HE THONG LO NHIET DUNG S7300 và WINCC DK PID

MỤC LỤC
TRANG
MỤC LỤC.................................................................................................................... 2
DANH SÁCH HÌNH....................................................................................................4
DANH SÁCH BẢNG BIỂU………………………………...........................................7
MỞ ĐẦU....................................................................................................................... 8
TÓM TẮT ĐỒ ÁN.......................................................................................................9
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LÒ NUNG CÔNG NGHIỆP VÀ PHƯƠNG
PHÁP ĐIỀU CHỈNH NHIỆT ĐỘ.............................................................................10
1.1.

Lò nung công nghiệp.....................................................................................10

1.1.1. Giới thiệu về lò nung công nghiệp.............................................................10
1.1.2. Ưu điểm và nhược điểm..............................................................................11
1.1.3. Những yêu cầu cơ bản đối với cấu tạo của lò nung.....................................11
1.2. Cấu tạo của lò nung công nghiệp......................................................................12
1.3. Các phương pháp điều chỉnh nhiệt độ...............................................................14
1.3.1. Điều chỉnh ON-OFF...................................................................................14
1.3.2. Điều chỉnh bằng khâu tỉ lệ P.......................................................................15
1.3.3. Điều chỉnh bằng khâu tỉ lệ vi phân PD.......................................................16
1.3.4. Điều chỉnh bằng khâu tỉ lệ tích phân PI......................................................17
1.3.5. Điều chỉnh bằng khâu tỉ lệ tích phân vi phân PID.......................................18
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG
..................................................................................................................................... 22
2.1. Mô hình lò nung................................................................................................22
2.2. Thiết lập phương trình động học, tìm hàm truyền hệ thống và phương pháp tìm
thông số Kp, Ti, Td………………………………………………................................22
2

2.2.1. Thiết lập phương trình động học và tìm hàm truyền hệ thống…………….23
2.2.2. Xác định thông số bộ điều chỉnh PID………………………………......…24
2.3. Tổng quan về PLC S7-300 và WINCC..............................................................25
2.3.1. Giới thiệu chung về PLC S7 300................................................................25
2.3.2.Cấu tạo PLC S7-300..………………………………………………………28
2.3.2.1. Các khối chức năng của PLC S7-300...................................................30
2.3.2.2. Địa chỉ và gán địa chỉ...........................................................................31
2.3.2.3. Cấu trúc chương trình S7-300...............................................................31
2.3.2.4. Ngôn ngữ lập trình LAD.......................................................................32
2.3.3. Thư viện hàm S7-300 sử dụng....................................................................33
2.3.3.1. Hàm chuyển đổi Sacle FC105...............................................................33
2.3.3.2. Hàm chuyển đổi Unscale FC106..........................................................35
2.3.3.3. Module mềm PID.................................................................................35
2.3.3.4. Hàm PID FB41.....................................................................................36
2.3.4. Khởi tạo Project trên STEP 7......................................................................44
2.3.5. WINCC.......................................................................................................49
2.3.5.1. Tạo một dự án trong WINCC................................................................49
2.3.5.2. Truyền thông trong môi trường WINCC...............................................51
2.3.5.3. Các chức năng của WINCC..................................................................53
2.4. Thiết kế hệ thống điều chỉnh bằng PLC S7-300 và mô phỏng trên WINCC......57
2.4.1. Sơ đồ thuật toán..........................................................................................57
2.4.2. Lập trình PLC S7-300.................................................................................58
2.4.3. Thiết kế giao diện mô phỏng trên WINCC………......................................67
2.5. Kết luận.............................................................................................................80
KẾT LUẬN CHUNG.................................................................................................81
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................82
3


PHỤ LỤC................................................................................................................... 83

DANH SÁCH HÌNH
Hình 1.1. Lò nung nấu chảy nhôm……………………………………………………10
Hình 1.2. Sơ đồ điều chỉnh lò nung dùng ON-OFF……………………......................14
Hình 1.3. Đặc tính của điều chỉnh ON – OFF…………………………………..…….15
Hình 1.4. Đáp ứng ra của điều chỉnh bằng khâu tỉ lệ P……………………………….16
Hình 1.5. Đáp ứng ra của điều chỉnh bằng khâu vi phân tỉ lệ PD với P = 1…….........17
Hình 1.6. Đáp ứng ra của điều chỉnh bằng khâu vi phân tỉ lệ PI với P = 1…………...18
Hình 1.7. Sơ đồ điều khiển sử dụng bộ điều chỉnh PID………………………………19
Hình 1.8. So sánh đáp ứng của hệ thống so với các bộ điều chỉnh…………………...21
Hình 2.1. Mô hình lò nung……………………………………………………………22
Hình 2.2. Sơ đồ cấu trúc hệ kín lò nung có thời gian trễ 10s…………………………24
Hình 2.3. Tìm được Tck………………………..................................………………..24
Hình 2.4. Sơ đồ khối của PLC.......................................................................................26
Hình 2.5. Chu kỳ một vòng quét...................................................................................27
Hình 2.6. Các khối modul của PLC S7-300…………………………………………..29
Hình 2.7. Đồ thị mô tả hàm scale AI………………………………………………….34
Hình 2.8. Cú pháp hàm FC105 dạng LAD……………………………………………34
Hình 2.9. Cú pháp hàm FC106 dạng LAD……………………………………………35
Hình 2.10. Sơ đồ điều khiển PID……………………………………………………...36
Hình 2.11. Sơ đồ cấu trúc module PID………………………………………………..37
Hình 2.12. Sử dụng module PID…………………………….......……………………38
Hình 2.13. Tạo New project…………………………………...……………………...44
Hình 2.14. Chọn CPU…………………………………………………………………45
Hình 2.15. Chọn ngôn ngữ làm việc………………………………….........………….45
4


Hình 2.16. Lưu tên chương trình…………………………………...........……………46
Hình 2.17. Giao diện 1 program……………………………………………………...46

Hình 2.18. Giao diện lập trình………………………………………………………..47
Hình 2.18. Giao diện lập trình………………………………………………………..47
Hình 2.19. Đặt tên và địa chỉ vào ra……………………………………….........……47
Hình 2.20. PLCSIM…………………………………………………………………..48
Hình 2.21. Tạo một dự án mới………………………………………………………..49
Hình 2.22. Cửa sổ soạn thảo của WINCC………………………………………........50
Hình 2.23. Tạo kết nối với PLC………………………………………………………52
Hình 2.24. Tạo số lượng kết nối 2……………………………………………………52
Hình 2.25. Sơ đồ thuật toán điều chỉnh PID………………………………………….57
Hình 2.26. Khai báo các địa chỉ trong Symbol……………………………………….58
Hình 2.27. Các khối chương trình…………………………………………………….58
Hình 2.28. Chương trình trong OB1………………………………………………….59
Hình 2.29. Chương trình trong FC1…………………………………………………..60
Hình 2.30. Tạo xung nhiệt độ tăng giảm……………………………………………...61
Hình 2.31. Giả lập nhiệt độ giảm……………………………………....……………..61
Hình 2.32. Giả lập nhiệt độ tăng……………………………………………………...62
Hình 2.33. Đọc tín hiệu từ cảm biến………………………………………………….62
Hình 2.34. Scale tín hiệu đưa ra ngõ analog ………………………………………....63
Hình 2.35. Đổi ms ra s cho Ti, Td…………………………………………………….63
Hình 2.36. Khai báo các biến cho khối FB41…………………………………………64
Hình 2.37. Bảng chạy mô phỏng trên PLC_SIM……………...……………………...65
Hình 2.38. Tag liên kết với PLC S7-300……………………………………………...66
Hình 2.39. Tạo giao diện giám sát……………………………….........………………66
5


Hình 2.40. Đổi tên cho giao diện thiết kế……………………………………………..67
Hình 2.41. Vào thư viện……………………………………………………………....67
Hình 2.42. Lấy lò nhiệt từ thư viện…………………………………………………...68
Hình 2.43. Lấy thiết bị gia nhiệt từ thư viện………………………………………….68

Hình 2.44. Lấy cảm biến từ thư viện………………………………………………….68
Hình 2.45. Tạo chữ viết trong giao diện………………………………………………69
Hình 2.46. Tạo I/O…………………………………………………………………….69
Hình 2.47. Tạo thuộc tính cho Gain…………………………………………………..70
Hình 2.48. Tạo thuộc tính cho nhiệt độ thực………………………………………….70
Hình 2.49. Tạo nút nhấn………………………………………………………………71
Hình 2.50. Tạo thuộc tính cho nút ấn START……………………..............................72
Hình 2.51. Lập trình cho nút nhấn khi nhấn START…………………………………72
Hình 2.52. Lập trình cho nút nhấn START khi nhả ra………………………………..73
Hình 2.53. Đưa hình ảnh ngọn lửa vào giao diện……………………………………..73
Hình 2.54. Tạo hình ảnh động cho ngọn lửa………………………………………….74
Hình 2.55. Chỉnh sửa trong mục Trends………………………………………...……75
Hình 2.56. Chỉnh sửa trong mục General……………………………………………..75
Hình 2.57. Chỉnh trong mục Time Axes………………………….......………………76
Hình 2.58. Chỉnh trong mục Value Axes……………………………………………..76
Hình 2.59. Chỉnh trong mục Trends…………………………………………………..77
Hình 2.60. Chỉnh lại trong mục Value Axes cho WINCC online công suất………….77
Hình 2.61. Giao diện giám sát trên WINCC………………………………………….78
Hình 2.62. Bật mô phỏng trên PLC SIM……………………………………………...78
Hình 2.63. Giao diện giám sát khi chưa mô phỏng…………………….......………....79
Hình 2.64. Giao diện trên WinCC khi ta tiến hành mô phỏng nhiệt độ đang tăng...…79
6


Hình 2.65. Hệ thống hoạt động khi nhiệt độ tăng đến nhiệt độ đặt…………………...80

DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 1. So sánh các phương pháp điều khiển………………………………………...20
Bảng 2.1. Các thông số của bộ điều khiển PID được xác định theo bảng sau………..25
Bảng 2.2. Mô tả các tín hiệu đầu vào khối PID………………………………………37

Bảng 2.3. Mô tả các tín hiệu đầu ra…………………………….……………………..43

7


MỞ ĐẦU
Trong công nghiệp luyện kim, công nghiệp thủy tinh, công nghiệp gốm sứ, vật
liệu xây dựng, phần lớn các quá trình công nghệ được tiến hành ở nhiệt độ cao hoặc rất
cao trong thiết bị nhiệt. Thiết bị này có tên gọi là “Lò nung công nghiệp”, lò nung kim
loại, lò nấu thủy tinh, lò nấu thép,... Các vật liệu nung cần được ổn định nhiệt độ, để
sản phẩm đầu ra đúng tiêu chuẩn.Vì thế nên áp dụng tự động hóa ổn định nhiệt độ lò là
rất cần thiết. Từ đó em đã chọ đề tài “ Ứng dụng bộ điều chỉnh PID thiết kế hệ thống
điều chỉnh và giám sát nhiệt độ lò nung ”.
Nội dung của đề tài gồm 2 chương:
 Chương 1: Tổng quan về lò nung công nghiệp và phương pháp điều chỉnh
nhiệt độ
 Chương 2: Thiết kế, tính toán và mô phỏng nhiệt độ lò nung
 Phần kết luận và tài liệu tham khảo
 Phụ lục
Để hoàn thành đồ án này, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới
PGS.TS Nguyễn Hoa Lư đã hướng dẫn nhiệt tình giúp em hoàn thành đồ án.
Em xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Đình Đắc

8


TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Đồ án ứng dụng bộ điều chỉnh PID thiết kế hệ thống điều khiển giám sát nhiệt độ lò

nung có nhiều ứng dụng trong thực tế sản xuất và công nghiệp. Sử dụng bộ điều chỉnh
PID đảm bảo cho hệ thống hoạt động ổn định, tăng chất lượng sản phẩm và mang lại
hiệu quả kinh tế cao.

SUMMARY
The application of PID regulators to design kiln temperature monitoring and control
systems has many applications in actual production and industry. Using PID regulator
to ensure stable operation of the system, increase product quality and bring high
economic efficiency.

9


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ LÒ NUNG CÔNG NGHIỆP VÀ PHƯƠNG
PHÁP ĐIỀU CHỈNH NHIỆT ĐỘ
1.1. Lò nung công nghiệp
1.1.1. Giới thiệu về lò nung công nghiệp

Hình 1.1. Lò nung nấu chảy nhôm
Lò nung công nghiệp là nơi tạo môi trường nhiệt độ cao để phục vụ sản xuất trong
công nghiệp như nung hoặc nấu luyện các vật liệu, các kim loại và các hợp kim khác
nhau,...
Lò điện được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật:
 Sản xuất thép chất lượng cao.
 Sản xuất các hợp kim phe-rô.
 Nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện.
 Nung các vật phẩm trước khi cán, rèn dập, kéo sợi.
 Sản xuất đúc và kim loại bột.
Trong các lĩnh vực công nghiệp khác:

10


 Trong công nghiệp nhẹ và thực phẩm, lò điện được dùng để phủ, mạ vật
phẩm và chuẩn bị thực phẩm.
 Trong các lĩnh vực khác, lò điện được dùng để sản xuất các vật phẩm thuỷ
tinh, gốm sứ, các loại vật liệu chịu lửa v.v...
1.1.2. Ưu điểm và nhược điểm
 Ưu điểm
Lò nung sử dụng nhiên liệu so với các lò sử dụng điện khác có những ưu điểm
sau:
 Có khả năng tạo được nhiệt độ cao.
 Lò có kết cấu kín và rất bền nhiệt.
 Đảm bảo nung đều chính xác.
 Đảm bảo tốc độ nung lớn và năng suất cao.
 Đảm bảo độ kín cần thiết.
 Có khả năng cơ khí hóa và tự động hóa trong quá trình chất dỡ nguyên liệu và
vận chuyển vật phẩm.
 Đảm bảo điều kiện lao động hợp vệ sinh, vận hành thuận tiện, thiết bị gọn nhẹ.
 Nhược điểm
Mặc dù lò nung sử dụng nhiên liệu có nhiều ưu điểm so với các lò điện khác
nhưng cũng không thể tránh được một số nhược điểm sau:
 Giá thành cao vì giá nhiên liệu tăng.
 Nếu lò có công suất lớn thì phải có tính toán chọn các thiết bị bảo vệ, vận hành
dài hạn hợp lý.
 Yêu cầu người vận hành phải có chuyên môn.
1.1.3. Những yêu cầu cơ bản đối với cấu tạo của lò nung
 Hợp lý về công nghệ
Hợp lý về công nghệ có nghĩa là cấu tạo lò không những phù hợp với quá trình

công nghệ yêu cầu tại thời điểm chế tạo mà còn tính đến khả năng mở rộng về sau
11


này. Đây là một điều cần thiết đối với bất kì một hệ thống điện nào. Và đảm bảo là
không làm phức tạp quá trình gia công và làm tăng giá thành của sản phẩm.
 Hiệu quả về kỹ thuật
Hiệu quả về kỹ thuật là khả năng thực hiện hiệu suất cực đại của kết cấu khi các
thông số của nó là cố định ( kích thước, công suất, trọng lượng, giá thành, …).
Đối với một thiết bị hay một vật phẩm sản xuất ra, năng suất trên một đơn vị
công suất định mức, sức tiêu hao điện năng để nung,…là các chỉ tiêu cơ bản của
hiệu quả kỹ thuật. Còn đối với từng phần riêng biệt của kết cấu hoặc chi tiết, hiệu
quả kỹ thuật được đánh giá bằng công suất dẫn động, momen xoắn, lực,…ứng với
trọng lượng, kích thước hoặc giá thành kết cấu.
 Chắc chắn khi làm việc
Chắc chắn khi làm việc là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất của chất
lượng kết cấu các lò điện. Thường các lò điện trở là tải hoạt động dài hạn, làm việc
liên tục một ca, hai ca hoặc cũng có thể là liên tục ba ca trong một ngày. Nếu trong
lúc làm việc, một bộ phận nào đó không hoàn hảo sẽ gây ảnh hưởng đến quá trình
sản xuất chung. Điều này đặt biệt quan trọng đối với các lò điện làm việc liên tục
trong dây chuyền sản xuất tự động. Ngay cả khi các lò điện làm việc theo chu kỳ,
lò ngừng cũng làm thiệt hại rõ rệt cho nhà sản xuất vì khi bị sự cố lò dừng đột ngột
hoặc nhiệt độ tăng nhanh và cao quá mức quy định có thể dẫn đến làm hư hỏng sản
phẩm, lãng phí nguyên vật liệu, làm tăng giá thành sản phẩm, quán trình sản xuất
gián đoạn, phải tiến hành sửa chữa vừa mất thời gian vừa tốn kém.
Một chỉ tiêu phụ về sự chắc chắn khi làm việc của một bộ phận đó của lò điện
là khả năng thay thế nhanh hoặc khả năng dự trữ lớn khi lò làm việc bình thường.
Để đạt được điều này, trong các thiết bị cần chú ý đến các bộ phận quan trọng nhất
như: dây nung, băng tải,…quyết định đến sự làm việc liên tục của lò.

1.2. Cấu tạo của lò nung công nghiệp
Thường thì cấu tạo gồm ba thành phần chính: Sắt, gạch chịu lửa và bông thủy
tinh. Tuy nhiên, tùy từng loại vật liệu cần nung mà các lò nung có cấu tạo khác nhau.

12


 Vỏ lò
Vỏ lò nung là một khung cứng vững chắc được làm bằng sắt, chủ yếu là để chịu
tải trong quá trình làm việc của lò. Mặc khác vỏ lò cũng dùng để giữ lớp cách nhiệt rời
và đảm bảo sự kín hoàn toàn hoặc tương đối của lò.
Đối với các lò làm việc với khí bảo vệ, vỏ lò cần phải hoàn toàn kín, còn đối
với các lò điện trở bình thường, sự kín của vỏ lò chỉ cần giảm tổn thất nhiệt và tránh sự
lùa không khí lạnh vào lò, đặc biệt theo chiều cao lò.
Trong những trường hợp riêng, lò nung có thể làm vỏ lò không bọc kín. Khung
vỏ lò cần cứng vững đủ để chịu được tải trọng của lớp lót, phụ tải lò (vật nung) và các
cơ cấu cơ khí gắn trên vỏ lò.
Vỏ lò chữ nhật thường dùng ở lò buồng, lò liên tục, lò đáy rung,...
Vỏ lò tròn dùng ở các lò giếng và một vài lò chụp,...
Vỏ lò tròn chịu lực tác dụng bên trong tốt hơn vỏ lò chữ nhật khi cùng một
lượng kim loại để chế tạo vỏ lò. Khi cần thiết tăng độ cứng vững cho vỏ lò tròn, người
ta dùng các vòng đệm tăng cường bằng các loại thép hình.
Vỏ lò chữ nhật được dựng lên nhờ các thép hình U, L và thép tấm cắt theo hình
dáng thích hợp. Vỏ lò có thể được bọc kín, có thể không tuỳ theo yêu cầu kín của lò.
Phương pháp gia công vỏ lò loại này chủ yếu là hàn và tán.
 Phần vật liệu chịu lửa
Có thể xây bằng gạch tiêu chuẩn, gạch hình hoặc gạch hình đặc biệt tuỳ theo
hình dáng và kích thước đã cho của buồng lò. Cũng có khi người ta đầm bằng các
loại bột chịu lửa và các chất kết dính gọi là các khối đầm. Khối đầm có thể tiến
hành ngay trong lò và cũng có thể tiến hành ở ngoài nhờ các khuôn.

Phần vật liệu chịu lửa cần đảm bảo các yêu cầu sau :
 Chịu được nhiệt độ làm việc cực đại của lò.
 Có độ bền nhiệt đủ lớn khi làm việc.
 Có đủ độ bền cơ học khi xếp vật nung và đặt thiết bị vận chuyển trong điều
kiện làm việc.
 Đảm bảo khả năng gắn dây nung bền và chắc chắn.

13


 Có đủ độ bền hoá học khi làm việc, chịu được tác dụng của khí quyển lò và
ảnh hưởng của vật nung.
 Đảm bảo khả năng tích nhiệt cực tiểu. Điều này đặc biệt quan trọng đối với
lò làm việc theo chu kỳ.
 Phần cách nhiệt
Thường nằm giữa vỏ lò và phần vật liệu chịu lửa. Mục đích chủ yếu của phần
này là để giảm tổn thất nhiệt đến mức thấp nhất. Riêng đối với đáy, phần cách nhiệt
đòi hỏi phải có độ bền cơ học nhất định còn các phần khác nói chung không yêu cầu.
Yêu cầu cơ bản của phần cách nhiệt là:
 Hệ số dẫn nhiệt cực tiểu
 Khả năng tích nhiệt cực tiểu
 Ổn định về tính chất lý, nhiệt trong điều kiện làm việc xác định.
Phần cách nhiệt có thể xây bằng gạch cách nhiệt, có thể điền đầy bằng bột cách nhiệt.

1.3. Các phương pháp điều chỉnh nhiệt độ
1.3.1. Điều chỉnh ON-OFF


Sơ đồ điều chỉnh:
Sơ đồ điều khiển lò nhiệt bằng phương pháp ON-OFF được thể hiện qua hình

dưới:

Hình 1.2. Sơ đồ điều khiển chỉnh lò nung dùng ON-OFF


Nguyên lý làm việc:
Phương pháp điều chỉnh ON-OFF còn được gọi là phương pháp đóng ngắt hay

dùng khâu relay có trễ: Cơ cấu chấp hành sẽ đóng nguồn để cung cấp năng lượng ở
mức tối đa (lò nhiệt) nếu nhiệt độ đặt w(k) lớn hơn nhiệt độ đo y(k), ngược lại cơ cấu
chấp hành sẽ ngắt không tiếp tục cung cấp điện năng cho lò nữa khi nhiệt độ đặt w(k)
nhỏ hơn nhiệt độ đo y(k).
14


Đặc tính của phương pháp điều chỉnh ON-OFF cho bởi hình dưới:

Hình 1.3. Đặc tính của điều chỉnh ON – OFF
Điều chỉnh ON-OFF có ưu điểm là:
 Thiết bị tin cậy, đơn giản, chắc chắn, hệ thống luôn hoạt động được với mọi
tải.
 Tính toán thiết kế ít phức tạp và cân chỉnh dễ dàng.
 Điều chỉnh ON-OFF tốt nhất cho hệ thống điều chỉnh quy mô lớn khi nhiệt
độ tăng lên chậm.
Nhưng có nhược điểm là sai số xác lập sẽ lớn do hệ chỉ cân bằng động quanh
nhiệt độ đặt và thay đổi theo tải, hệ thống không ổn định, đáp ứng chậm và không tốt,
độ chính xác không cao, dòng điện khởi động lớn gây sụt áp gây tổn thất năng lượng.
1.3.2. Điều chỉnh bằng khâu tỉ lệ P
Đây là hình thức điều chỉnh tốt hơn điều khiển ON – OFF bằng cách cung cấp

năng lượng cho lò nhiệt dựa vào sự khác biệt về nhiệt độ giữa nhiệt độ thực tế của đối
tượng và nhiệt độ đặt, với KP được xem là độ khuếch đại tỷ lệ của bộ điều khiển.
W = Kp.(TS – TO)

15

(1.1)


Hình 1.4. Đáp ứng ra của điều chỉnh bằng khâu tỉ lệ P
Ta thấy hệ số khếch đại K P càng lớn thì sai số xác lập càng nhỏ tuy nhiên đáp
ứng của hệ thống càng dao động, độ vọt lố càng cao. Nếu K P tăng quá giới hạn thì hệ
thống sẽ trở nên mất ổn định. Do đó không thể có sai số của hệ thống bằng 0 và cũng
không thể tăng hệ số khếch đại lên vô cùng.
1.3.3. Điều chỉnh bằng khâu tỉ lệ vi phân PD
Vấn đề về tính ổn định và quá tầm trong điều chỉnh tỷ lệ với độ khuếch đại lớn,
có thể được giảm đi khi thêm vào đó là khâu vi phân cho tín hiệu sai số.
d
�
W  Kp. �
 TS  TO   TD .  TS  TO  �
�
dt
�
�

(1.2)

Với KD = KP .TD; TD : Là thời gian vi phân của bộ điều chỉnh PD
Kỹ thuật đó được gọi là kỹ thuật điều chỉnh PD. Khâu vi phân có thể hiệu chỉnh

khả năng đáp ứng sự thay đổi tại nhiệt độ đặt, đó là giảm độ vọt lố , đáp ứng ra c(t) bớt
nhấp nhô hơn, được biểu diễn ở hình sau:

16


Hình 1.5. Đáp ứng ra của điều chỉnh bằng khâu vi phân tỉ lệ PD với P = 1
Dựa vào đáp ứng quá độ của hệ thống khi thay đổi giá trị T D và giữ hệ số KP
bằng hằng số. Ta thấy TD càng lớn thì đáp ứng càng nhanh, thời gian lên càng ngắn.
Tuy nhiên, nếu thời gian lên nhanh quá thì sẽ dẫn đến vọt lố mặc dù đáp ứng không có
dao động.
Bộ hiệu chỉnh PD không thể thực hiện bằng các linh kiện mạch thụ động, có thể
dùng khếch đại thuật toán, điện trở và tụ điện. Nhược điểm của bộ PD này là rất nhạy
về nhiễu vì bản thân bộ PD là mạch lọc thông cao, với độ lợi lớn hơn 1 sẽ làm tăng sự
ảnh hưởng của tín hiệu nhiễu.
1.3.4. Điều chỉnh bằng khâu tỉ lệ tích phân PI
Vấn đề về sai số xác lập có thể khắc phục bằng hiệu chỉnh PI. Hiệu chỉnh PI có
tác dụng làm chậm đáp ứng quá độ, tăng độ vọt lố, giảm sai số xác lập. Do hệ số khếch
đại của khâu PI bằng vô cùng tại tần số bằng 0 nên khâu hiệu chỉnh PI làm cho sai số
đối với tín hiệu vào là hàm nấc của hệ thống không có khâu tích phân lý tưởng bằng 0
(hệ vô sai bậc 1). Ngoài ra khâu PI là một bộ lọc thông thấp nên nó còn có tác dụng
triệt tiêu nhiễu tần số cao tác động vào hệ thống.
t
�
�
1
W  Kp. �
e( )  .�
e( ) d �
TI 0

�
�

(1.3)

Với: e(  ) = TS –T0
Ki = Kp/TI, TI : Là thời gian tích phân của bộ điều khiển PI
17


Hình 1.6. Đáp ứng ra của điều chỉnh bằng khâu vi phân tỉ lệ PI với P = 1
Khâu hiệu chỉnh PI làm cho sai số xác lập của hệ thống đối với tín hiệu vào là
hàm nấc bằng 0. Tuy nhiên khâu hiệu chỉnh PI lại làm cho hệ thống kém ổn định do
làm tăng thời gian xác lập.
Dựa trên đáp ứng quá độ của hệ thống khi giảm thời hằng tích phân T I thì độ vọt
lố của hệ thống càng cao, hệ thống càng chậm xác lập. Vậy hằng số thời hằng tích
phân TI ta nên cho giá trị lớn nhằm hạn chế độ vọt lố. Tuy vậy khi T I bằng hằng số thì
ảnh hưởng của P đến chất lượng của hệ thống chính là ảnh hưởng của khâu khếch đại,
P càng tăng thì độ vọt lố càng cao, tuy nhiên thời gian quá độ lại không thay đổi.
1.3.5. Điều chỉnh bằng khâu tỉ lệ tích phân vi phân PID
Bộ điều chỉnh PID được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế để điều chỉnh nhiều
loại đối tượng khác nhau như nhiệt độ lò nung, tốc độ động cơ, mực chất lỏng trong
bồn chứa,… Lý do bộ điều chỉnh này được sử dụng rộng rãi là vì nó có khả năng triệt
tiêu sai số xác lập, tăng đáp ứng quá độ, giảm độ vọt lố nếu các tham số bộ điều khiển
được chọn lựa thích hợp.
Khâu hiệu chỉnh khuếch đại tỉ lệ P được đưa vào hệ thống nhằm làm giảm sai
số xác lập, với đầu vào thay đổi theo hàm nấc sẽ gây ra vọt lố và trong vài trường hợp
là không chấp nhận được đối với mạch động lực. Sự có mặt của khâu tỉ lệ vi phân PD
làm giảm độ vọt lố và đáp ứng ra bớt nhấp nhô hơn và hệ thống sẽ đáp ứng nhanh hơn.
Khâu tích phân tỉ lệ tích phân PI có mặt trong hệ thống sẽ dẩn đến sai lệch tĩnh triệt

tiêu. Muốn tăng độ chính xác ta phải tăng hệ số khuếch đại, song với mọi hệ thống
18


thực đều bị hạn chế và sự có mặt của khâu PI là bắt buộc. Khâu hiệu chỉnh tỉ lệ - tích
phân - vi phân PID kết hợp những ưu điểm của khâu PI và PD, có khả năng tăng độ dự
trử pha ở tần số cắt, khử chậm pha. Sự có mặt PID ở vòng hồi tiếp có thể dẩn đến sự
dao động trong hệ do đáp ứng quá độ bị vọt lố bởi hàm Dirac (t). Các bộ hiệu chỉnh
PID được ứng dụng nhiều trong công nghiệp dưới dạng thiết bị điều khiển hay thuật
toán phần mềm.
Do sự thông dụng của nó nên nhiều hãng sản xuất thiết bị điều khiển đã cho ra
đời các bộ điều khiển thương mại rất thông dụng.
Thực tế các phương pháp thiết kế bộ điều chỉnh PID dùng quỹ đạo nghiệm số,
giản đồ Bode hay phương pháp giải tích rất ít được sử dụng do việc khó khăn trong
xây dựng hàm truyền đối tượng. Phương pháp phổ biến nhất để chọn tham số PID
thương mại hiện nay là phương pháp Ziegler-Nichols.

Hình 1.7. Sơ đồ điều chỉnh sử dụng bộ điều chỉnh PID
Bộ điều chỉnh PID có hàm truyền liên tục như sau:
G(s)  K p 

� 1
�
Ki
 Kd s  K p �
1
 TD s �
s
� TI s
�

(1.4)

Với các giá trị Kp, Ki, Kd là các hằng số thực.
Phương trình vi tích phân mô tả sự tương quan giữa tín hiệu ra u(t) với tín hiệu
sai lệch e(t) của bộ điều chỉnh PID là:
u (t )  K P .e(t )  K D .

Trong đó:

de(t )
 K I . e(t ).dt
dt

(1.5)

e(k) là sai lệch trong hệ thống e(k) = w(k) – y(k).
w(k) và y(k) là tín hiệu vào và đáp ứng ra của hệ thống.

Vấn đề thiết kế là cần xác định giá trị K p, Ki, Kd sao cho thoả mãn các yêu cầu
về chất lượng.
19


Ta có bảng so sánh giữa các phương pháp điều chỉnh như sau:
Bảng 1.1. So sánh các phương pháp điều chỉnh
Các phương pháp

Ưu điểm

Khuyết điểm

điều chỉnh
Điều chỉnh dùng ON-OFF

- Điều khiển đơn giản

- Xảy ra quá tải

Điều chỉnh dùng P

- Quá tải

- Thời gian yêu cầu dài đến
khi biến điều khiển được
thiết lập
- Vọt lố xảy ra.

Điều chỉnh dùng PI

- Loại bỏ sai xác lập

- Thời gian yêu cầu dài hơn
P cho đến khi biến điều
khiển được thiết lập

Điều chỉnh dùng PD

- Đáp ứng nhanh

- Điều khiển này không thể
thực hiện một mình .
- Sai số xác lập luôn khác
0.

Điều chỉnh dùng PID

- Có thể điều khiển tốt nhất - Đặt thông số PID là cần
thiết

20


Hình 1.8. So sánh đáp ứng của hệ thống so với các bộ điều chỉnh

CHƯƠNG 2
THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG NHIỆT ĐỘ LÒ
NUNG
2.1. Mô hình lò nung
- Sơ đồ của hệ thống điều chỉnh nhiệt độ lò nung được mô tả trên sơ đồ hình
2.1:
Van (R)
q(t)
to1

to2,V
21


Hình 2.1. Mô hình lò nung

Với :+ V là dung tích của lò (m3)
+ to1,to2 lần lượt là nhiệt độ đi vào và nhiệt độ trong lò (0C)
+ q(t) nguồn nhiệt đưa vào(J hay Nm)
+ R là trở kháng van

2.2. Thiết lập phương trình động học, tìm hàm truyền hệ thống và
phương pháp tìm thông số Kp, Ti, Td
2.2.1. Thiết lập phương trình động học và tìm hàm truyền hệ thống
- Ta có phương trình động học của lò nung là:

(2.1)

- Từ hệ phương trình (2.1) ta thay

vào phương trình còn lại

ta có:
dt

(2.2)

- Vi phân hai vế phương trình (2.2) ta được:

RV

(2.3)

RV

- Phương trình (2.3) là phương trình vi phân tuyến tính bậc nhất với biến trạng thái là

, biến đầu vào là

; R,V là các hằng số.
22


- Với RV = T;

(t) =

; và

(t) = u(t) ta sẽ có phương trình vi phân có dạng

sau:

T

dx (t )
 x (t )  ku (t )
dt

(2.4)

Ở đây k=1, T là hằng số thời gian , u(t) là tác động lối vào ,

là tác động lối ra.

- Với điều kiện ban đầu bằng 0 ,từ phương trình (4) ta có:

(2.5)



=>W(s) =

=

(2.6)

- Phương trình (2.6) chính là hàm truyền của lò nhiệt: W(s)=

=

, ta có thể

nói rằng đặc trưng của lò nhiệt là khâu quán tính nhiệt.
Trong đó:
k: Là hệ số tỷ lệ cho biết quan hệ vào ra ở chế độ xác lập.
T: Hằng số thời gian thể hiện quán tính của hệ thống.
2.2.2. Xác định thông số bộ điều chỉnh PID
Theo Ziegler-Nichols thì một hệ thống như vậy có thể biểu diễn dưới dạng hàm truyền
K .e  L.s
W(s) 
Ts  1

sau:

(2.7)

Trong đó:
K: Độ lợi tĩnh
T: Hằng số thời gian
K

L: Thời gian trễKhai triển Taylor của e-Ls ta được: W(s)  Ts  1 Ls  1



Cho hàm truyền có dạng:

W( s) 

600
(25s  1)(10s  1)

23

(2.8)
(2.9)


Hình 2.2. Sơ đồ cấu trúc hệ kín lò nung có thời gian trễ 10s

24


- Chạy chương trình mô phỏng trên MATLAB ta tìm được Tck

Hình 2.3. Tìm được Tck

- Tìm được Tgh = Tck = 3, Kgh = K = 2
Hàm truyền của bộ điều chỉnh PID là :
� 1
�
GC  s   k P �
1
 TD s �
� TI s
�

(2.10)

Bảng 2.1. Các thông số của bộ điều chỉnh PID được xác định theo bảng sau
Thông số
Bộ điều chỉnh

KP

TI
25

TD


P

0,5Kgh

∞

0

0,45Kgh

0,83Tgh

0

0,6Kgh

0,5Tgh

0,12Tgh

PI

PID

- Thay Tck = 3, Kgh = 2 vào bảng 2.1 trên ta được:
Kp = 0.6*Kgh = 2*0.6 = 1.2
Ti = 0.5*Tgh = 0.5 * 3 = 1.5
Td = 0.12 * 3 = 0.36

2.3. Tổng quan về PLC S7-300 và WINCC
2.3.1. Giới thiệu chung về PLC S7 300
PLC là từ viết tắt của cụm từ tiếng Anh: Programmable Logic Controller, tạm
dịch sang tiếng Việt là: Thiết bị điều khiển logic khả trình.
Trong hệ thống điều khiển tự động thì PLC được xem như “trái tim” của hệ
thống điều khiển. Cùng với chương trình điều khiển ứng dụng (được lưu trữ trong bộ
nhớ của PLC) trong quá trình hoạt động thì PLC giám sát, điều khiển trạng thái hoạt

động của hệ thống thông qua các tín hiệu phản hồi từ các thiết bị nạp vào. Sau đó nó
sẽ dựa trên chương trình logic để xác định các công việc cần thiết để có các tín hiệu
đưa đến các thiết bị đầu ra.
PLC có thể sử dụng để điều khiển các quá trình đơn giản và lặp lại, hoặc một
vài trong số chúng có thể liên kết với các thiết bị điều khiển chủ hoặc các máy chủ
khác thông qua một mạng ngắn để điều khiển thống nhất các quá trình phức tạp.
Một PLC gồm có khối xử lý trung tâm (CPU) chứa chương trình ứng dụng và các
module vào/ ra, nó được ghép nối một cách trực tiếp với toàn bộ các thiết bị I/O.
Các bộ phận cơ bản:
- Bộ xử lý (CPU)
- Bộ nhớ
26