Tổng hợp các hệ thống điều khiển trên cơ sở PID mềm của PLC
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.01 MB, 130 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI
HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
--------------
DƯƠNG HÙNG PHÚ
TỔNG HỢP CÁC HỆ THỐNG ðIỀU KHIỂN
TRÊN CƠ SỞ PID MỀM CỦA PLC
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: ðiện khí hóa SX Nông nghiệp và Nông thôn
Mã số
: 60.52.54
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Mạnh Tường
HÀ NỘI - 2011
LỜI CAM ðOAN
Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các
số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và chưa công bố trong
công trình khoa học nào trước đó.
Tôi xin cam đoan rằng các thông tin trích dẫn trong bản luận văn của
tôi đều được chỉ rõ nguồn gốc.
Tác giả
Dương Hùng Phú
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật
………………………….
i
LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại trường ðại học Nông nghiệp
Hà Nội. Tôi đã hoàn thành luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật với đề tài: “
Tổng hợp các hệ thống điều khiển trên cơ sở PID mềm của PLC”.
Tôi xin chân thành cám ơn PGS. TS. Nguyễn Mạnh Tường đã tận tình
hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn.
Tôi xin chân thành cám ơn Bộ môn ðiện kỹ thuật – Khoa cơ điện, Viện
Sau đại học Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội đã đọc và đóng góp nhiều ý
kiến quý báu để luận văn của tôi được hoàn chỉnh hơn.
Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Ban giám hiệu và lãnh đạo
Trường Cao đẳng nghề Cơ điện Tây Bắc nơi tôi công tác đã tạo mọi điều kiện
thuận lợi nhất để tôi hoàn thành nhiệm vụ học tập và nghiên cứu.
Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến bạn bè đồng nghiệp và gia
đình đã động viên khích lệ để tôi hoàn thành luận văn này.
Hoà Bình , ngày 15 tháng 10 năm 2011
Tác giả
Dương Hùng Phú
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật
………………………….
ii
MỤC LỤC
Lời cam đoan
i
Lời cảm ơn
ii
Mục lục
iii
Danh mục các chữ viết tắt
v
Danh mục bảng
vi
Danh mục hình
vii
CHƯƠNG I NGHIÊN CỨU TỔNG QUÁT PLC
3
1.1
Khái quát về kỹ thuật ñiều khiển
3
1.2
Thiết bị ñiều khiển khả trình (PLC)
5
1.3
Cấu trúc PLC S7-300
6
1.3.1
PLC là gì?
6
1.3.2
Nguyên lý chung và cấu trúc bộ PLC
7
1.3.3
Hệ PLC S7-300
9
1.3.4
Các module của PLC S7-300
9
1.4
Phần mềm STEP-7
11
1.4.1
STEP -7 ñịnh nghĩa và chức năng
11
1.4.2
Bộ chương trình Step7 chuẩn ( STEP7 Standard Package)
12
1.5
Kỹ thuật lập trình
13
1.5.1
Lập trình tuyến tính
13
1.5.2
Lập trình có cấu trúc
15
CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU MODUL MỀM PID
23
2.1
Các khối chức năng ñiều khiển PID trong PLC.
23
2.1.1
Module ñiều khiển liên tục với FB41 “ CONT_C”
24
2.1.2
Modul ñiều khiển bước FB42 “ CONT_S”
33
2.1.3
Khối tạo xung FB43 “ PULSEGEN”
36
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật
………………………….
3
2.2
Hàm chuyển đổi tín hiệu “ SCALE
2.3
Một số chú ý khi sử dụng Module
CHƯ
3.1
ƠNG III XÂY DỰNG HỆ THỐNG
HAI
MẠCH VÒNG TRÊN CƠ SỞ KHỐ
300
Xây dựng hệ thống điều khiển một m
3.1.2
Xây dựng bộ điều khiển ứng dụng k
3.1.2
Xây dựng hệ thống điều khiển sử dụ
3.1.3
Xây dựng hệ thống điều khiển sử dụ
3.2
Xây dựng hệ thống điều khiển hai m
CHƯƠNG IV KHẢO SÁT HỆ THỐNG
55
4.1
Cấu trúc hệ thống
4.2
Phần mềm giám sát WinCC
4.3
Xác định mô tả động học của đối tư
4.4
Khảo sát hệ thống bằng mô phỏng s
4.4.1
Xác định thông số bộ điều khiển
4.4.2
Phương pháp sử dụng Matlab - Sim
4.4.3
Khảo sát hệ thống lò điện trở dùng c
4.5
Khảo sát hệ thống điều khiển thực
4.5.1
Hệ thống điều khiển sử dụng khối F
4.5.2
Hệ thống điều khiển sử dụng khối F
KẾT LUẬN VÀ ðỀ NGHỊ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật
………………………….
4
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
BðK
Bộ điều khiển
ðTðK
ðối tượng điều khiển
HTðK
Hệ thống điều khiển
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật
………………………….
5
DANH MỤC BẢNG
STT
Tên bảng
Trang
1.1
Biến hình thức trong Local block của khối FC
17
2.2
Ví dụ về điều khiển nhiệt độ
40
2.3
Chế độ điều khiển 2 vị trí
43
2.4
Chế độ điều khiển 2 và 3 vị trí trong mạch Manual mode.
44
4.1
Thông số bộ điều khiển theo công thức kinh nghiệm
69
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật
………………………….
6
DANH MỤC HÌNH
STT
Tên hình
Trang
1.1
ðối tượng điều khiển
4
1.2
Hệ thống điều khiển vòng hở
4
1.3
Hệ thống điều khiển vòng kín
5
1.4
Cấu trúc của một PLC
7
1.5
Hệ thốg điều khiển có một PLC
8
1.6
Hệ thống điều khiển phức tạp
9
1.7
SimatiC S7-300 của Siemens
9
1.8
Sơ đồ kết nối các module của S7-300 trên rack
11
1.9
Thực hiện một chương trình tuyến tính
14
1.10
Thực hiện gọi khối FC10
16
1.11
Thực hiện gọi khối FB1 cùng với DB2 từ OB1
19
2.1
Sơ đồ cấu trúc của khối FB41
25
2.2
Giao diện tạo khối DB mới
26
2.3
Gán tham số cho khối FB 41
27
2.4
Khối Dead Band
29
2.5
Sơ đồ cấu trúc khối FB42
35
2.6
Sơ đồ cấu trúc khối FB 43
36
2.7
Nguyên lý tạo xung của FB43
37
2.8
Sơ đồ của khối tạo xung của FB 43
38
2.9
Biểu đồ đặc tính ở chế độ điều khiển 3 vị trí
40
2.10
Biểu đồ đặc tính ở chế độ 3 vị trí không đối xứng
42
2.11
Biểu đồ đặc tính ở chế độ 2 vị trí.
42
2.12
Biểu đồ đặc tính ở chế độ điều khiển 2 vị trí 0 -100%
43
2.13
Dạng LAD của hàm FC 105.
45
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật
………………………….
vii
3.1
Sơ đồ cấu trúc của hệ thống sử dụng khối FB41
47
3.2
Sơ đồ kết nối IC TCA 785
48
3.3
Sơ đồ cấu trúc của hệ thống sử dụng FB41 và FB43
49
3.4
Cấu tạo AQ-R SOLID STATE RELAY
loại AQR20A2 –
ZV10/18VDC
50
3.5
ðồ thị nguyên lý làm việc của AQ-R SOLID STATE RELAY
50
3.6
Sơ đồ cấu trúc của hệ thống sử dụng khối FB42
51
3.7
Sơ đồ cấu trúc của hệ thống sử dụng khối FB42
52
3.8
Sơ đồ cấu trúc của hệ thống hai mạch vòng
53
4.1
Các thiết bị thí nghiệm
55
4.2
Tạo Project mới trong WinCC
56
4.3
ðặt tên cho Project mới và đường dẫn
57
4.4
Chọn trạm SIMATIC S7
57
4.5
Chọn kết nối cáp MPI
58
4.6
Màn hình thiết kế giao diện đồ hoạ
59
4.7
Thiết lập các thuộc tính cho Trend
60
4.8
Nhập “Trend 1”cho nhãn Curves
61
4.9
Chọn các giá trị của process valuArchive
61
4.10
Giao diện bộ điều khiển.
62
4.11
Sơ đồ khối phương pháp thực nghiệm
62
4.12
ðường đặc tính lò nhiệt điện trở
64
4.13
Cấu trúc hệ thống đo CBð: Cảm biến đo; Kð: bộ khuyếch đại.
64
4.14
Mạch động lực cấp nguồn lò điện
65
4.15
Sơ đồ khối cấu trúc của ðTðK
65
4.16
Sơ đồ khối cấu trúc của hệ thống điều chỉnh nhiệt độ là điện trở.
66
4.17
Các quá trình quá độ chuẩn
67
4.18
ðối tượng có tĩnh tự cân bằng
68
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật
………………………….
8
4.19
Vùng nghiệm số của hệ thống có mức độ dao động m
70
4.20
ðường quá độ điều khiển
71
4.21
ðường đẳng trị m
76
4.22
Gọi thư viện Simulink
77
4.23
Tạo cửa sổ làm việc
77
4.24
Mở thư viện của Simulink
78
4.25
Công cụ mô phỏng
78
4.26
Thay đổi thông số mô phỏng
79
4-27
sơ đồ mô phỏng lò điện trở
80
4-28
kết quả mô phỏng đường quả độ lò điện trở
81
4-29
ðường đẳng trị m = 0,51
82
4.30
Sơ đồ mô phỏng trên matlap
83
4.31
Kết quả mô phỏng với Km = 11,37 và Ti = 2188,8s
83
4.32
Kết quả mô phỏng với Km = 12,57 và Ti = 5031s
83
4.33
Kết quả mô phỏng với Km = 13,01 và Ti = 6423s
84
4.34
Kết quả mô phỏng với Km = 13,32 và Ti = 8428s
84
4.35
ðồ thị giám sát với SETVALUE là 400 C; Kp =13,32;
o
Ti =
8428s
4.35
85
ðồ thị giám sát với SETVALUE là 400oC; Kp =13,32;
Ti =
8428s
4.37
85
o
ðồ thị giám sát với SETVALUE là 400 C; Kp =11,37;
Ti =
2188,8s
4.38
86
ðồ thị giám sát với SETVALUE là 400oC; Kp =12,57;
Ti =
5031s
86
o
4.39
ðồ thị giám sát với SETVALUE là 400 C; Kp =12,5; Ti = 3320s
4.40
ðồ thị giám sát với SETVALUE là 400 C; Kp =11,37; Ti =
86
o
2188,8s
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật
………………………….
87
9
4.41
ðồ thị giám sát với SETVALUE là 400oC; Kp = 13,32; Ti =
8428s
4.42
87
o
ðồ thị giám sát với SETVALUE là 400 C; Kp = 12,57; Ti =
5031s
4.43
88
o
ðồ thị giám sát với SETVALUE là 400 C; Kp = 13,01; Ti =
6423s
4.44
88
o
ðồ thị giám sát với SETVALUE là 400 C; Kp =12,5; Ti = 3320s
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật
………………………….
88
10
MỞ ðẦU
1. Cơ sở lựa chọn đề tài
Những năm gần đây, sự bùng nổ của khoa học và công nghệ rất mạnh
mẽ, tạo nên những bước đột phá trong nhiều lĩnh vực đời sống và kinh tế của
xã hội. ðất nước ta đang trên con đường công nghiệp hoá và hiện đại hoá.
Việc ứng dụng các công nghệ hiện đại với trang thiết bị hiện đại được đặt lên
hàng đầu. Trong đó các hệ thống và thiết bị điều khiển tự động đóng vai trò
hết sức quan trọng.
Thiết bị điều khiển khả trình PLC đang ngày càng được ứng dụng rất
rộng rãi trong công nghiệp. Bộ PLC cơ bản ứng dụng để điều khiển trên cơ sở
các thuật toán Logic. Tuy nhiên, nó cũng có thể được sử dụng để điều khiển
các quá trình liên tục dựa trên các Module PID mềm của nó. Các Module
mềm PID của PLC là bộ điều khiển liên tục, dễ sử dụng, linh hoạt trong việc
điều chỉnh các tham số và cấu trúc của hệ thống điều khiển.
Nhằm khảo sát và ứng dụng các hệ thống điều khiển trên cơ sở PID
mềm của PLC là vấn đề cần thiết. Xuất phát từ yêu cầu đó, được sự định
hướng, chỉ dẫn của PGS. TS Nguyễn Mạnh Tường bộ môn ðiều hiển tự động
- ðại học Bách khoa Hà Nội và các thầy, cô giáo khoa Cơ điện Trường đại
học Nông nghiệp Hà Nội tôi đã lựa chọn đề tài:
“Tổng hợp các hệ thống điều khiển trên cơ sở PID mềm của PLC ”
2. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết.
- Tổng hợp các hệ thống điều khiển trên cơ sở PID mềm của PLC .
- Xây dựng mô hình thực nghiệm để khảo sát hệ thống thực.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Về khoa học: Luận văn góp phần tổng hợp và bổ xung phương pháp
thiết kế bộ điều khiển để điều khiển đối tượng phổ biến trong công nghiệp.
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật
………………………….
1
Về thực tiễn: Với kết quả thu được của đề tài đã góp phần:
- Tổng hợp các hệ thống điều khiển trên cơ sở ứng dụng các khối PID
mềm của PLC cho đối tượng công nghiệp.
4. Phạm vi và nội dung nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu chính của luận văn đề cập đến những vấn đề sau:
- Nghiên cứu về PLC và đặc biệt là khối PID mềm
- Tổng hợp các hệ thống điều khiển trên cơ sở ứng dụng các khối PID
mềm.
- Xây dựng hệ thống thực nghiệm và nghiên cứu khảo sát, đánh giá chất
lượng của hệ thống điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở.
5. Tóm tắt nội dung luận văn
Chương 1: “ Nghiên cứu tổng quát PLC ”. Chương này tập trung
nghiên cứu về cấu trúc PLC S7 – 300; Phần mền STEP 7 ; Kỹ thuật lập trình
Chương 2: “ Nghiên cứu module mềm PID”. Chương này tập trung
nghiên cứu về cấu trúc, phương pháp khai thác và cài đặt các khối PB41,
FB42, FB43
Chương 3: “ Xây dựng hệ thống điều khiển một và hai mạch vòng
trên cơ sở các khối PID mềm của PLC” Chương này giới thiệu các phương
pháp xây dựng hệ thống một và hai mạch vòng trên cơ sở các khối PID mềm.
Chương 4: “Khảo sát hệ thống ” Chương này giới thiệu các thiết bị
để xây dựng hệ thống, phần mềm giám sát WCC, trình bày quá trình xây dựng
mô hình đối tượng, mô phỏng đối tượng điều khiển và hệ thống điều khiển,
khảo sát đánh giá chất lượng điều khiển thực.
Phần kết luận và kiến nghị: Tóm tắt nội dung chính luận văn đã giải
quyết và đề xuất các vấn đề cần nghiên cứu tiếp theo
CHƯƠNG I
NGHIÊN CỨU TỔNG QUÁT PLC
1.1.Khái quát về kỹ thuật điều khiển
ðiều khiển trong kỹ thuật được hiểu là khoa học nghiên cứu về quá
trình thu thập, xử lý tín hiệu và điều khiển các quá trình và hệ thống thiết bị
kỹ thuật. ðó là tập hợp tất cả các tác động mang tính tổ chức của một quá
trình nào đó nhằm đạt được mục đích mong muốn của quá trình đó. Hệ thống
điều khiển ( Controll System – HTðK) mà không có sự tham gia trực tiếp của
con người được gọi là HTðK tự động.
Kỹ thuật điều khiển phát triển từ rất xa xưa. Tuy nhiên, cho đến những
năm 1940 của thế kỷ XX, cơ sở lý thuyết điều khiển tự động được hình thành.
Khi đó, các phương pháp khảo sát hệ “ một đầu vào, một đầu ra- SISO” như:
Hàm truyền và biểu đồ Bode để khảo sát đáp ứng tần số và ổn định; biểu đồ
Nyquist và dự trữ độ lợi/pha để phân tích tính ổn định của hệ kín. Vào cuối
những năm 1940 và đầu những năm 1950 phương pháp đồ thị nghiệm của
Evans đã được hoàn thiện. Giai đoạn này được coi là “ điều khiển cổ điển”.
ðến những năm 1960, là giai đoạn phát triển của kỹ thuật điều khiển
được gọi là “ điều khiển hiện đại” ( Modern Control). Hệ kỹ thuật ngày càng
trở nên phức tạp, có “ nhiều đầu vào, nhiều đầu ra- MIMO”. Và phương pháp
điều khiển bằng biến trạng thái, lý thuyết điều khiển tối ưu có những bước
phát triển lớn dựa trên nền tảng nguyên lý cực đại của Pontryagin và lập trình
động lực của Bellman. ðồng thời, lọc Kalman được hoàn thiện và nhanh
chóng trở thành công cụ chuẩn, được sử dụng trong nhiều lĩnh vực để ước
lượng trạng thái bên trong của hệ từ tập nhỏ các tín hiệu đo được.
Bắt đầu từ những năm 1980, ứng dụng những thành tựu của toán học,
các nghiên cứu về điều khiển đã đưa ra được các phương pháp thiết kế bộ
điều khiển ( BðK) để một hệ kỹ thuật vẫn đảm bảo được các tính năng sử
dụng khi có tác động của nhiễu và sai số “ kỹ thuật điều khiển bền vững hệ đa
biến”. Trong hai thập kỷ cuối, nhiều nhánh mới về điều khiển cũng đã hình
thành, đó là: thích nghi, phi tuyến, hỗn hợp, mờ và neural.
Một hệ thống điều khiển là một liên kết của nhiều thành phần, tạo nên
một cấu hình hệ thống có khả năng đáp ứng một nhu cầu nhất định. Một thành
phần hay một quá trình ( Process) cần được điều khiển được gọi là đối tượng
điều khiển ( ðTðK), được biểu diễn bằng một khối có đầu vào và đầu ra.
Quan hệ vào- ra thể hiện mối quan hệ nhân quả của quá trình điều
khiển, trong đó tín hiệu vào được xử lý nhằm tạo ra một tín hiệu ra, thường là
với năng lượng đã được khuyếch đại.
ra
Vào
ðTðK
Hình 1.1 ðối tượng điều khiển
Một HTðK đơn giản nhất bao gồm một bộ điều khiển ( BðK) tác động
lên một ðTðK và được gọi là HTðK vòng hở (open loop), việc sử dụng
BðK nhằm điều khiển một quá trình đáp ứng một yêu cầu điều khiển xác
định trước.
ðáp ứng mong
muốn
ra
BðK
ðTðK
Hình 1.2 Hệ thống điều khiển vòng hở
Trong đó, ðTðK là thành phần tồn tại khách quan có tín hiệu ra là đại
lượng cần điều khiển và nhiệm vụ cơ bản của thiết bị điều khiển là phải tác
động lên đầu vào của ðTðK sao cho đại lượng điều khiển đạt được yêu cầu
mong muốn.
Thiết bị điều khiển (TBðK) là tập hợp tất cả các thiết bị của hệ thống
nhằm tạo ra tín hiệu điều khiển tác động lên ðTðK.
Trái với HTðK vòng hở, một HTðK vòng kín (Closed loop) được sử
dụng thêm một giá trị đo của tín hiệu ra thực sự để so sánh với đáp ứng đầu ra
được mong muốn cho quá trình cần điều khiển. Giá trị đo này được gọi là tín
hiệu phản hồi (feedback signal). Sơ đồ khối của bộ điều khiển vòng kín được
thể hiện như hình vẽ.
ðáp ứng
mong muốn
ra
So sánh
BðK
ðT ðK
Hệ ño
Hình 1.3 Hệ thống điều khiển vòng kín
Hệ thống điều khiển phản hồi thường sử dụng làm mô tả mối quan hệ
xác định trước giữa tín hiệu ra với tín hiệu vào đối sánh để điều khiển.
1.2 Thiết bị điều khiển khả trình (PLC)
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của lý thuyết điều khiển, các thiết bị
điều khiển hiện đại, “ thông minh” đã được ra đời để giải quyết các bài toán
điều khiển lớn cho những HTðK phức tạp. Hệ điều khiển này đã xử lý hàng
ngàn thông tin lấy từ cảm biến để điều khiển hàng trăm cơ cấu chấp hành:
van, cấp nhiệt, bơm vv..để cho ra sản phẩm với yêu cầu khắt khe về tính năng
kỹ thuật.
Ngày nay các HTðK tự động sử dụng thiết bị điều khiển khả trình
(programable Logic Controller- PLC) ngày càng phổ biến. Với những tính
năng ưu việt như: cấu trúc nhỏ gọn, tốc độ xử lý thời gian thực cao, nhiều
chức năng điều khiển, có độ mềm dẻo sử dụng rất cao, cộng với khả năng kết
nối với các TBðK, theo dõi giám sát…đã tạo cho PLC một khả năng làm việc
linh hoạt và hiệu quả. Có thể nói, PLC như một máy tính số cho kỹ thuật điều
khiển hiện đại. Ở nước ta chủ yếu đang sử dụng PLC của các hãng sản xuất
như SIEMENS, MITSHUBISHI, LG, SCHNEIDER…Các PLC hiện đại được
chế tạo ngày càng tối ưu và được module hóa tiện lợi cho việc sử dụng.
Hiện nay, PLC của hãng SIEMENS là một trong những loại PLC được
sử dụng phổ biến tại Việt Nam. Các PLC của hãng Siemens bao gồm các
dạng: simatic 505; simatic S5, simatic S7, C7. Trong đó dòng simatic S7 được
sử dụng nhiều nhất trong các nhà máy xí nghiệp trong nước. Các họ PLC của
dòng simatic S7 bao gồm: S7-200, S7- 300, S7-400. Simatic S7-300 là một hệ
thống module PLC (Modular PLC platform) đã được tối ưu hóa để đạt chất
lượng cao trong các quá trình tự động hóa, tiết kiệm giải pháp hệ thống trong
kiến trúc điều khiển tập trung và phân tán. Hệ thống điều khiển sử dụng hệ
SIMATIC S7-300 cung cấp HTðK tự động trọn gói, bao gồm: thiết bị điều
khiển PLC S7, phần mềm lập trình step 7, hệ thống giám sát HMI trên máy
tính PC sử dụng phần mềm giám sát WinCC.
1.3. Cấu trúc PLC S7-300
1.3.1 PLC là gì?
PLC ( Programable Logic Controller ) là loại thiết bị cho phép thực
hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình
thay cho việc phải thể hiện thuật toán đó bằng mạch số. Như vậy, với chương
trình điều khiển trong mình, PLC trở thành một bộ điều khiển số nhỏ gọn dễ
thay đổi thuật toán và đặc biệt dễ thay đổi thông tin với môi trường xung
quanh ( với PLC khác hoặc với máy tính). Toàn bộ chương trình điều khiển
được lưu nhớ trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình và được
thực hiện lặp lại theo chu kỳ của vòng quét.
1.3.2 Nguyên lý chung và cấu trúc bộ PLC
Hiện nay có khá nhiều hãng sản xuất PLC, nhưng nhìn chung trong cấu
trúc được mô tả dưới đây.
CPU
Bộ nhớ chương trình
Bộ đệm
vào/ra
Khối vi xử lý
trung tâm
+
Hệ điều hành
Timer
Counter
Bit cờ
Cổng vào ra
Onboard
Bus của PLC
Cổng ngắt và đếm
Tốc độ cao
Quản lý ghộp nối
Hình 1.4 Cấu trúc của một PLC
Cấu trúc BðK lập trình rất gần gũi với máy tính PC. Thành phần của
PLC bao gồm: CPU, RAM , các bộ xử lý vào/ra, các bộ xử lý toán học và các
thành phần khác tương tự như PC nhưng được chế tạo đặc thù thích nghi với
sử dụng vận hành trong môi trường công nghiệp. Cổng vào của PLC bao gồm
các thiết bị nhập logic ( S/W contact, sensor digital, sensor analog, contac, bộ
nhập panel số, HMI) đưa ra đồng thời một loạt các tác vụ ra lệnh cho PLC thi
hành, có thể là một đoạn chương trình thông qua đường truyền thông và được
lưu giữ trong bộ nhớ nội của PLC, các lệnh logic được lập trình sẽ xử lý và
thực thi từ các cổng vào sau đó kết quả xử lý trả về qua đường cổng ra có thể
là các relay, Tranzitor, Triac, kiểu điện áp thay đổi được hay vòng dòng điện
(4-20A), một nhóm bit đơn hoặc thậm chí là cả một loạt các dòng lệnh có
dung lượng lớn xuất ra một cổng truyền thông khác.
Một hệ thống có thể có 1 PLC hoặc gồm nhiều PLC kết nối qua MPI
bus
Cáp tải
chương trình
Tải chương trình
Hì nh 1.5 Hệ t hống ñi ều khi ển có một PLC
Hình 1.5. Hệ thốg điều khiển có một PLC
ðối với hệ thống điều khiển phức tạp gồm nhiều trạm PLC kết nối với
nhau, với các thiết bị điều khiển, đo lường khác qua MPI bus.
Hình 1.6 Hệ thống điều khiển phức tạp
1.3.3 Hệ PLC S7-300
Module PS
Module CPU
Module SM
Module CP
Hình 1.7 SimatiC S7- 300 của Siemens
SIMATIC S7-300 là một PLC đã được tối ưu hóa để đạt được chất
lượng cao trong các quá trình tự động hóa, tiết kiệm giải pháp hệ thống trong
kiến trúc điều khiển tập trung và phân tán.
1.3.4 Các module của PLC S7-300
ðể tăng tính sử dụng mềm dẻo trong ứng dụng thực tế, hệ SIMATIC S7300 được chia nhỏ thành các module. Do vậy số module được sử dụng nhiều
hay ít tùy thuộc vào bài toán điều khiển. Song bao giờ cũng phải có một
module chính là module CPU, còn lại là các module nhận và truyền tín hiệu
với các đối tượng điều khiển, các module chuyên dụng như PID, điều khiển
động cơ bước...chúng được gọi là các module mở rộng. Tất cả các module
được gắn trên các thay ray (rack).
- Module CPU
Module CPU là module có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, bộ
định thời, bộ đếm, cổng truyền thông RS485 và có thể có vài cổng vào ra số
trên module (onboard). Trong họ PLC có nhiều loại CPU khác nhau như
module CPU313, module CPU314...
Ngoài ra còn các loại module CPU với 2 cổng truyền thông trong đó
cổng truyền thông thứ 2 có chức năng chính là phục vụ việc nối mạng trong
hệ điều khiển phân tán.
- Module mở rộng
Các module mở rộng được chia làm 5 loại chính:
(1) Module nguồn PS (Power Supply): module nguồn nuôi có 3 loại
là 2A, 3A và 10A.
(2) Module cổng tín hiệu SM (Signal Module): module cổng tín hiệu
vào, ra bao gồm:
+ DI (Digital Input): module mở rộng các cổng vào số. Số các cổng vào
số mở rộng có thể là 8, 16, hoặc 32 tùy thuộc vào loại module.
+ DO (Digital Output): module mở rộng các cổng ra số. Số các cổng ra
số mở rộng có thể là 8, 16 hoặc 32 tùy thuộc vào loại module.
+ DI/DO (Digital Input/ Digital Output): module mở rộng các cổng vào
ra số. Số các cổng vào ra số mở rộng có thể là 8, 16 hoặc 32 tùy thuộc vào
loại module.
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật
………………………….
10
+ AI (Analog Input): module mở rộng các cổng vào tương tự, số các
cổng vào tương tự có thể là 2, 4, 8 tùy thuộc vào loại module.
+ AO (Analog Output): module mở rộng các cổng ra tương tự, số các
cổng ra tương tự có thể là 2, 4, 8 tùy thuộc vào loại module.
+ AI/AO (Analog Input/ Analog Output): module mở rộng các cổng
vào ra tương tự, số các cổng vào ra tương tự có thể là 4 vào 2 ra, hoặc 4
vào 4 ra tùy thuộc vào loại module.
(3) Module ghép nối IM (interface Module): là loại module có nhiệm
vụ kết nối các module mở rộng lại với nhau thành một khối và được quản lý
chung bởi module CPU.
(4) Module chức năng FM( Function module) là module chức năng có
chức năng điều khiển riêng, ví dụ như module PID, module điều khiển động
cơ bước, module điều khiển động cơ Servo, module điều khiển vòng kín.
(5) Module CP (Communication Module) là module phục vụ truyền
thông trong mạng giữa PLC với nhau hoặc PLC với máy tính.
Hình 1.8 Sơ đồ kết nối các module của S7-300 trên rack
1.4. Phần mềm STEP-7
1.4.1. STEP -7 định nghĩa và chức năng
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật
………………………….
11
STEP7 là một chương trình phần mềm chuẩn sử dụng để đặt cấu hình
và lập trình cho SIMATIC PLC. Nó là một phần mềm công nghiệp có các
version STEP7 Micro/DOS, STEP7 Micro/Win cho S7-200; STEP7 cho S7300.
Một số chức năng của STEP7 được liệt kê dưới đây:
+ Có thể được mở rộng như là một phần mềm trong công nghiệp phần
mềm SIMATIC.
+ Có thể chỉnh sửa tham số cho Function Module và quá trình truyền
thông.
+ Dữ liệu truyền thông toàn cầu.
+ ðịnh cấu hình kết nối.
1.4.2. Bộ chương trình Step7 chuẩn ( STEP7 Standard Package)
Ngôn ngữ lập trình SIMATIC là ngôn ngữ biểu diễn thống nhất trong
STEP7 chuẩn tuân theo chuẩn EN 61131-3 hay IEC1131-3. Bộ chương trình
chuẩn chạy trên Windows 95/98/2000/Me/XP.
Chức năng: Bộ chương trình STEP7 chuẩn hỗ trợ nhiều chức năng
trong toàn bộ các mặt của một quá trình tạo một nhiệm vụ điều khiển tự động.
+ Thiết lập và quản lý Project.
+ ðịnh cấu hình và chỉnh sửa tham số phần cứng và truyền thông.
+ Quản lý biểu tượng.
+ Tạo một chương trình.
+ Download một chương trình cho bộ điều khiển.
+ Chuẩn đoán lỗi chương trình.
Ngoài ra STEP7 còn có thư viện với nhiều hàm chuẩn hữu ích, phần
trợ giúp online mạnh, ứng dụng trong STEP7 : Bộ chương trình STEP7 chuẩn
cung cấp rất nhiều ứng dụng, ta không cần thiết phải mở từng ứng dụng riêng
mà chúng tự khởi động khi ta chọn hàm thích hợp hay mở một đối tượng.
Dưới đây ta nghiên cứu một số chức năng thường sử dụng.
Ngôn ngữ lập trình
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật
………………………….
12
ðối với loại PLC S7-300 có phần mềm STEP7 sử dụng ba dạng ngôn ngữ
lập trình thông dụng.
+ Ngôn ngữ lập trình dạng “ liệt kê lệnh” ký hiệu là STL.
+ Ngôn ngữ lập trình dạng “ hình thang” ký hiệu là LAD.
+ Ngôn ngữ lập trình dạng “ hình khối” ký hiệu là FBD.
ðặt cấu hình phần cứng (Hardware Configuration)
Công cụ này dùng để đặt cấu hình và chỉnh sửa cho tham số phần cứng
của một dự án tự động (project).
+ ðể đặt cấu hình cho một bộ điều khiển lập trình ta chọn rack từ một
catalog và sắp xếp cho module trong những slot yêu cầu trong rack.
+ Trong quá trình gán tham số cho CPU ta có thể thiết lập thuộc tính
khởi động và giám sát chu kỳ vòng quét.
+ Trong quá trình gán tham số cho module, tất cả các tham số cần thiết
lập có thể được thiết lập sử dụng hộp thoại. Trong quá trình gán tham số cho
module được thực hiện tự động trong quá trình khởi động CPU.
+ Chỉnh định tham số cho Function module (FM) và communication
Processors (CP) cũng được thực hiện trong hộp thoại Hardware Configuration
với một cách tương ứng như với module. Hộp thoại module Specific tồn tại
cho mỗi FM và CP. Hệ thống sẽ ngăn chặn những lối vào không đúng bằng
cách chỉ đưa ra những hộp thoại làm việc
1.5. Kỹ thuật lập trình
1.5.1 Lập trình tuyến tính
Kỹ thuật lập trình tuyến tính là phương pháp lập trình mà toàn bộ
chương trình ứng dụng chỉ nằm trong một khối OB1. Kỹ thuật lập trình này
có ưu điểm là gọn, rất phù hợp với những bài toán điều khiển đơn giản, ít
nhiệm vụ.
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật
………………………….
13
Do toàn bộ chương trình điều khiển chỉ nằm trong khối OB1 nên khối
OB1 sẽ gần như là thường trực trong vùng nhớ Work memory, trừ trường hợp
khi hệ thống phải xử lý các tín hiệu báo ngắt. Ngoài khối OB1, trong vùng
Work memory còn có miền nhớ địa phương (loack block) cấp phát cho OB1
và những khối DB được OB1 sử dụng, hình 1.9 mô tả quy trình thực hiện
chương trình điều khiển tuyến tính.
Chuyển OB1 từ Local
memory vào Work
memory và cấp phát local
block cho nó
Hệ
điều
hành
Vòng quét
Thực
hiện
OB1
trong
Work
System
memory
Share
DB
Instance
DB
Xoá OB1 và giải phóng
Local memory trong
Work memory
Hình 1.9 Thực hiện một chương trình tuyến tính
Local block của OB1
Khi thực hiện khối OB1, hệ điều hành luôn luôn cấp một local block có
kích thước mặc định 20 bytes trong Work memory để OB1 có thể lấy được
những dữ liệu từ hệ điều hành (Xem Phụ lục 1.1)
Mặc dù kích thước chỉ là 20 bytes mặc định, nhưng người sử dụng có
thể mở rộng local block để sử dụng thêm các biến nhớ cho chương trình. Tuy
nhiên phải để ý rằng local block được giải phóng ở cuối mỗi vòng quét và
được cấp lại ở vòng quét sau nên các giá trị có trong local block của vòng
quét trước cũng bị mất khi bắt đầu vòng quét mới. Do đó, tốt nhất chỉ nên sử
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật
………………………….
14
