẬC TỰ DO 43
3.1. Khái quát 43
3.2. Xây dựng phương trình động học cánh tay robot 2 bậc tự do 44
3.2.1. Khái quát 44
3.2.2. Vấn đề điều khiển cánh tay Robot 45
3.2.3. Động học của cánh tay Robot 2DOF 46
3.2.3.1. Động học thuận 47
3.2.3.2. Động học ngược 47
3.2.3.3. Động lực học cánh tay robot 2DOF 48
3.3. Tổng hợp hệ điều khiển PID cho cánh tay robot hai bậc tự do 49
3.3.1. Thuật toán điều khiển tỉ lệ (P) có phản hồi tốc độ và điều khiển PD
50
3.3.2. Thuật toán điều khiển PD có bù gia tốc trọng trường 51
3.3.3. Thuật toán điều khiển PID 51
3.3.4. Nhận xét chung 52
3.4. Tổng hợp bộ điều khiển vị trí PID cho động cơ điện một chiều 53
3.4.1. Các thông số ban đầu 54
3.4.1.1. Động cơ điện một chiều 54
3.4.1.2. Bộ chỉnh lưu 58

3.4.1.3. Biến dòng 59
3.4.1.4. Máy phát tốc 59
3.4.1.5. Cảm biến vị trí 59
3.4.2. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng (RI) 59
3.4.3. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ () 62
3.4.4. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh vị trí () 65


CBHDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi - HVTH: Nguyễn Văn Sum

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 6 Chuyên ngành: Tự động hóa
3.5. Tính phi tuyến của bộ điều khiển vị trí 68
3.6. Xây dựng hệ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID để
điều chỉnh cánh tay Robot 2DOF 69
3.6.1. Đặt vấn đề 69
3.6.2. Tổng hợp mô hình bộ điều khiển mờ chỉnh định bộ tham số PID .70
3.6.2.1. Biến ngôn ngữ và miền giá trị của nó 71
3.6.2.2. Xác định hàm liên thuộc (membership function) 73
3.6.2.3. Xây dựng các luật điều khiển 77
3.6.2.4. Luật hợp thành 80
3.7. Kết quả mô hình hóa, mô phỏng 81
3.7.1. Hệ thống điều khiển tay máy sử dụng bộ điều khiển PID 81
3.7.1.1. Mô hình simulink của hệ thống 81
3.7.1.2. Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển tay máy hai bậc tự do
dùng PID 83
(Với trường hợp khối lượng tải Mt=0; moment quán tính tải Jt=0)
83
3.7.2. Hệ thống điều khiển tay máy sử dụng hệ điều khiển mờ chỉnh định
thông số bộ PID 90
3.7.2.1. Mô hình simulink hệ thống bộ điều khiển mờ (Fuzzy logic) 90

91
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).(Với trường hợp khối lượng tải
Mt=0; moment quán tính tải Jt=0) 93
3.8. So sánh quỹ đạo giữa PID và chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID
99
3.8.1. Trường hợp Mt = 0kg, Jt=0 kg.m2 99
3.8.1.1. Sai lệch quỹ đạo tay máy 99
3.8.1.2. Sai lệch góc quay hai khớp của tay máy 100
3.8.1.3. Sai lệch tốc độ góc quay hai khớp của tay máy 102
3.8.2. Trường hợp Mt = 1kg, Jt=0,5 kg.m2 103
3.8.2.1. Sai lệch quỹ đạo tay máy 103
3.8.2.2. Sai lệch góc quay hai khớp của tay máy 103
3.8.2.3. Sai lệch tốc độ góc quay hai khớp của tay máy 105
3.9. Kết luận Chương 3 106


CBHDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi - HVTH: Nguyễn Văn Sum

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 7 Chuyên ngành: Tự động hóa
CHƯƠNG 4 108
TÍCH HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀO PLC S7 300 108
4.1. Phương pháp tích hợp bộ điều khiển mờ vào PLC S7 300 108
4.1.1. Chương trình phần mềm tích hợp FCPA 108
4.1.1.1. Chuẩn bị một Project khai báo bộ điều khiển mờ bằng FCPA
108
4.1.1.2. Khai báo các biến vào ra và viết chương trình 108
4.2. Tiến hành tích hợp bộ điều khiển mờ vào PLC 115
4.2.1. Sử dụng DB mờ với FB30 (Fuzzy control) 115
4.2.2. Thanh ghi báo trạng thái làm việc của FB30 116

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 117
1.KẾT LUẬN 117
2.KIẾN NGHỊ 118
TÀI LIỆU THAM KHẢO 118
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Thông số của module mờ 25
Bảng 3.1: Dịch chuyển theo quĩ đạo và theo điểm đến điểm của cánh tay robot
45
Bảng 3.2: Thông số vật lý của cánh tay robot 2DOF 46
Bảng 3.3: Các thông số của động cơ điện một chiều 55
Bảng 3.4: Luật điều khiển Hesokp 77
Bảng 3.5: Luật điều khiển Hesokd 77
Bảng 3.6: Luật điều khiển xây dựng bằng MATLAB 77
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Sơ đồ khối của PLC 16
Hình 1.2: Hệ thống điều khiển sử dụng PLC 16
Hình.1.3 17
Hình 1.4 18
Hình 1.5 18


CBHDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi - HVTH: Nguyễn Văn Sum

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 8 Chuyên ngành: Tự động hóa
Hình 1.6 19
Hình 1.7: Ngôn ngữ được phát triển từ ngôn ngữ GRAPH 19
Hình 1.8: Cấu trúc của PLC S7- 300 21
Hình 1.13 23
Hình 1.14 Module Fuzzy giao tiếp với PLC S7-300 25
Hình 2.1: Sơ đồ khối bộ điều khiển mờ 31

Hình 2.2: Sơ đồ xác định trung bình tâm 34
Hình 2.3: Các bộ điều khiển mờ 34
Hình 2.3a, b: Hệ điều khiển mờ theo luật PI 35
Hình 2.4: Hệ điều khiển mờ theo luật PD 36
36
Hình 2.5: Hệ điều khiển mờ theo luật PID 36
Hình 2.6: Cấu trúc phương pháp điều khiển thích nghi trực tiếp 37
Hình 2.9: Mô hình bộ điều khiển mờ lai kinh điển 40
Hình 2.10: Phương pháp chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID 41
Hình 2.11: Bên trong bộ chỉnh định mờ 42
Hình 3.1: Sơ đồ minh hoạ cánh tay robot n khâu 44
Hình 3.2: Sơ đồ cánh tay robot 2DOF 46
Hình 3.4: Điều khiển tỉ lệ (P) có phản hồi tốc độ 50
Hình 3.5: Điều khiển PD 51
Hình 3.6: Điều khiển PD có bù gia tốc trọng trường 51
Hình 3.7: Sơ đồ cấu trúc điều khiển PID 52
Hình 3.8: Cấu trúc robot + các hệ dẫn động 52
Hình 3.9: Sơ đồ của DCM làm bộ dẫn động cho robot 53
Hình 3.10: Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập 55
Hình 3.11: Cấu trúc của động cơ điện một chiều khi từ thông không đổi 57
Hình 3.12: Sơ đồ khối mạch chỉnh lưu có điều khiển 58
Hình 3.19 : Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí 67
Hình 3.20: Quan hệ giữa ∆ϕ và ω 69
Hình 3.21: Sơ đồ bộ điều khiển mờ 70
Hình 3.22: Cấu trúc bộ chỉnh định mờ khớp 1 71
Hình 3.23: Cấu trúc bộ chỉnh định mờ khớp 2 71


CBHDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi - HVTH: Nguyễn Văn Sum

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 9 Chuyên ngành: Tự động hóa
Hình 3.24: Mô hình rời rạc hóa hàm liên thuộc trapmf của biến et, det 73
Hình 3.25: Mô hình hàm liên thuộc trapmf của biến Hesokp , Hesokd 73
Hình 3.26: Xác định tập mờ cho biến vào et 74
Hình 3.27: Xác định tập mờ cho biến vào det 74
Hình 3.28: Xác định tập mờ cho biến ra Hesokp 75
Hình 3.29: Xác định tập mờ cho biến ra Hesokd 75
76
Hình 3.30: Luật hợp thành đối với tín hiệu vào ra trên mặt phẳng 76
76
Hình 3.31: Luật hợp thành đối với tín hiệu vào ra trên hình khối 76
Hình 3.33: Mô hình khối điều khiển dòng điện và tốc độ động cơ 1 82
Hình 3.34: Mô hình khối điều khiển dòng điện và tốc độ động cơ 2 82
Hình 3.35: Mô hình khối HT1 và HT2
82
Hình 3.36: Mô hình khâu phản hồi vị trí 1 và 2 83
Hình 3.37: Mô hình tay máy 2DOF 83
Hình 3.38: Đồ thị quỹ đạo đặt và quỹ đạo thực của tay máy dùng PID 84
84
Hình 3.39: Đồ thị sai lệch quỹ đạo dùng PID 84
85
Hình 3.40: Đồ thị sai lệch quỹ đạo góc đặt và góc ra của khớp 1 dùng PID 85
85
Hình 3.41: Đồ thị sai lệch góc của khớp 1 dùng PID 86
86
Hình 3.42: Đồ thị sai lệch tốc độ góc của khớp 1 dùng PID 86
Hình 3.43: Đồ thị tốc độ động cơ 1 dùng PID 86
87
Hình 3.44: Đồ thị moment khớp 1 dùng PID 87
87

Hình 3.45: Đồ thị sai lệch quỹ đạo góc đặt và góc ra của khớp 2 dùng PID 87
88
Hình 3.46: Đồ thị sai lệch góc của khớp 2 dùng PID 88


CBHDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi - HVTH: Nguyễn Văn Sum

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 10 Chuyên ngành: Tự động hóa
88
Hình 3.47: Đồ thị sai lệch tốc độ góc của khớp 2 dùng PID 88
89
Hình 3.48: Đồ thị tốc độ động cơ 2 dùng PID 89
89
Hình 3.49: Đồ thị moment khớp 2 dùng PID 89
Hình 3.51: Mô hình bộ điều khiển 1 91
Hình 3.52: Mô hình bộ điều khiển 2 91
Hình 3.53: Kết quả mô phỏng bằng RuleWiewer FLC1, FLC2 92
Hình 3.54: Bảng các luật điều khiển FLC1, FLC2 92
Hình 3.55: Luật hợp thành của FLC1, FLC2 với tín hiệu vào ra trên hình khối
92
93
Hình 3.56: Đồ thị quỹ đạo đặt và quỹ đạo thực của tay máy dùng Fuzzy 93
93
Hình 3.57: Đồ thị sai lệch quỹ đạo dùng Fuzzy 93
94
Hình 3.58: Đồ thị sai lệch quỹ đạo góc đặt và góc ra của khớp 1 dùng Fuzzy. .94
94
Hình 3.59: Đồ thị sai lệch góc của khớp 1 dùng Fuzzy 94
95
Hình 3.60: Đồ thị sai lệch tốc độ góc của khớp 1 dùng Fuzzy 95

95
Hình 3.61: Đồ thị tốc độ động cơ 1 dùng Fuzzy 95
96
Hình 3.62: Đồ thị moment khớp 1 dùng Fuzzy 96
96
Hình 3.63: Đồ thị sai lệch quỹ đạo góc đặt và góc ra của khớp 2dùng Fuzzy 96
97
Hình 3.64: Đồ thị sai lệch góc của khớp 2 dùng Fuzzy 97
97
Hình 3.65: Đồ thị sai lệch tốc độ góc của khớp 2 dùng Fuzzy 97


CBHDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi - HVTH: Nguyễn Văn Sum

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 11 Chuyên ngành: Tự động hóa
98
Hình 3.66: Đồ thị tốc độ động cơ 2 dùng Fuzzy 98
98
Hình 3.67: Đồ thị moment khớp 2 dùng Fuzzy 98
Hình 3.68: Sai lệch quỹ đạo dùng PID và Fuzzy 99
Hình 3.69: Đồ thị góc quay khớp 1 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy 100
100
Hình 3.70: Đồ thị góc quay khớp 2 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy 100
101
Hình 3.71: Đồ thị sai lệch góc quay khớp 1 giữa PID và Fuzzy 101
101
Hình 3.72: Đồ thị sai lệch góc quay khớp 2 giữa PID và Fuzzy 101
Hình 3.73: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khớp 1 giữa PID và Fuzzy 102
102
Hình 3.74: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khớp 2 giữa PID và Fuzzy 102

Hình 3.75: Sai lệch quỹ đạo dùng PID và Fuzzy 103
Hình 3.76: Đồ thị góc quay khớp 1 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy 103
Hình 3.77: Đồ thị góc quay khớp 2 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy 104
104
Hình 3.78: Đồ thị sai lệch góc quay khớp 1 giữa PID và Fuzzy 104
105
Hình 3.79: Đồ thị sai lệch góc quay khớp 2 giữa PID và Fuzzy 105
Hình 3.80: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khớp 1 giữa PID và Fuzzy 105
Hình 3.81: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khớp 2 giữa PID và Fuzzy 106
Hình 4.1: Chọn biến ngôn ngữ vào/ ra 109
Hình 4.2: Cửa sổ soạn thảo biến ngôn ngữ vào/ ra và luật hợp thành 109
110
Hình 4.3: Cửa sổ soạn thảo các hàm liên thuộc của đầu vào et1 110
111
Hình 4.4: Cửa sổ soạn thảo các hàm liên thuộc của đầu vào det1 111
111
Hình 4.5: Cửa sổ soạn thảo các hàm liên thuộc của đầu ra HesoKP1 111


CBHDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi - HVTH: Nguyễn Văn Sum

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 12 Chuyên ngành: Tự động hóa
112
Hình 4.6: Cửa sổ soạn thảo các hàm liên thuộc của đầu ra HesoKD1 112
112
Hình 4.7: Màn hình soạn thảo luật điều khiển 112
113
Hình 4.8: Bảng ma trận luật điều khiển của hệ số KP1 113
113
Hình 4.9: Bảng ma trận luật điều khiển của hệ số KD1 113

114
Hình 4.10: Quan hệ vào/ra của bộ điều khiển mờ dạng hình khối (HesoKP1)
114
114
Hình 4.11: Quan hệ vào/ra của bộ điều khiển mờ dạng hình khối (HesoKD1)
114
Hình 4.12: Kết nối các khối trong Simatic đến module mờ (Fuzzy module) 115
MỞ ĐẦU


CBHDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi - HVTH: Nguyễn Văn Sum

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 13 Chuyên ngành: Tự động hóa
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 bước tiến rất lớn, nhiều công trình
khoa học, các sản phẩm được ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu của con người như: máy
rút tiền tự động (ATM), thiết bị nhận dạng vân tay, robot giúp việc nhà, người máy
Asimo có khả năng giao tiếp giống như người và chỉ huy dàn nhạc…
Các cơ cấu tay máy 2 bậc tự do được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, như
hệ thống quay ra đa, điều chỉnh tầm và hướng pháo cao xạ, tên lửa; Điều chỉnh
hướng 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 lượng, 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 tư, nâng cao
chất lượng 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 lường, cảm biến, các bộ điều khiển và đặc biệt
là phương pháp điều khiển có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng điều khiển bám
chính xác quỹ đạo của hệ.
Trong thời gian của khóa học cao học, chuyên ngành Tự Động Hóa tại trường Đại
Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên, được sự giúp đỡ của nhà trường và thầy
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 được chia thành 4 chương:
CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU PLC S7-300


CBHDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi - HVTH: Nguyễn Văn Sum

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 14 Chuyên ngành: Tự động hóa
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH PID ĐỂ ĐIỀU
KHIỂN TAY MÁY HAI BẬC TỰ DO
CHƯƠNG 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
người đã hướng dẫn tận tình và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ này.
Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô ở Khoa Điện, khoa sau Đại học, Ban
Giám Hiệu – Trường 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 được sự góp ý của quý thầy và các độc giả để bản
luận văn hoàn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày 10 tháng 09 năm 2010

Người thực hiện
Nguyễn Văn Sum


CBHDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi - HVTH: Nguyễn Văn Sum

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 15 Chuyên ngành: Tự động hóa
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ PLC S7-300
1.1. Lịch sử phát triển của PLC
- Bộ điều khiển lập trình PLC (Programmable Logic Controller) được sáng tạo
ra từ ý tưởng ban đầu của một nhóm kỹ sư 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
lượng 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 thước giảm, có thể lập
trình bằng biểu tượng 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 được cung cấp từ thập niên 80 đã được 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 như: 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 như: Simatic S7 có S7-200,


CBHDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi - HVTH: Nguyễn Văn Sum

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 16 Chuyên ngành: Tự động hóa
S7-300, S7-400… Trong đó mỗi loại S7 có nhiều loại CPU khác nhau như S7-300
có CPU 312, CPU 314, CPU 316, CPU 315-2DP, CPU 614…
- Để có thể thực hiện được một chương trình điều khiển, tất nhiên PLC phải có
tính năng như một máy tính, nghĩa là nó phải có một bộ vi xứ lý (CPU), một hệ điều
hành, bộ nhớ để lưu trữ chương trình điều khiển, dữ liệu và các cổng vào/ra để giao
tiếp với các dối tượng điều khiển và trao đổi thông tin với môi trường xung quanh.
Hình 1.1: Sơ đồ khối của PLC
Hình 1.2: Hệ thống điều khiển sử dụng PLC


CBHDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi - HVTH: Nguyễn Văn Sum

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 17 Chuyên ngành: Tự động hóa
1.2. Phân loại
PLC được phân loại theo 2 cách sau:
 Hãng sản xuất: Gồm các nhãn hiệu như 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 thường có nhiều ngôn ngữ lập trình nhằm phục vụ
các đối tượng 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 người quen thiết kế mạch logic.
 Ngôn ngữ “liệt kê lệnh”, ký hiệu STL (Statement List).


CBHDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi - HVTH: Nguyễn Văn Sum

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 18 Chuyên ngành: Tự động hóa
Hình 1.4
Đây là ngôn ngữ lập trình thông thường của máy tính. Một chường trình được
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”.
 Ngôn ngữ “ hình khối”, ký hiệu là FBD (Function Block Diagram).
Hình 1.5
Đây là ngôn ngữ đồ họa thích hợp với người quen thiết kế mạch điều khiển số.


CBHDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi - HVTH: Nguyễn Văn Sum

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 19 Chuyên ngành: Tự động hóa
 Ngôn ngữ GRAPH
Đây là ngôn ngữ lập trình cấp cao dạng đồ họa. Cấu trúc chương trình rỏ
ràng, chương trình ngắn gọn. Thích hợp với người trong ngành cơ khí vốn quen với
giản đồ Grafcet của khí nén.

Hình 1.6
 Ngôn ngữ High GRAPH
Hình 1.7: Ngôn ngữ được phát triển từ ngôn ngữ GRAPH


CBHDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi - HVTH: Nguyễn Văn Sum

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 20 Chuyên ngành: Tự động hóa
1.4. Cấu trúc phần cứng PLC S7-300
PLC S7-300 được 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 được 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 tượng điều khiển bên ngoài, các module
chức năng chuyên dụng… Chúng được 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).
M
COIL
VALE
PS CPU
SM:
DI
SM:

DO
FM
SM:
AI
SM:
AO
IM CP


CBHDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi - HVTH: Nguyễn Văn Sum
Hình 1.9
Hình 1.10

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 21 Chuyên ngành: Tự động hóa
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 thường được lắp đặt bên trái hoặc phía
dưới 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 trước 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.

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 được gọi là cổng vào ra onboard.
Trong họ PLC S7-300 các module CPU được đặt tên
theo bộ vi xử lí có trong nó, như : module CPU312, module
CPU314, module CPU315,…


CBHDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi - HVTH: Nguyễn Văn Sum
Hình 1.11

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 22 Chuyên ngành: Tự động hóa
Ngoài ra còn có các module được tích hợp sẵn cũng như các khối hàm đặt
trong thư viện của hệ điều hành phục vụ cho việc sử dụng các cổng vào /ra onboard,
được 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 được 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,…
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)


CBHDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi - HVTH: Nguyễn Văn Sum
Hình 1.12
Hình 1.13

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 23 Chuyên ngành: Tự động hóa
- Là loại module chuyên dụng có nhiệm vụ
ghép nối từng nhóm module mở rộng lại với
nhau thành một khối và được 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 được 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 tượng có mô hình liên tục như
lò, động cơ, mức … Đầu ra của đối tượng được đưa vào
đầu vào của bộ điều khiển thông qua các cổng vào tương
tự của module tương tự của S7-300. Tín hiệu ra của bộ
điều khiển có nhiều dạng và được đưa đến các cơ cấu chấp
hành qua các module vào ra khác nhau như hình 13

• Qua cổng ra tương tự của module ra tương tự (AO)
• Qua cổng ra số của module ra số (DO)
• Qua các cổng phát ra xung tốc độ cao.
Phụ thuộc vào cơ cấu chấp hành, người sử dụng có thể chọn được module
mềm PID tương thích. Ba module được 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 bước 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)


CBHDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi - HVTH: Nguyễn Văn Sum

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 24 Chuyên ngành: Tự động hóa
Mỗi module mềm PID đều có một khối dữ liệu riêng (DB) để lưu 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 được những khối dữ liệu này ở mọi thời điểm.
Module mềm FB “PULSEGEN” được 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.
Một bộ điều khiển PID mềm được hoàn thiện thông qua các khối hàm FB nhiều
chức năng tạo ra tính linh hoạt cao trong thiết kế. Người sử dụng có thể chọn chức
năng này hoặc loại bỏ các chức năng không cần cho một hệ thống. Các chức năng
cơ bản khác như xử lý tín hiệu chủ đạo tín hiệu quá trình và tính toán các biến khác
cùng với bộ điều khiển theo luật điều khiển PID cũng được tích hợp sẵn trong một
module điều khiển mềm.
1.4.6. Module mờ (Fuzzy hình 1.14)
Trong PLC S7 300 cung cấp module fuzzy để điều khiển các đối tượng có mô hình
phi tuyến cần độ chính xác cao như: robot, động cơ trong các dây chuyền sản xuất

công nghiệp… Đầu ra của đối tượng được đưa vào đầu vào của bộ điều khiển thông
qua các cổng vào tương tự của module tương tự của S7-300. Tín hiệu ra của bộ điều
khiển có nhiều dạng và được đưa đến các cơ cấu chấp hành qua các module vào ra
khác nhau như:
• Qua cổng vào tương tự của module mờ (FUZZY_AI)
• Qua cổng ra tương tự của module mờ (FUZZY_AO)
Trong module Fuzzy được thiết kế giao tiếp với PLC S3- 300 có 8 ngõ vào với bảy
ngôn ngữ hợp thành, 4 ngõ ra với chín ngôn ngữ hợp thành như hình 1.14.


CBHDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi - HVTH: Nguyễn Văn Sum

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 25 Chuyên ngành: Tự động hóa
Hình 1.14 Module Fuzzy giao tiếp với 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 được 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 của module fuzzy. Cấu hình một ứng dụng mờ có thể được
chia thành ba bước:
- Xác định các biến đầu vào và đầu ra
- Xác định giá trị ngôn ngữ
- Thiết lập các luật mờ
Tất cả các bước được thực hiện trên phần mềm Fuzzy control. Bằng việc xác định
các biến vào ra ta có thể tạo ra một mảng đa chiều vòng lặp trong hệ thống điều
khiển các đối tượng phi tuyến với độ chính xác khá cao.
Bảng 1.1: Thông số của module mờ


CBHDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi - HVTH: Nguyễn Văn Sum