Chương 1: Tổng quan Trong chương này nhóm sẽ trình bày tổng quan về đề tài nghiên cứu, các phương pháp nghiên cứu, các mục tiêu, đối tượng, ứng dụng và phạm vi đề tài. Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trong chương này trình bày về tổng quan về hệ thống, các kiến thức liên quan. Ngoài ra còn trình bày tổng quan về các thiết bị được sử dụng trong hệ thống. Chương 3: Thiết kế phần cứng Ở chương này sẽ trình bày về những yêu cầu thiết kế phần cứng, quy trình hoạt động của hệ thống, lựa chọn các thiết bị và đưa ra các thông số kỹ thuật chính của từng thiết bị.
Chương 4: Thiết kế phần mềm Ở chương này nhóm sẽ trình bày về những yêu cầu thiết kế phần mềm, thiết kế giao diện điều khiển và giám sát qua HMI, thiết kế giao diện Web, thiết kế mô hình CNN chẩn đoán lỗi cho hệ thống, trình bày về cách trao đổi dữ liệu giữa PLC và mô hình CNN. Tổng quan Chương 5: Kết quả thực hiện Trong chương này sẽ trình bày về những kết quả đạt được của hệ thống như phần cứng, giao diện điều khiển và giám sát trên HMI và Webserver, kết quả chẩn đoán và chạy thực tế. Chương 6: Kết luận và hướng phát triển Ở chương này sẽ trình bày về ưu, nhược điểm của hệ thống và đưa ra một vài định hướng phát triển trong tương lai để nâng cao tính ứng dụng và chất lượng hệ thống vào thực tế. Cơ sở lý thuyết CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về thiết bị 2.1 Tổng quan về bộ điều khiển PLC Bộ điều khiển lập trình PLC (Programmable Logic Controller) có thể lập trình bằng nhiều ngôn ngữ như sơ đồ hình thang (LAD), sơ đồ khối (FBD), cấu trúc lệnh (STL), biểu đồ chức năng tuần tự (SFC).
Hiện nay có rất nhiều hãng sản xuất PLC như Siemens, Panasonic, Omron, Delta, Mitsubishi,. Khi sử dụng PLC thì mỗi hãng đều cung cấp cho người dùng một phần mềm chuyên dụng riêng để lập trình và mô phỏng PLC cho từng hãng. Đối với mỗi dòng thiết bị PLC của từng hãng khác nhau thì đều có những ưu và nhược điểm riêng tùy theo hệ thống mà ta sử dụng. PLC Allen – Bradley được biết đến với khả năng chịu nhiệt tốt, tuy giá thị trường tương đối cao nhưng tuổi thọ hoạt động của sản phẩm vô cùng kinh ngạc.
Với những ưu điểm trên nên PLC Allen – Bradley được các nhà máy lựa chọn trong môi trường tương đối khắc nghiệt và đòi hỏi độ ổn định cao.1: PLC Allen - Bradley PLC Siemens S7 – 1500 được thiết kế theo dạng module nhỏ gọn, với nhiều loại CPU khác nhau phù hợp cho nhiều cấp hiệu suất khác nhau, có thể giao tiếp diện truyền thông đáp ứng tiêu chuẩn cao nhất trong truyền thông công nghiệp. PLC S7 – 1500 được tích hợp sẵn cổng truyền thông Profinet (Ethernet) có thể giao tiếp với nhiều thiết bị lập trình khác, thiết bị HMI,. Có nhiều đặc điểm nổi bật như độ bền cao, chẩn đoán và sửa lỗi nhanh, dễ dàng sử dụng và lắp đặt, tích hợp chức năng bảo mật,. nên được sử dụng rất nhiều trong nhiều lĩnh vực công nghiệp.
Cơ sở lý thuyết Hình 2.2: PLC Siemens S7 - 1500 PLC Mitsubishi được thiết kế theo dạng khối tích hợp đầy đủ các ngõ in/out, đáp ứng đầy đủ đa dạng các cấu hình yêu cầu các chức năng như: Ngõ vào analog, phát xung tốc độ cao, giao tiếp truyền thông,. Có ưu điểm lớn về giá thành, độ bền cao, khả năng hoạt động ổn định ở nhiều môi trường khác nhau, đa dạng CPU phù hợp cho nhiều loại máy móc. Một số dòng PLC Misubishi thông dụng trên thị trường như: PLC Mitsubishi FX1N, PLC Mitsubishi FX2N, PLC Mitsubishi FX3G, PLC Mitsubishi FX3U.2 Tổng quan về bộ giám sát HMI HMI (Human Machine Interface) là thiết bị giao tiếp giữa người điều hành với máy móc, là một giao diện (màn hình) có chức năng hiển thị và điều khiển nhằm mục đích giúp người vận hành có thể dễ dàng kiểm soát các thiết bị và máy móc. Có thể phân loại HMI theo các tiêu chí như sau: - Theo kích thước: 3.5 inch, 4 inch, 7 inch, 10 inch, 12 inch, 15 inch,.
Cơ sở lý thuyết - Theo cổng truyền thông: USB, Ethernet, RS232, RS422, RS485,. - Theo kiểu màn hình: màn hình HMI cảm ứng và màn hình HMI không cảm ứng (TFT, LCD, Touch,.) - Theo giao thức truyền thông: MODBUS, MQTT, FTP, CANopen, SNMP,. - Theo tính năng nâng cao: SCADA, Cloud, Web Server, SQL, Email & SMS, Wifi,. - Theo dung lượng bộ nhớ: 288KB, 1MB, 2MB, 10MB,.
Với sự phát triển của màn hình HMI mà chúng ta có thể phân chia ra thành 2 nhóm là HMI hiện đại và HMI truyền thống. HMI hiện đại sẽ bao gồm 2 loại chính là HMI trên nền PC, Windows/Mac và HMI trên nền nhúng (HMI chuyên dụng). Ngoài ra còn có một số loại HMI khác như MobileHMI dùng Palm, PocketPC. Dòng HMI hiện đại được nâng cấp và cải thiện nhằm tối ưu quá trình hoạt động của thiết bị như: Tính đầy đủ kịp thời và chính xác của thông tin, cho phép người vận hành dễ dàng thay đổi bổ sung thông tin cần thiết, dễ dàng mở rộng, vận hành và sửa chữa, được trang bị một bộ nhớ có dung lượng cao, cho phép người vận hành lưu trữ được nhiều hơn trên một thiết bị, có khả năng kết nối với nhiều thiết bị khác thông qua các giao thức thường thấy hiện nay.
HMI truyền thống gồm những thiết bị xuất thông tin (Thiết bị đồng hồ đo, còi hú, đèn báo, các loại máy tự ghi trên giấy,.) và những thiết bị nhập thông tin (Nút nhấn, công tắc chuyển mạch, bàn phím,. Do loại thiết bị này đã ra đời ở những năm trước khi công nghệ chưa phát triển, khi khoa học chưa có những bước đột phá mạnh mẽ nên còn nhiều nhược điểm như: HMI truyền thống hoạt động mang lại hiệu quả chưa cao, chưa đáp ứng hoàn toàn nhu cầu của người dùng, các thông tin hay tín hiệu khi nhập hoặc xóa sẽ không hoàn toàn đầy đủ, khả năng lưu trữ thấp dẫn đến năng suất không cao nên độ tin cậy của người dùng ngày càng giảm. Một số đặc trưng của giao diện HMI: − Kích cỡ màn hình: Quyết định số lượng thông tin có thể hiển thị cùng lúc của HMI. − Màn hình cảm ứng: Quyết định khả năng thao tác vận hành.
− Dung lượng của HMI: Quyết định biến số tối đa, dung lượng lưu trữ thông tin.2 Tổng quan về bộ điều khiển PID 2.1 Khái niệm chung về bộ điều khiển PID Bộ điều khiển vi phân tích phân tỉ lệ (PID – Proportional Integral Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp ngày nay, là bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất trong các bộ điều khiển phản hồi. Bộ điều khiển PID sẽ tính toán các giá trị “sai số” là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn bằng việc giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào. Khi kiểu điều khiển của các hệ thống là giống nhau nên để đạt được kết quả tốt nhất thì các thông số PID phải được điều chỉnh dựa theo tính chất hay đặc thù của hệ thống.4: Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID Giải thuật tính toán của bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số chính, hay còn được gọi là bộ điều khiển 3 khâu, là giá trị tỉ lệ (P – Proportional), tích phân (I – Intergral), đạo hàm (D – Derivative). Giá trị tỉ lệ xác định tác động đến sai số hiện tại, giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ, giá trị vi phân xác định tác động của biến đổi sai số.
Kết quả của ba tác động này sẽ điều chỉnh quá trình thông qua một phần tử điều khiển như công suất bơm, vị trí van điều khiển hay bộ gia nhiệt. Bằng việc điều chỉnh 3 thông số của bộ điều khiển PID, có thể dùng bộ điều khiển trong những hệ thống có yêu cầu đặc biệt. Ngoài ra, khi chỉ sử dụng một hoặc hai khâu tùy theo hệ thống, bộ điều khiển PID sẽ được gọi là bộ điều khiển PI, PD.2 Các phương pháp điều chỉnh PID Có nhiều phương pháp để điều chỉnh thông số của bộ điều khiển PID. Những phương pháp hữu hiệu thường bao gồm những triển khai của vài dạng mô hình xử lý, sau đó chọn P, I, và D dựa trên thông số của mô hình động học.
Lựa chọn phương 8 Chương 2. Cơ sở lý thuyết pháp thích hợp sẽ phụ thuộc phần lớn vào việc điều chỉnh “offline” và đáp ứng thời gian của hệ thống. Nếu hệ thống có thể thực hiện “offline”, phương pháp điều chỉnh tốt nhất thường bao gồm bắt hệ thống thay đổi đầu vào từng bước, sử dụng đáp ứng này để xác định thông số điều khiển.1: Các phương pháp điều chỉnh PID Phương pháp Ưu điểm Khuyết điểm Điều chỉnh thủ Không cần hiểu biết về Người điều khiển phải công toán. Phương pháp online.
Phải điều chỉnh nhiều Ziegler – Phương pháp chứng minh. lần, rối loạn quá trình Nichols Phương pháp online. Điều chỉnh chắc chắn. Cho phép mô phỏng trước khi tải Các phần mềm xuống để đưa vào hệ thống.
Giá thành cao điều chỉnh Phương pháp online hoặc offline. − Điều chỉnh thủ công Đầu tiên, ta sẽ thiết đặt giá trị đầu tiên của Ki và Kd bằng không. Tăng dần Kp cho đến khi vòng điều khiển dao động, sau đó Kp có thể đặt tới xấp xỉ một nửa giá trị đo để đạt được đáp ứng ứng với “1/4 giá trị suy giảm biên độ”. Sau đó tăng Ki đến giá trị phù hợp sao cho đủ thời gian xử lý, tuy nhiên Ki quá lớn sẽ gây mất ổn định.
Cuối cùng tăng Kd cho đến khi vòng điều khiển nhanh có thể chấp nhận được nhanh chóng lấy lại được giá trị đặt sau khi nhiễu, tuy nhiên Kd quá lớn sẽ gây đáp ứng dư và vọt lố.2: Điều chỉnh thủ công Thời gian Thời gian xác Sai số ổn Thông số Quá độ Độ ổn định khởi động lập định Kp Giảm Tăng Thay đổi nhỏ Giảm Giảm Giảm đáng Ki Giảm Tăng Tăng Giảm kể Không tác Cải thiện nếu Kd Giảm Giảm ít Giảm ít động Kd nhỏ − Phương pháp Ziegler – Nichols 9 Chương 2. Cơ sở lý thuyết Đây là phương pháp điều chỉnh theo kinh nghiệm, tương tự như phương pháp trên, độ lợi Ki và Kd, lúc đầu được gán bằng không. Độ lợi P được tăng cho đến khi tiến tới độ lợi giới hạn, Ku, ở đầu ra của vòng điều khiển bắt đầu dao động. Ku và thời gian dao động Pu được dùng để gán độ lợi như sau: Bảng 2.