Điều Khiển Nhiệt Bằng Module PID Của Phần Mềm Step7

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu điều khiển đối tượng nhiệt bằng module pid mềm của phần mềm step 7, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong lĩnh vực .

• Tác giả: Nguyễn Thị Thúy
• Người hướng dẫn: GS. Phan Xuân Minh
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Điều Khiển Nhiệt Bằng Module PID Trong Phần Mềm Step7
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Điều Khiển Nhiệt Bằng Module PID Trong Phần Mềm Step7

Điều khiển nhiệt bằng module PID là một trong những phương pháp hiệu quả nhất trong tự động hóa công nghiệp. Phần mềm Step7 của Siemens cung cấp các công cụ mạnh mẽ để lập trình và điều khiển các hệ thống tự động. Việc sử dụng module PID giúp duy trì nhiệt độ ổn định, giảm thiểu sai số và cải thiện hiệu suất của hệ thống. Bài viết này sẽ đi sâu vào các khía cạnh quan trọng của điều khiển nhiệt bằng module PID.

1.1. Module PID Là Gì Và Tại Sao Quan Trọng

Module PID (Proportional-Integral-Derivative) là một công cụ điều khiển tự động giúp duy trì giá trị đầu ra ở mức mong muốn. Nó hoạt động dựa trên ba thành phần chính: tỷ lệ, tích phân và đạo hàm. Sự kết hợp này cho phép điều chỉnh nhanh chóng và chính xác các biến số trong hệ thống.

1.2. Phần Mềm Step7 Và Các Tính Năng Nổi Bật

Phần mềm Step7 cung cấp giao diện thân thiện và các công cụ lập trình mạnh mẽ cho việc thiết kế hệ thống điều khiển. Nó hỗ trợ lập trình PLC, giúp người dùng dễ dàng cấu hình và điều chỉnh các tham số của module PID, từ đó tối ưu hóa quy trình điều khiển.

II. Thách Thức Trong Điều Khiển Nhiệt Bằng Module PID

Mặc dù module PID mang lại nhiều lợi ích, nhưng việc điều khiển nhiệt cũng gặp phải một số thách thức. Các yếu tố như độ trễ trong hệ thống, nhiễu từ môi trường và sai số cảm biến có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của bộ điều khiển. Việc nhận diện và điều chỉnh các tham số PID là rất quan trọng để đạt được hiệu quả tối ưu.

2.1. Độ Trễ Trong Hệ Thống

Độ trễ là một trong những vấn đề lớn trong điều khiển nhiệt. Khi có độ trễ, phản ứng của hệ thống sẽ chậm hơn so với tín hiệu đầu vào, dẫn đến sai số lớn. Việc điều chỉnh tham số PID cần phải tính đến độ trễ này để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả.

2.2. Nhiễu Từ Môi Trường

Nhiễu từ môi trường có thể làm giảm độ chính xác của cảm biến đo nhiệt độ. Điều này có thể dẫn đến việc bộ điều khiển PID không phản ứng đúng với các thay đổi trong nhiệt độ. Cần có các biện pháp để giảm thiểu nhiễu và cải thiện độ chính xác của hệ thống.

III. Phương Pháp Tuning PID Để Tối Ưu Hóa Hiệu Suất

Tuning PID là quá trình điều chỉnh các tham số của bộ điều khiển để đạt được hiệu suất tối ưu. Có nhiều phương pháp tuning khác nhau, bao gồm phương pháp Ziegler-Nichols, phương pháp IMC và phương pháp tối ưu mô hình. Mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp là rất quan trọng.

3.1. Phương Pháp Ziegler Nichols

Phương pháp Ziegler-Nichols là một trong những phương pháp phổ biến nhất để tuning PID. Nó dựa trên việc xác định các tham số Kp, Ki và Kd thông qua các thử nghiệm thực tế. Phương pháp này giúp nhanh chóng đạt được các tham số tối ưu cho bộ điều khiển.

3.2. Phương Pháp IMC

Phương pháp IMC (Internal Model Control) là một phương pháp tuning hiện đại, cho phép điều chỉnh các tham số PID dựa trên mô hình của hệ thống. Phương pháp này giúp cải thiện độ ổn định và giảm thiểu sai số trong quá trình điều khiển.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Điều Khiển Nhiệt Bằng Module PID

Điều khiển nhiệt bằng module PID được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ sản xuất công nghiệp đến hệ thống HVAC. Các ứng dụng này không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn nâng cao hiệu suất và độ chính xác trong quy trình sản xuất.

4.1. Ứng Dụng Trong Ngành Sản Xuất

Trong ngành sản xuất, điều khiển nhiệt bằng module PID giúp duy trì nhiệt độ ổn định trong các quy trình như nấu, làm khô và gia nhiệt. Điều này không chỉ cải thiện chất lượng sản phẩm mà còn giảm thiểu lãng phí năng lượng.

4.2. Ứng Dụng Trong Hệ Thống HVAC

Trong hệ thống HVAC, module PID được sử dụng để điều chỉnh nhiệt độ và độ ẩm trong các tòa nhà. Việc sử dụng PID giúp tối ưu hóa việc tiêu thụ năng lượng và tạo ra môi trường sống thoải mái cho người sử dụng.

V. Kết Luận Về Tương Lai Của Điều Khiển Nhiệt Bằng Module PID

Điều khiển nhiệt bằng module PID sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong tự động hóa công nghiệp. Với sự phát triển của công nghệ và phần mềm, các phương pháp điều khiển sẽ ngày càng trở nên chính xác và hiệu quả hơn. Tương lai của điều khiển nhiệt hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cải tiến và ứng dụng mới.

5.1. Xu Hướng Phát Triển Công Nghệ

Công nghệ điều khiển sẽ tiếp tục phát triển với sự xuất hiện của các thuật toán học máy và trí tuệ nhân tạo. Những công nghệ này sẽ giúp cải thiện khả năng tự động hóa và tối ưu hóa quy trình điều khiển.

5.2. Tích Hợp Với Các Hệ Thống Thông Minh

Việc tích hợp module PID với các hệ thống thông minh như SCADA và IoT sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho việc điều khiển và giám sát. Điều này sẽ giúp nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong các quy trình công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Mục tiêu của luận văn Hiện nay, các thiết bị điều khiển quá trình nhƣ các hệ PLC, DCS đƣợc sử dụng rất nhiều trong công nghiệp. Ƣu điểm cơ bản của hệ thống thiết bị này là tính tiện ích trong việc tích hợp hệ thống tự động hóa do ngoài cung cấp các thiết bị phần cứng, các hãng còn cung cấp các phần mềm hỗ trợ cho công việc tích hợp hệ thống. Trong điều khiển quá trình, các hệ thống tự động hóa tích hợp trên cơ sở các thiết bị này có độ bền cao, ít hỏng hóc và khả năng thay đổi chế độ công tác cũng nhƣ các tham số rất linh hoạt.

Để giúp cho công tác đào tạo tại Trƣờng Cao đẳng nghề Yên Bái trong lĩnh vực tự động hóa, kết hợp với việc khai thác các thiết bị phục vụ giảng dạy của trƣờng Đại học Công nghiệp Thái Nguyên, học viên chọn đề tài: “Điều khiển đối tượng nhiệt bằng module PID mềm của phần mềm STEP7” Với đề tài này học viên có cơ hội tìm hiểu về thiết bị PLC của hãng Siemens, thực hành thiết kế và lập trình hệ thống điều khiển tự động cho đối tƣợng công nghiệp (cụ thể là đối tƣợng nhiệt) bằng các thiết bị và công cụ phần mềm của Trƣờng Đại học Công nghiệp Thái Nguyên. Mục tiêu nghiên cứu Trang bị cho học viên các kiến thức và phƣơng pháp mô hình hóa đối tƣợng bằng thực nghiệm. Sử dụng thành thạo công cụ nhận dạng hệ thống của phần mềm Matlab Simulink (Identification Tool) để mô hình hóa đối tƣợng điều khiển tuyến tính với độ chính xác tƣơng đối cao. Khai thác sử dụng thành thạo các module điều khiển quá trình của STEP7 và nâng kỹ năng lập trình hệ thống điều khiển.

Về lý thuyết trang bị cho học viên các phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển PID, khả năng phân tích và lựa chọn phƣơng pháp thiết kế phù hợp cho đối tƣợng điều khiển. Nội dung luận văn Nội dung luận văn gồm 3 chƣơng: Chƣơng I: Nhận dạng hệ thống gia nhiệt Chƣơng II: Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống gia nhiệt Chƣơng III: Tổng hợp bộ điều khiển cho hệ thống gia nhiệt bằng PLC S7-300 2 CHƢƠNG 1: NHẬN DẠNG HỆ THỐNG GIA NHIỆT 1. Giới thiệu mô hình hệ thống gia nhiệt Hệ thống thí nghiệm điều khiển gia nhiệt CRT 916921 đã đƣợc trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên trang bị cho phòng thí nghiệm chuyên ngành điều khiển tự động có cấu tạo nhƣ sau: Hình 1.1: Mô hình hệ thống thí nghiệm điều khiển gia nhiệt CRT 916921 Mô hình bao gồm các khối nhƣ sau: + Bình gia nhiệt + Dây điện trở dùng để gia nhiệt + Cảm biến đo nhiệt độ + Mạch biến đổi điện áp AC/AC + Bộ chuyển đổi AD/DA + Máy bơm + Bồn chứa nƣớc + Hai van điện từ + Màn hình hiển thị nhiệt độ sử dụng LED 7 thanh + Máy tính Trong đó các khối có chức năng nhƣ sau: 3 1. Bình gia nhiệt Bình gia nhiệt dùng để chứa nƣớc sau khi gia nhiệt có các thông số kỹ thuật bảng và hình vẽ nhƣ sau: Thông số kỹ thuật Thể tích 1 lít Loại bể Tự tràn Hình dạng Hình bầu dục Thời gian hiệu Không cần thiết chuẩn Thủy tinh chịu Vật liệu chế tạo bình nhiệt 1 đầu vào lấy nƣớc Đầu vào thông qua bơm từ bồn chứa Hình 1.2: Bình gia nhiệt 1.

Dây điện trở dùng để gia nhiệt Dây điện trở nhận điện áp từ mạch công suất có dải trong khoảng từ 0V đến 220V, nó sẽ đốt nóng và làm cho nƣớc trong bình gia nhiệt tăng lên theo yêu cầu của bài toán. Các đặc tính và thông số kỹ thuật cho nhƣ sau: Thông số kỹ thuật Điện áp định mức 220V Dòng điện định mức 2A Khoảng nhiệt độ -50 đến 2000C Vật liệu chế tạo Niken Kích thƣớc 4cm x 12cm Hình 1.3: Dây điện trở 1. Cảm biến đo nhiệt độ Để đo nhiệt độ, dùng cảm biến PT 100 (RTD) đƣợc cấu tạo từ kim loại Platinum và quấn tùy theo hình dáng của đầu dò nhiệt có giá trị điện trở khi ở 00C là 100 Ohm, đây là một loại cảm biến thụ động nên khi sử dụng cần một nguồn ngoài ổn định, có dải đo từ 500C đến 2000C. PT100 có hình dạng và các thông số kỹ thuật đƣợc cho nhƣ dƣới bảng sau: 4 Hình 1.4: Cảm biến đo nhiệt độ - Bảng thông số kỹ thuật cảm biến đo nhiệt độ: Thông số kỹ thuật Nguyên lý đo Đo áp Khoảng đo -50 đến 2000C Thời gian đáp ứng < 5 giây Thời gian hiệu chuẩn Không cần thiết Khoảng nhiệt độ -50 đến 2000C Sai lệch giá trị đo ± 10C Cáp Cáp 4 dây 1.

Mạch biến đổi xoay chiều xoay chiều 1 pha Mạch biến đổi AC/AC có nhiệm vụ nhận tín hiệu điều khiển đặt vào các van T1 và T2, sau đó biến đổi điện áp đầu ra trong dải từ 0V đến 220V để cung cấp cho dây điện trở dùng gia nhiệt. Sơ đồ nguyên lý, giản đồ điện áp và dòng điện đƣợc cho nhƣ sau: T1 A1 A2 T2 U1 i U2 5 T1 A1 A2 T2 U tải i  1 2 1 2 3  iG1 i G2 1. Bộ chuyển đổi AD/DA – Dùng cho điều khiển bằng máy tính Bộ chuyển đổi có nhiệm vụ đọc tín hiệu đo, thông qua chuyển đổi ADC để đƣa vào máy tính thông qua cổng RS232. Sau đó, tín hiệu điều khiển từ máy tính thông qua bộ DAC để xuất ra điều khiển đối tƣợng.

Tuy nhiên, trong đề tài do có sử dụng bộ PLC S7-300 nên ta không cần thông qua bộ giao tiếp trên.5: Bộ giao tiếp AD/DA 6 1. Máy bơm và hai van điện từ Hai bơm (pump1 và pump2) dùng để bơm nƣớc lạnh vào bình gia nhiệt (coi là nhiễu phụ tải), lƣợng nƣớc bơm vào phụ thuộc vào độ mở van tính theo phần trăm (0% đến 100%) của van Noise.6: Mô hình hệ thống gia nhiệt 1. Quy trình hệ thống gia nhiệt và các yêu cầu Tín hiệu nhiệt độ phản hồi về (được quy đổi sang dải từ 0 đến 5V – tương ứng từ 0% đến 100%) đƣợc so sánh với tín hiệu nhiệt độ đặt (được quy đổi từ 0% đến 100%), sai lệch tín hiệu điều khiển đƣợc đƣa đến bộ điều khiển PID, dựa trên thuật toán của bộ điều khiển, sẽ xuất ra tín hiệu điều khiển tƣơng ứng có dải từ 0V đến 5V đƣa đến bộ biến đổi AC/AC, bộ biến đổi sẽ biến đổi điện áp từ 0 đến 220V tùy theo độ lớn của tín hiệu điều khiển, nếu tín hiệu điều khiển là 0V thì điện áp đầu ra tƣơng ứng 220V và nếu tín hiệu điều khiển là 5V thì điện áp đầu ra là 0V. Dây điện trở gia nhiệt nhận điện áp từ bộ biến đổi xoay chiều xoay chiều để đốt nóng và làm cho nhiệt độ bình chứa tăng.

Trong quá trình gia nhiệt thì nƣớc lạnh từ bồn chứa (coi là nhiễu phụ tải) đƣợc bơm vào trong bình gia nhiệt thông qua máy bơm nƣớc đƣợc điều khiển ON/OFF bằng tay. Lƣu lƣợng nƣớc vào đƣợc điều khiển thông qua 2 7 van điện từ 1 và 2. Bình gia nhiệt là loại bình tự tràn (khi nước đầy thì nó được thoát ra theo đường ống đặt bên trên miệng bình). Các biến quá trình nhƣ sau: Tín hiệu Bộ biến đổi AC/AC Nhiễu tải nhiệt độ đặt Bộ điều Đối tượng khiển PID gia nhiệt Tín hiệu điều Điện áp Nhiệt độ đầu khiển 0V-5V 0V- 220 V ra của bình gia nhiệt - Biến vào: Nhiệt độ đặt đƣợc quy ra phần trăm từ 0% – 100% - Biến điều khiển: Điện áp điều khiển lấy từ đầu ra của bộ PID có dải từ 0V đến 5V.

Thông qua bộ chỉnh lƣu AC/AC biến đổi điện áp đặt vào điện trở gia nhiệt có dải từ 0V – 220V - Biến ra: Nhiệt độ đầu ra của bình gia nhiệt đƣợc xác định từ sensor nhiệt PT 100 có dải từ - 200C đến 2000C và thông qua một mạch chuyển đổi chuẩn hóa đầu ra từ 0V đến 5V. - Nhiễu tải: Là độ mở của hai van điện từ để tăng lƣu lƣợng nƣớc vào bình gia nhiệt (van từ được đóng mở ON/OFF bằng tay) Theo đó, các yêu cầu về gia nhiệt đƣợc cho nhƣ sau: - Sai số tuyệt đối của phép đo nhiệt độ đo nằm trong khoảng ±10C - Độ quá điều chỉnh trong quá trình gia nhiệt: 10% nhiệt độ đặt - Sai lệch khi hê thống ở trạng thái xác lập: ± 5% nhiệt độ đặt - Thời gian gia nhiệt (thời gian đáp ứng): Tối đa là 60 giây sau khi bắt đầu gia nhiệt. Thiết bị gia nhiệt CRT 916921 đƣợc trƣờng ĐHKTCN Thái Nguyên mua về từ năm 2000. Phần mềm đƣợc tích hợp sẵn, viết trên ngôn ngữ C sử dụng chuẩn giao tiếp RS232.

Các tài liệu chuyển giao hiện nay hầu nhƣ không dùng đƣợc và các máy tính hiện tại không còn sử dụng đĩa mềm. Hơn nữa sau khoảng thời gian dài làm việc, các thông số của đối tƣợng bị thay đổi, hàm truyền của đối tƣợng không còn đúng. Do vậy việc nhận dạng lại hệ thống là cần thiết. Việc nhận dạng hệ thống sẽ đƣợc tiến hành qua các bƣớc sau: - Lấy số liệu thực nghiệm 8 - Sử dụng Toolbox Indenfication trong Matlab để tiến hành nhận dạng 1.

Tìm hiểu Toolbox Identification của Matlab Nhận dạng đối là một trong những bƣớc đầu tiên và quan trọng để thực hiện quá trình thiết kế điều khiển cho đối tƣợng. Sau khi thu thập đƣợc dữ liệu vào ra theo thời gian hoặc là phổ tín hiệu của đối tƣợng nhiệm vụ của việc nhận dạng đối tƣợng là tìm mô hình toán học, hàm truyền đạt thích hợp mô tả gần đúng nhất đối tƣợng thực. Để dễ dàng cho quá trình nhận dạng thì trong matlab có toolbox system identification toolbox để giúp chúng ta thực hiện dễ dàng trực quan, nhanh chóng. Các bƣớc thực hiện quá trình nhận dạng đƣợc tiến hành nhƣ sau: Bƣớc 1: Chuẩn bị dữ liệu nhận dạng 1.

Dữ liệu đƣợc nhập trƣớc tiếp từ cửa sổ Matlab Ta nhập giá trị vào u1,y1 rồi lƣu nó vào trong file.Dữ liệu lƣu trong exel Để đọc dữ liệu từ trong exel ta dùng lệnh xlsread A=xlsread(„path\file.xls‟,1,‟A1:A10‟) A= xlsread(„path\file.xls‟,2)A=xlsread(„path\file.xls‟) Bƣớc 2: Mở System Identification Tool GUI, gõ lệnh.7: Cửa sổ mô hình nhận dạng Bƣớc 3: Nhập dữ liệu trong miền thời gian vào công cụ nhận dạng: 9 Sử dụng lệnh trong Matlab: data1=iddata(y,u,T); T: Chu kỳ trích mẫu Hình 1.8 : Nhập đối tượng vào công cụ nhận dạng Bƣớc 4: Vẽ và tiền xử lý dữ liệu. Bộ tiền xử lý sẽ loại bỏ giá trị trung bình và tự động đặt thêm ký tự d. Sử dụng lệnh trong Matlab: data2 = detrend(data1) Hình 1.9: Loại bỏ giá trị trung bình Di chuyển mô hình iddatad thả vào working data để tiếp tục nhận dạng mô hình.