Điều khiển và giám sát nhiệt độ sử dụng hệ thống SCADA của hãng SIEMENS

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ SỬ DỤNG HỆ
THỐNG SCADA CỦA HÃNG SIEMENS
NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
MÃ SỐ:

NGUYỄN ĐỨC THẢO
Người hướng dẫn khoa học: TS. PHAN DUY HÙNG

HÀ NỘI 2009


Luận văn thạc sỹ

Học viên: Nguyễn Đức Thảo

MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Mục lục
Danh mục các chữ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
LỜI MỞ ĐẦU

1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

2

1.1- ĐO NHIỆT ĐỘ

2

1.1.1- Cơ sở chung và các phương pháp đo nhiệt độ

2

1.1.2- Phương pháp đo tiếp xúc

2

1.2.3- Phương pháp đo không tiếp xúc

6

1.2- ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ

9

1.2.1- Phương pháp điều khiển ON/OFF

11

1.2.2- Điều khiển tỷ lệ (P)

12

1.2.3- Điều khiển tích phân (I) – Tích phân tỷ lệ (PI)

13

1.2.4. Điều khiển vi phân(D) – Vi phân tỷ lệ (PD)

14

1.2.5. Điều khiển Vi phân – Tích phân – Tỷ lệ (PID)

15

1.3- MỘT SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TRONG THỰC TẾ

17

CHƯƠNG 2: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN PID

18

2.1- ĐIỀU KHIỂN BẰNG KHÂU VI TÍCH PHÂN TỶ LỆ PID

18

2.2- ĐIỀU KHIỂN PID SỐ

18

2.3- THIẾT KẾ PID SỐ

20

Ngành Điều khiển và tự động hóa


Luận văn thạc sỹ

Học viên: Nguyễn Đức Thảo

2.4- PID TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ

21

2.4.1- Cấu trúc hệ thống điều khiển nhiệt độ thay cảm biến nhiệt
bằng biến trở

21

2.4.2- Cấu trúc hệ thống điều khiển nhiệt độ đo nhiệt độ bằng cảm
biến nhiệt

22

2.4.3- Các phương pháp điều khiển nhiệt độ

22

CHƯƠNG 3: BỘ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC

25

3.1- ĐẶC ĐIỂM BỘ LOGIC KHẢ TRÌNH (PLC

25

PROGRAMMALBE LOGIC - CONTROL
3.2- CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA PLC

25

3.2.1- PLC hay PC

26

3.2.2- So sánh PLC với hệ thống điều khiển trước

26

3.3- TỔNG QUAN VỀ HỆ PLC S7-200 CỦA HÃNG SIEMENS

27

3.3.1- Cấu trúc phần cứng của S7-200

27

3.3.2- Cấu trúc bộ nhớ của S7-200

30

3.3.3- Mở rộng cổng vào/ra

33

3.3.4- Lập trình S7-200

33

3.4- THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN PID TRONG S7-200

38

CHƯƠNG 4: PHẦN MỀN WINCC VER 6.0 CỦA SIEMENS

44

4.1- TỔNG QUAN VỀ WINCC

44

4.2- CẤU HÌNH WINCC VER 6.0

45

4.2.1- Single – User Project

45

4.2.2- Multi – User Project

45

4.2.3- Multi – Client Project

46

4.3- WINCC EXPLORER TRONG WINCC

47

4.3.1- Chức năng của WinCC explorer

47

Ngành Điều khiển và tự động hóa


Luận văn thạc sỹ

Học viên: Nguyễn Đức Thảo

4.3.2- Các thành phần cơ bản trong một Project của Wincc

48

4.3.3- Tag và Tag Group

51

4.4- MỘT SỐ TRÌNH SOẠN THẢO VÀ ĐỐI TƯỢNG CHUẨN
CỦA WINCC

51

4.4.1- Thiết kế đồ họa của Wincc (Graphic Disgner)

51

4.4.2- Hệ thống ghi chép và lưu trữ (Tag Logging)

52

4.4.3- Trình tự soạn thảo Report

52

4.4.4- Trình soạn thảo Alarm Logging

53

4.4.5- Trình soạn thảo Global Script

55

4.4.6- Trình soạn thảo Text Labrary

55

CHƯƠNG 5: CÀI ĐẶT BÀI TOÁN THỰC TẾ

57

5.1- CẤU TRÚC HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG

57

5.1.1- Sơ đồ khối kết nối hệ thống

57

5.1.2- Nguyên lý hoạt động của hệ thống

57

5.2- GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ, THÔNG SỐ VÀ CÔNG SUẤT

57

5.2.1- Bộ điều khiển lập trình PLC S7-200

57

5.2.2- Biến tần 3G3JV của Omron

60

5.2.3- Cảm biến nhiệt Pt-100

63

5.3- CHƯƠNG TRÌNH PLC

64

5.3.1- Nhóm lệnh điều khiển hệ thống

64

5.3.2- Nhóm lệnh xử lý tín hiệu vào

65

5.3.3- Nhóm lệnh xử lý tín hiệu ra

67

5.3.4- Nhóm lệnh điều khiển biến tần

68

5.4- GIÁO DIỆN WINCC

69

5.5- MÔ HÌNH THỰC TẾ

71

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

72

TÀI LIỆU THAM KHẢO

73

Ngành Điều khiển và tự động hóa


Luận văn thạc sỹ

-1-

Học viên: Nguyễn Đức Thảo

LỜI MỞ ĐẦU
Các hệ thống điều khiển giám sát ở các nhà máy hiện tại ở các mức độ
khác nhau cũng chính là những mô hình mạng truyền thông công nghiệp.
Phần lớn các hệ thống lớn được chuyển giao từ nước ngoài, việc khai thác,
sửa đổi và bảo trì rất tốn kém và bị động.
Để làm chủ trong việc thiết kế và khai thác các hệ thống mới ở mức độ
nhỏ và vừa là trong tầm khả năng của các kĩ sư Việt Nam.
Đề tài này là một tìm hiểu về lý thuyết và mô hình một hệ thống nhỏ
với các tính năng để có thể mở rộng đáp ứng yêu cầu thực tế với tiêu đề:
“Điều khiển và giám sát nhiệt độ sử dụng hệ thống SCADA của hãng
Siemens”.

Nội dung đề tài yêu cầu tìm hiểu những phương pháp cơ bản đo nhiệt
độ, các phương pháp điều khiển nhiệt độ, thực hiện cụ thể trên PLC S7-200
và hệ thống SCADA của Siemens.
Cuối cùng một mô hình hệ thống điều khiển nhiệt độ trong dải đặt
trước và giám sát mô hình trên giao diện máy tính được thực hiện.
Với mục đích như vậy, luận văn được tổ chức thành các nội dụng sau:
Mở đầu
Chương 1: Giới thiệu
Chương 2: Giới thiệu về điều khiển PID
Chương 3: Bộ điều khiển lập trình PLC
Chương 4: Lập trình WinCC
Chương 5: Cài đặt thực tế bài toán
Kết luận và hướng phát triển
Tài liệu tham khảo.

Ngành Điều khiển và tự động hóa


Luận văn thạc sỹ

-2-

Học viên: Nguyễn Đức Thảo

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
Đo lường và điều khiển nhiệt độ có rất nhiều các ứng dụng trong thực
tế : lò sấy, ấp trứng, đảm bảo nhiệt độ trong quá trình ươm giống cây trồng...
Vấn đề bao gồm 2 phần: đo nhiệt độ và điều khiển nhiệt độ:
1.1. Đo nhiệt độ
1.1.1. Các cơ sở chung và các phương pháp đo nhiệt độ.

Nhiệt độ là một trong những thông số quan trọng nhất ảnh hưởng đến
đặc tính của vật chất nên trong các quá trình kỹ thuật cũng như trong đời sống
hàng ngày rất hay gặp yêu cầu đo nhiệt độ. Ngày nay hầu hết các quá trình
sản xuất công nghiệp, các nhà máy đều có yêu cầu đo nhiệt độ.
Tùy theo nhiệt độ đo có thể dùng các phương pháp khác nhau, thường
các phương pháp dựa vào dải nhiệt độ cần đo. Thông thường nhiệt độ đo được
chia thành ba dải: nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình và nhiệt độ cao.
Ở nhiệt độ trung bình và thấp: phương pháp thường đo là phương pháp
tiếp xúc nghĩa là các chuyển đổi được đặt trực tiếp ở ngay môi trường cần đo.
Đối với nhiệt độ cao đo bằng phương pháp không tiếp xúc, dụng cụ đặt ở
ngoài môi trường đo.
1.1.2. Phương pháp đo tiếp xúc.
Phương pháp đo tiếp xúc là phương pháp đo thực hiện bằng cách đặt
dụng cụ đo tiếp xúc trực tiếp hoặc trong môi trường vật cần đo nhiệt độ.
Đối với môi trường khí và nước: Nhiệt kế được đặt theo hướng ngược
lại với dòng chảy.
Với vật rắn khí: Đặt nhiệt kế sát vào vật, nhiệt lượng sẽ truyền từ vật
sang chuyển đổi và dễ gây tổn hao vật, nhất là với vật dẫn nhiệt kém. Do vậy
diện tích tiếp xúc giữa vật và nhiệt kế càng lớn càng tốt.
Khi đo nhiệt độ của các chất ở dạng hạt (cát, đất...): cần phải cắm sâu
nhiệt kế vào môi trường cần đo và thường dùng nhiệt điện trở có cáp nối ra
ngoài.

Ngành Điều khiển và tự động hóa


Luận văn thạc sỹ

-3-

Học viên: Nguyễn Đức Thảo

Phương pháp đo nhiệt độ trong công nghiệp thường được sử dụng là
các nhiệt kế tiếp xúc. Có hai loại nhiệt kế tiếp xúc:
- Nhiệt kế nhiệt điện trở
- Nhiệt kế nhiệt ngẫu
a. Nhiệt kế nhiệt điện trở (Resistance Thermometer):
Nhiệt kế nhiệt điện trở có thể tạo thành dây platin, đồng, niken, bán
dẫn... quấn trên một lõi cách điện đặt trong vỏ kim loại có đầu được nối ra
ngoài. Nhiệt kế nhiệt điện trở có thể dùng mạch đo bất kỳ để đo điện trở
nhưng thông thường được dùng mạch cầu không cân bằng, chỉ thị là
lôgômmét từ điện hoặc cầu tự động cân bằng, trong đó một nhánh là nhiệt
điện trở.

Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý của nhiệt kế điện trở sử dụng mạch cầu không
cân bằng, chỉ thị là cơ cấu lôgômmét từ điện.
Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý của nhiệt kế nhiệt điện trở sử dụng mạch cầu
không cân bằng, chỉ thị là cơ cấu lôgômmét từ điện với sơ đồ này có khả năng
loại trừ được sai số do điện áp nguồn cung cấp thay đổi.
Ba nhánh của mạch cầu R1, R2 và R3 là các

điện trở làm bằng

manganin. Nhánh thứ tư là điện trở nhiệt Rt, bốn nhánh điện trở được mắc

Ngành Điều khiển và tự động hóa


Luận văn thạc sỹ

-4-

Học viên: Nguyễn Đức Thảo

theo sơ đồ mạch cầu ba dây. Trong sơ đồ, điện trở R4 dùng để chỉnh không
của thang đo (chỉnh cho cầu cân bằng trước khi bắt đầu đo).
Điện trở Rp dùng bù với điện trở đường dây để đạt giá trị khắc độ (5Ω
hoặc 15Ω) rt là điện trở bù nhiệt độ cho cơ cấu lôgômmét. Khi hiệu chỉnh Rp
người ta sử dụng điện trở RK (có giá trị bằng điện trở của nhiệt điện trở). RK
được mắc vào nhánh cầu sau đó điều chỉnh điện trở Rp cho đến khi kim chỉ
của lôgômmét dừng ở vị trí xác định trên thang thì dừng lại, RK được ngắn
mạch khi đo.
Nếu chọn R1 = R3, R0 = R0' = R (điện trở của khung dây lôgômmét) thì
tỉ số dòng điện chạy trong cuộn dây lôgômmét được xác định bằng công thức:
I tb1
=
I tb 2

Với:

R+

R1
∆R
.R + R1 + ' T ( R + R1 + R4 )
R2
RT
R
∆R
R + 1 .R + R1 − ' T .R4

R2
RT

(1.1)

∆RT - Sự thay đổi điện trở của nhiệt điện trở khi nhiệt độ lệch

khỏi giá trị trung bình.
RT’ = R0 + Rp + RTtb

(1.2)

RTtb: điện trở của nhiệt điện trở với giá trị nhiệt độ trung bình đo được
bằng dụng cụ.
Từ phương trình trên thấy rằng tỉ số dòng điện phụ thuộc vào ∆RT và
lôgômmét chỉ giá trị nhiệt độ cần đo.
Trong các ngành công nghiệp hiện nay để đo nhiệt độ bằng nhiệt điện
trở người ta thực hiện trên mạch cầu tự động tự ghi. Phương pháp này có thể
đo nhiệt độ tại một điểm hoặc một số điểm nhờ cơ cấu chuyển mạch.
b. Nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu (Thermocouples):
Phương pháp đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt ngẫu là một trong những
phương pháp phổ biến và thuận lợi nhất.
Cấu tạo của nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu như hình 1.2:

Ngành Điều khiển và tự động hóa


Luận văn thạc sỹ

-5-

Học viên: Nguyễn Đức Thảo

Hình 1.2. Cấu tạo của nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu gồm hai
dây hàn với nhau ở điểm 1 và luồn vào ống 2 để có thể đo được nhiệt độ cao.
Với nhiệt độ thấp hơn, vỏ nhiệt kế có thể làm bằng thép không rỉ. Để cách
điện giữa hai dây, một trong hai dây được lồng vào ống sứ nhỏ 3. Nếu vỏ làm
bằng kim loại cả hai dây đều đặt vào ống sứ.
Đầu ra của cặp nhiệt ngẫu được nối vào hộp đầu nối 4. Mạch đo của
nhiết kế nhiệt ngẫu là miliVônmét hoặc điện thế kế điện trở nhỏ có giới hạn
đo từ 0 ÷ 100mV. Nếu đo sức điện động nhiệt điện bằng miliVônmét sẽ gây
sai số do nhiệt độ của mạch đo thay đổi. Dòng điện chạy qua chỉ thị lúc đó là :
I=

E
RT + Rd + Rdc

(1.3)

Trong đó: E - Sức điện động; RT - điện trở cặp nhiệt ngẫu
Rd - điện trở đường dây; Rdc - điện trở của miliVônmét
Điện áp rơi trên miliVônmét là:
Ngành Điều khiển và tự động hóa


Luận văn thạc sỹ

-6-

Học viên: Nguyễn Đức Thảo

U = E − ( Rd + RT )
= E.

Rdc
RT + Rd + Rdc

(1.4)

Thường Rd + RT được hiệu chỉnh khoảng 5Ω, còn điện trở của
miliVônmét lớn hơn nhiều lần (40 ÷50) lần. Vì vậy sai số chủ yếu do điện trở
của milivônmét Rdc thay đổi.
Đo sức điện động bằng điện thế kế sẽ loại trừ được sai số trên do dòng
điện tiêu thụ bằng không khi tiến hành phép đo.
1.1.3. Phương pháp đo không tiếp xúc.
Phương pháp đo tiếp xúc là phương pháp đo thực hiện bằng cách đặt
nhiệt kế không tiếp xúc trực tiếp với vật cần hoặc ngoài môi trường cần đo
nhiệt độ.
Phương pháp hỏa quang kế
Đây là phương pháp dựa trên định luật bức xạ của vật đen tuyệt đối,
tức là vật hấp thụ năng lượng theo mọi hướng với khả năng lớn nhất. Bức xạ
nhiệt của mọi vật thể có thể đặc trưng bằng một mật độ phổ Eλ nghĩa là số
năng lượng bức xạ trong một đơn vị thời gian với một đơn vị diện tích của vật
và xảy ra trên một đơn vị của độ dài sóng.
Quan hệ giữa mật độ phổ bức xạ của vật đen tuyệt đối với nhiệt độ và
độ dài sóng được biểu diễn bằng công thức:
E λ = C1 .λ (e
0

−5

c2
( λT )

− 1) −1

(1.5)

Với: C1, C2 - hằng số; λ - độ dài sóng;
T - nhiệt độ tuyệt đối; C1 = 37,03.10-17 Jm2/s
C2 = 1,432.10-2 m.độ
Đường cong Eλ0 = f(λ) với các nhiệt độ khác nhau biểu diễn trên hình
1.3.

Ngành Điều khiển và tự động hóa


Luận văn thạc sỹ

-7-

Học viên: Nguyễn Đức Thảo

Tùy theo đại lượng vào ta gọi dụng cụ đo theo phương pháp trên bằng
tên gọi khác nhau như: hoả quang kế phát xạ, hoả quang kế cường độ sáng và
hoả quang kế màu sắc.

Hình 1.3: Đường cong Eλ0 = f(λ) với các nhiệt độ khác nhau
Hoả quang kế phát xạ:

Cấu tạo của hoả quang kế phát xạ bao gồm ống kim loại mỏng 1, phía
cuối gắn gương lõm 3:

Hình 1.4. Cấu tạo của hoả quang kế phát xạ

Ngành Điều khiển và tự động hóa


Luận văn thạc sỹ

-8-

Học viên: Nguyễn Đức Thảo

Nguyên lý làm việc: Chùm tia phát xạ được gương lõm phản xạ hội tụ
trên nhiệt điện trở 2 và đốt nóng nó. Để tránh các tia phản xạ từ thành ống bên
trong và nhiệt điện trở người ta gia công thêm những đường rãnh 5. Nhiệt
điện trở được đặt trong hộp chắn 4.
Để bảo vệ mặt trong của hoả quang kế phải sạch, phía đầu ống được
gắn tấm kính thuỷ tinh hữu cơ trong suốt 6.
Nhiệt điện trở được mắc vào một nhánh cầu tự cân bằng cung cấp từ
nguồn điện xoay chiều tần số 50Hz.
Nhược điểm của tất cả các loại hoả quang kế phát xạ là đối tượng đo
không phải là vật đen tuyệt đối do đó trong vật nóng có sự phát xạ nội tại và
dòng phát xạ nhiệt đi qua bề mặt. Nhiệt độ của đối tượng đo khi dùng hoả
quang kế phát xạ Tt bao giờ cũng nhỏ hơn nhiệt độ lý thuyết tính toán TP. Ví
dụ đối với thép sự khác nhau giữa TP và Tt đạt đến 1,7 0C.
Hoả quang kế cường độ sáng
Cấu tạo của hoả quang kế cường độ sáng có bộ chắn quang học:

Hình 1.5. Cấu tạo của hỏa quang kế cường độ sáng có bộ chắn quang học
Nguyên lý làm việc của hoả quang kế cường độ sáng là so sánh cường
độ sáng của đối tượng đo nhiệt độ với cường độ sáng của nguồn sáng chuẩn
trong dải phổ hẹp. Nguồn sáng chuẩn là một bóng đèn sợi đốt vonfram sau
khi đã được già hoá trong khoảng 100 giờ với nhiệt độ 20000C. Sự phát sáng

Ngành Điều khiển và tự động hóa


Luận văn thạc sỹ

-9-

Học viên: Nguyễn Đức Thảo

của đèn đã ổn định nếu sử dụng ở nhiệt độ từ 14000C ÷ 15000C. Cường độ
sáng có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi dòng đốt hoặc dùng bộ lọc ánh
sáng.
Trong trường hợp thay đổi dòng đốt, thang đo không đều ở cường độ
sáng của sợi đốt tỉ lệ bậc năm với dòng đốt.
Nếu thay đổi cường độ sáng bằng tấm chắn quang học hình cầu thì góc
quay của nó tỉ lệ với cường độ sáng cần điều chỉnh.
1.2. Điều khiển nhiệt độ
Điều khiển nhiệt độ chỉ là một lĩnh vực nhỏ bé trong điều khiển tự
động, và cũng đã có nhiều công trình có hiệu quả cao như các lò nung trong
công nghiệp, các lò nướng dân dụng, … đòi hỏi phải điều khiển sao cho nhiệt
độ bằng hoặc xấp xỉ nhiệt độ đặt để đáp ứng các điều kiện mà nhu cầu sản
xuất đặt ra.
Kỹ thuật điều khiển phát triển kéo theo sự tiến triển của các phương
pháp điều khiển và sự ra đời của các bộ điều khiển nhiệt độ. Tùy vào đối

tượng và yêu cầu thực tế mà người ta lựa chọn ra các phương pháp điều khiển
và các bộ điều khiển thích hợp. Hầu hết các phương pháp điều khiển và các
bộ điều khiển được thiết kế và chế tạo đều dựa vào độ sai lệch của giá trị đặt
và giá trị đo được để đưa ra quyết định điều khiển.
Bộ điều khiển nhiệt độ (Temperature Controller) là một thiết bị đo
lường được sử dụng để điều khiển nhiệt độ của một đối tượng tới giá trị mong
muốn.
Có 3 phương pháp điều khiển nhiệt độ thường dùng:
+ Điều khiển dựa trên sự giãn nở của thanh lưỡng kim
+ Điều khiển dựa trên sự giãn nở của chất lỏng.
+ Điều khiển bằng bộ điều khiển điện tử.

Ngành Điều khiển và tự động hóa


Luận văn thạc sỹ

- 10 -

Học viên: Nguyễn Đức Thảo

Tuy nhiên với 2 phương pháp đầu tiên cho kết quả chính xác không
cao, giá thành rẻ, dễ chế tạo thường được ứng dụng trong thiết bị dân dụng
nhiều hơn. Ví dụ: Bàn là, tủ lạnh, …
Với phương pháp thứ 3 (bằng bộ điều khiển điện tử) tuy giá thành cao
nhưng có độ chính xác cao, hỗ trợ nhiều đầu vào, đầu ra, được ứng dụng
nhiều trong công nghiệp.

Hình 1.6: Mô hình điều khiển nhiệt độ băng bộ điều khiển điện tử
Bộ điều khiển nhiệt dùng để điều khiển nhiều đối tượng nhiệt độ khác

nhau, mỗi đối tượng lại có một đặc điểm nhất định do công nghệ yêu cầu, do
đó bộ điều khiển nhiệt độ cũng có nhiều phương pháp để đáp ứng yêu cầu đó.
Dưới đây là những phương pháp mà bộ điều khiển nhiệt độ thường dùng:

Ngành Điều khiển và tự động hóa


Luận văn thạc sỹ

- 11 -

Học viên: Nguyễn Đức Thảo

- Phương pháp điều khiển ON/OFF
- Phương pháp điều khiển tác động P (Proportional – Tỷ lệ)
- Phương pháp điều khiển tác động PI (Proportional Integral - Tỷ lệ tích
phân)
- Phương pháp điều khiển tác động PD (Proportional Derivative - Tỷ lệ
vi phân)
- Phương pháp điều khiển tác động PID (Tỷ lệ-Tích phân-Vi phân)
1.2.1. Phương pháp điều khiển ON/OFF
Đây là phương pháp điều khiển có dạng đơn giản nhất, những bộ điều
khiển dùng phương pháp này có giá thành khá rẻ, được ứng dụng cho những
đối tượng không yêu cầu cao về chất lượng điều khiển. Đặc tính điều khiển
được mô tả như hình 1.7:

Hình 1.7: Đặc tính điều khiển của phương pháp điều khiển ON/OFF
Nếu giá trị phản hồi thấp hơn giá trị đặt thì đầu ra bộ điều khiển sẽ
được đưa lên mức ON, còn nếu giá trị đưa về cao hơn giá trị đặt thì đầu ra sẽ
là OFF. Đầu ra sẽ luôn ON/OFF và dựa theo giá trị đặt để nhiệt độ điều khiển

không đổi. Khi đó công suất cấp cho sợi đốt cũng chỉ có 2 giá trị (nghĩa là
100% hoặc 0%). Cho nên bộ điều khiển tác động ON/OFF còn gọi là bộ điều
khiển tác động 2 vị trí.

Ngành Điều khiển và tự động hóa


Luận văn thạc sỹ

- 12 -

Học viên: Nguyễn Đức Thảo

1.2.2. Điều khiển tỷ lệ (P)
Với điều khiển tỷ lệ, phần tử điều khiển sẽ đưa ra giá trị đầu ra tỷ lệ với
giá trị đầu vào. Nói một cách khác, giá trị đầu ra quan hệ tuyến tính với giá trị
đầu vào. Vậy giá trị đầu vào sẽ thay đổi trong một khoảng nào đó để giá trị
đầu ra thay đổi từ 0% đến 100%, khoảng đó gọi là dải tỷ lệ (proportional
band), và giá trị đặt (SV) nằm trong dải tỷ lệ đó.

Hình 1.8: Đặc tính điều khiển của phương pháp điều khiển tỷ lệ
Trong lý thuyết nếu như nói đến điều chỉnh tỷ lệ là nói đến hệ số tỷ lệ
K, nhưng trong thực tế hầu hết các hệ thống người ta không sử dụng hệ số tỷ
lệ K mà dùng khái niệm dải tỷ lệ. Công thức thể hiện mối liên hệ giữa K và
dải tỉ lệ (%P) là: K = 100/(%P)
Khi hoạt động, giá trị đầu vào thấp hơn và nằm ngoài dải tỷ lệ, đầu ra
điều khiển sẽ được ON 100%. Nếu giá trị đầu vào nằm trong dải tỷ lệ, đầu ra
điều khiển sẽ tăng hoặc giảm từ từ tuyến tính với độ sai lệch đầu vào. Nếu độ
sai lệch bằng 0 (đầu vào = SV) thì đầu ra điều khiển sẽ ON 50%. Nếu giá trị
đầu vào cao hơn và nằm ngoài dải tỷ lệ, đầu ra sẽ OFF (ứng với giá trị 0%).

Ngành Điều khiển và tự động hóa


Luận văn thạc sỹ

- 13 -

Học viên: Nguyễn Đức Thảo

. Vậy độ rộng dải tỷ lệ: PB = (400oC – 0oc)*5% = 20oC. Do đó nếu
nhiệt độ phản hồi thấp hơn 90oC thì đầu ra sẽ ON (100%), nhiệt độ phản hồi
cao hơn 110oC đầu ra sẽ OFF hoàn toàn(0%), còn nhiệt độ phản hồi nằm
trong dải tỷ lệ thì đầu ra điều khiển sẽ ON/OFF theo chu kỳ.
1.2.3. Điều khiển tích phân (I) – Tích phân tỷ lệ (PI).
Nếu như phương pháp điều chỉnh tỷ lệ để lại một độ sai lệch (offset)
sau điều chỉnh là rất lớn. Thì điều chỉnh tích phân (Integral Control) là
phương pháp tạo ra tín hiệu điều chỉnh sao cho độ sai lệch giảm tới 0. Do đó
điều chỉnh tích phân còn gọi là điều chỉnh lập lại ( reset control action) với bộ
điều chỉnh tích phân đầu ra bộ điều khiển luôn trễ một khoảng thời gian tỷ lệ
với sai lệch hiện tại. Khoảng thời gian đó được gọi là thời gian tích phân, ký
hiệu Ti:

Trong đó:

e: là độ sai lệch (e = PV-SV)
Ti: là thời gian tích phân

Ngành Điều khiển và tự động hóa

Luận văn thạc sỹ

- 14 -

Học viên: Nguyễn Đức Thảo

Hình 1.9: Đặc tính điều khiển của phương pháp tích phân (I) –
Tích phân tỷ lệ (PI)
Khoảng thời gian tích phân Ti này cũng phụ thuộc vào giá trị sai lệch
trước đó. Nếu như sai lệch trước đó quá lớn sẽ gây ra hiện tượng bão hòa tích
phân (reset windup) – nội dung này sẽ được trình bày chi tiết ở phần sau.
Tuy nhiên điều chỉnh tích phân chỉ được nghiên cứu trên lý thuyết,
trong thực tế không dùng độc lập mà được kết hợp với điều chỉnh tỷ lệ để loại
bỏ sai lệch(offset) của điều chỉnh tỷ lệ.
Bộ điều khiển được kết hợp như vậy gọi là bộ điều khiển tỷ lệ - tích
phân (PI – proportional integral controller).
1.2.4. Điều khiển vi phân(D) – Vi phân tỷ lệ (PD)
Đầu ra bộ điều khiển vi phân D tỷ lệ với tốc độ thay đổi của giá trị đo
hoặc sai lệch. Một số nhà sản xuất còn sử dụng thuật ngữ tốc độ (rate) hoặc
tác động trước (pre-act) để thay cho tác động vi phân (derivative action).
Việc điều khiển đầu ra được tính theo sự thay đổi của các sai lệch với thời
gian:

Trong đó:

Td – Thời gian vi phân

Ngành Điều khiển và tự động hóa

Luận văn thạc sỹ

- 15 -

Học viên: Nguyễn Đức Thảo

Hình 1.10: Đặc tính điều khiển của phương pháp Vi phân (D) –
Vi phân tỷ lệ (PD)
Nếu như với bộ điều khiển P cho kết quả luôn tồn tại một sai lệch tĩnh,
bộ điều khiển PI khắc phục được sai lệch tĩnh nhưng lại làm chậm tốc độ đáp
ứng của hệ thống. Thì với bộ điều khiển vi phân PD, đặc điểm nối bật là có
tính phản ứng nhanh với tốc độ thay đổi của đầu vào, sẽ phần nào làm tăng
thêm tốc độ đáp ứng cho hệ thống.
Tuy nhiên, các nhiễu tác động lên hệ thống thông thường có dạng tín
hiệu “ồn trắng” và đặc điểm của nhiễu này là sự tác động nhanh và bất kỳ.
Khi một tín hiệu dạng ồn trắng tác động vào một hệ thống được tích hợp khâu
vi phân, đáp ứng của hệ thống có thể rất nhanh và gây ra độ quá điều chỉnh
lớn, phá hủy kết cấu của cả hệ thống. Do vậy, người dùng cần rất cẩn thận khi
sử dụng các khâu điều khiển vi phân trong hệ thống.
1.2.5. Điều khiển Vi phân – Tích phân – Tỷ lệ (PID)
Bộ điều khiển PID gồm sự kếp hợp của 3 khâu điều khiển tỷ lệ (P), tích
phân(I) và vi phân(D) nên nhược điểm của khâu này trong điều khiển được ưu
điểm của khâu kia khắc phục. Vì vậy nhiệt độ luôn được giữ ổn định bằng
phẳng bởi khâu tỷ lệ, khâu tích phân tự động hiệu chỉnh độ sai lệch (offset)

Ngành Điều khiển và tự động hóa


Luận văn thạc sỹ

- 16 -

Học viên: Nguyễn Đức Thảo

của khâu tỷ lệ, đồng thời khâu vi phân giúp bộ điều khiển PID phản ứng
nhanh với nhiễu ngoài.
Có thể nói bộ điều khiển PID cho chất lượng điều khiển tốt nhất, đáp
ứng được những công nghệ đòi hỏi độ chính xác và ổn định cao, điều đó cũng
đồng nghĩa giá thành của bộ điều khiển PID là khá cao. Nhưng lý do khó
khăn chính khi sử dụng bộ điều khiển PID là chọn bộ 3 tham số P, I, D rất
phức tạp. Do đó đòi hỏi người sử dụng phải có kiến thức và kinh nghiệm
trong vấn đề điều khiển đối tượng.

Hình 1.11: Đặc tính điều khiển của phương pháp điều khiển PID

Ngành Điều khiển và tự động hóa


Luận văn thạc sỹ

- 17 -

Học viên: Nguyễn Đức Thảo

1.3. Một số bộ điều khiển nhiệt độ trong thực tế.
* Tính năng kỹ thuật:
- Lắp bảng KT: 48x48
- Điều khiển: Profile, PID, ON/OFF
- Lập trình được 160 bước

- Chức năng điều khiển nóng, lạnh
- Truyền thông RS-485 (Modbus)
Bộ điều khiển nhiệt độ
Profile (Bậc thang):
Temp Controler

- Nguồn điện: 150~270VAC hoặc 24VDC/AC
- Ngõ ra: rơ le, 4~20mA, 0~10V, SSR
* Tính năng kỹ thuật:
- Kích thước : 48x96 (mm)
- Đầu vào đa dạng
- Kiểu điều khiển: PID hoặc ON/OFF Auto-tune
- Chức năng Ramp Soak
- Có chức năng điều khiển nóng / lạnh / cảnh báo
- Điện áp nguồn:85-270 VAC/DC hoặc

Bộ điều khiển nhiệt độ
PID 110

24VAC/DC ( Lựa chọn)
- Ngõ ra điều khiển: Relay,4-20mA, 0-10V,
* Tính năng kỹ thuật:
- Kích thước : 48x48 (mm)
- Đầu vào đa dạng
- Kiểu điều khiển: PID hoặc ON/OFF , tự động
dò tìm thông số PID
- Hai điểm Setpoints

Bộ điều khiển nhiệt độ
PID 500

- Ngõ ra điều khiển: Relay,SSR

Ngành Điều khiển và tự động hóa


Luận văn thạc sỹ

- 18 -

Học viên: Nguyễn Đức Thảo

CHƯƠNG 2: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN PID
2.1. Điều khiển bằng khâu vi tích phân tỷ lệ PID
Khâu hiệu chỉnh vi tích phân tỉ lệ (PID) kết hợp những ưu điểm của
khâu PI và PD, có khả năng tăng độ dự trữ pha ở tần số cắt, khử chậm pha. Sự
có mặt PID ở vòng hồi tiếp có thể dẫn đến sự dao động trong hệ thống điều
khiển. Các bộ hiệu chỉnh PID được ứng dụng nhiều trong công nghiệp dưới
dạng thiết bị điều khiển hay thuật toán phần mềm. Hàm truyền của bộ PID có
dạng:
G ( s ) = K P + K d .s +

KI
s

(2.1)

Với các giá trị KP ,KD, KI là các hằng số thực.
Phương trình vi tích phân mô tả sự tương quan giữa tín hiệu ra u(t) với
tín hiệu e(t) của bộ điều khiển PID là :

u (t ) = K P .e(t ) + K D .

de(t )
+ K I . ∫ e(t ).dt
dt

(2.2)

Trong đó, e(t) là sai lệch trong hệ thống e(t) = r(t) – c(t). Với r(t) và c(t)
là tín hiệu vào và đáp ứng ra của hệ thống.
Vấn đề thiết kế là cần xác định giá trị KP, KI, KD sao cho thoả mãn các
yêu cầu về chất lượng.
2.2. Phương pháp điều khiển PID số.
Quá trình phân tích tín hiệu rời rạc
Trước tiên, tín hiệu của chúng ta là loại một chuổi xung, không phải là
một hàm liên tục theo thời gian. Vì vậy, ta thu nhận thông số của tín hiệu
bằng phương pháp lượng tử hoá. Phương pháp lượng tử hoá theo thời gian là
phương pháp dùng cho tín hiệu có biên độ liên tục, thời gian rời rạc. Hệ thống
xử lý tín hiệu loại này được gọi là hệ thống rời rạc, ví dụ như mạch tạo xung,
điều chế xung… Nếu phép lượng tử hoá được tiến hành theo cả biên độ và
thời gian thì kết quả nhận được là tín hiệu số. Trong hệ thống số, thông số
điều khiển-biên độ của các xung chỉ xuất hiện tại các điểm rời rạc cách đều
Ngành Điều khiển và tự động hóa


Luận văn thạc sỹ

- 19 -

Học viên: Nguyễn Đức Thảo

nhau đúng bằng chu kỳ lấy mẩu của tín hiệu. Việc ổn định hệ thống càng trở
nên phức tạp hơn so với hệ thống liên tục. Do đó, đòi hỏi kỹ thuật phân tích
và thiết kế đặt biệt.
Hệ thống điều khiển số được dùng ứng dụng nhiều và đa dạng do đưa
máy tính số vào trong hệ thống điều khiển, sự cải tiến về giá cả và độ tin cậy
vào máy tính số.
Digital
Computer

Khâu điều
khiển G1(s)

D/A

Khâu điều
khiển G2(s)

A/D
Hình 2.1: Hệ thống điều khiển số
Trong phần này, chúng ta sẽ phát triển những khái niệm về phân tích và
thiết kế hệ thống liên tục cho hệ thống điều khiển số. Chúng ta sẽ tập trung
vào hệ thống điều khiển số, trong đó máy tính số được nối đến các khâu điều
khiển và các hệ thống được điều khiển bởi các bộ biến đổi A/D, D/A. Hệ
thống này được minh hoạ ở hình 2.1. Như vậy, hệ thống bao gồm 2 loại tín
hiệu : tín hiệu rời rạc [r(nT), e(nT), b(nT)] và tín hiệu tương tự [u(t), m(t),
c(t)] và được định nghĩa là hệ thống dữ liệu được lấy mẫu (Sampled-Data
System).
Có thể mô tả hoạt động lấy mẩu tốt nhất bằng cách xét một hàm liên
tục e(t). Giả sử hàm này có thể lấy mẩu tại các thời điểm cách đều nhau một

khoảng thời gian là T, như vậy có thể mô tả hàm đã được lấy mẩu bởi một
chuổi các số sau:
e(0), e(T), e(2T)…e(nT)
Chuổi này cho phép mô tả có giới hạn hàm e(t) nhất là giá trị của e(t)
tại các thời điểm 0, T, 2T, …, nT. Giá trị của e(t) tại các thời điểm khác chỉ có
thể được lấy gần đúng bằng phương pháp nội suy.

Ngành Điều khiển và tự động hóa


Luận văn thạc sỹ

- 20 -

Type of Transform

Học viên: Nguyễn Đức Thảo

Example Signal

Fourier Transform
signals that are continious and aperadie
Fourier Series
signals that are continious and periodie
Discrete Time Fourier Transform
signals that are discrete and aperiodie
Discrete Fourier Transform
signals that are discrete and periodie

Trên thực tế, vì khâu điều khiển và hệ thống điều khiển là tương tự, nên

dữ liệu rời rạc sau khi lấy mẫu phải được xây dựng lại thành dạng liên tục
trong suốt thời gian giữa những lần lấy mẫu.
Trong phần sau, sẽ cho chúng ta khái niệm cơ bản và các đặc tính của
hệ thống dữ liệu đã được lấy mẫu, minh hoạ kỹ thuật phân tích và thiết kế hệ
thống. Phân tích độ ổn định của hệ thống, khâu ngoại suy dữ liệu cũng được
đề cập. Để biểu diễn biến số của hệ thống điều khiển, chúng ta sữ dụng
phương pháp biến đổi mới : phương pháp biến đổi z . Việc sử dụng phương
pháp biến đổi Laplace gặp nhiều trở ngại vì chúng ta đang dùng phương trình
sai phân thay cho việc thiết kế các hệ thống điều khiển dữ liệu đã được lấy
mẫu.
2.3. Thiết kế PID số
Ở mục này, ta sẽ phân tích kỹ thuật thiết kế theo phương pháp đáp ứng
tần số, xem xét bộ điều khiển sớm trể pha theo quan điểm khác trước. Bộ điều

Ngành Điều khiển và tự động hóa


Luận văn thạc sỹ

- 21 -

Học viên: Nguyễn Đức Thảo

khiển này được gọi là PID (Proportional Integral Derivative), bộ điều khiển vi
tích phân tỷ lệ.
Hàm truyền của bộ điều khiển vi tích phân tỷ lệ PID cho bởi:
G ( S ) = K P + K D .S +

KI
S

(2.3)

Trong biểu thức này, KP là độ lợi của khâu tỷ lệ, KI là độ lợi của khâu
tích phân còn KD là độ lợi khâu vi phân.
Đầu tiên, xem xét đến bộ điều khiển PI (tính phân tỷ lệ). Hàm truyền
đạt là :
K
K .S + K I
G(S ) = K P + I = P
= KI
S
S

(1 + S

S0

)

(2.4)

S

Với S/S0 = Ki/Kp.
Chú ý rằng đây là bộ lọc trể pha có ưu điểm như mạch điều khiển trễ
pha: tăng độ dự trữ ổn định và giảm sai số xác lập
Tiếp theo, ta xét bộ điều khiển PD, hàm truyền đạt như sau
G ( S ) = K P + K D .S = K P (1 +

S
)
S0

(2.5)

Với S/S0 = Kp/Kd.
Mục đích của bộ điều khiển PD này là cải tiến sự ổn định của hệ thống,
tăng băng thông hệ thống vòng kín để tăng tốc độ đáp ứng. Tác dụng của bộ
điều khiển PD tại tần số cao ngược với tác dụng của bộ PI tại tần số thấp.
2.4. PID trong hệ thống điều khiển nhiệt độ
2.4.1. Cấu trúc hệ thống điều khiển nhiệt độ thay cảm biến nhiệt bằng biến
trở:
Trong sơ đồ này thực hiện thay đổi nhiệt độ bằng cách điều chỉnh biến
trở.

Ngành Điều khiển và tự động hóa