Luận văn thạc sĩ về nâng cao chất lượng bộ điều khiển PID trong công nghiệp

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện nghiên cứu nâng cao chất lượng bộ điều khiển PID trong công nghiệp, ứng dụng và hiệu quả thực tiễn.

• Người hướng dẫn: PGS.TS Thái Quang Vinh
• Trường học: Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Điều Khiển Tự Động
• Đề tài: Nâng Cao Chất Lượng Bộ Điều Khiển PID Trong Công Nghiệp
• Loại tài liệu: Luận Văn Cao Học
• Năm xuất bản: 2004
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG SCADA TRÊN CƠ SỞ RSVIEW32 VÀ MẠNG PLC CỦA ALLEN-BRADLEY
• 1.1. PLC của Allen-Bradley và mạng công nghiệp DH485
• 1.1.1. Cấu trúc phần cứng của SLC500
• 1.1.2. Nguyên tắc hoạt động của SLC 500
• 1.1.3. Tổ chức vùng nhớ dữ liệu của SLC 500
• 1.1.4. Cấu trúc hộ lệnh của SLC 500
• 1.1.5. Giới thiệu về phần mềm lập trình RSLogix 500
• 1.1.6. Giới thiệu về mạng DH-485 của Allen-Bradley
• 1.2. RSVIEW32 và tổ chức hệ SCADA
• 1.2.1. Khái quát về hệ SCADA
• 1.2.2. Hệ SCADA của Allen-Bradley (AB)
• 1.2.3. Phần mềm công cụ SCADA RSView32
• 1.3. Tổ chức bộ điều khiển PID trên SLC 500
• 1.3.1. Cấu trúc vòng điều khiển trên PLC
• 1.3.2. Các khai báo tham số bộ điều khiển PID
• 1.3.3. Thuật toán điều khiển PID trên SLC 500
• 2. CHƯƠNG 2: CHIA SẺ DỮ LIỆU GIỮA RSVIEW32 VỚI DDE SERVER
• 2.1. RSLINX và kết nối dữ liệu động trên nền Windows
• 2.1.1. Giới thiệu phần mềm RSLinx
• 2.1.2. Liên kết với DDE (Dynamic Data Exchange) server
• 2.2. Microsoft Excel và chia sẻ dữ liệu với RSView32
• 2.3. Đánh giá chất lượng PID qua dữ liệu trên Microsoft Excel
• 3. CHƯƠNG 3: MỘT SỐ THUẬT HIỆU CHỈNH CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN PID
• 3.1. Hiệu chỉnh tham số PID bằng phương pháp thống kê
• 3.1.1. Nội dung phương pháp
• 3.1.2. Chỉ tiêu chất lượng điều khiển thông qua các đánh giá thống kê
• 3.1.3. Phương pháp tù chỉnh tham số PID bằng phương pháp đơn hình
• 3.2. Hiệu chỉnh mờ tham số PID
• 3.2.1. Nội dung phương pháp
• 3.2.2. Tổ chức chương trình hiệu chỉnh tham số PID
• 3.2.3. Sơ đồ khởi thuật toán hiệu chỉnh
• 3.3. Nâng cao chất lượng điều khiển PID bằng hiệu chỉnh mờ giá trị đặt
• 3.3.1. Bộ điều khiển PID với hồ sơ trắng của giá trị đặt
• 3.3.2. Hiệu chỉnh mờ hồ sơ trắng của giá trị đặt
• 3.3.3. Những nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM
• 4.1. Xây dựng hệ thực nghiệm
• 4.2. Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm
• Kết luận
• Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Tổng quan về nâng cao chất lượng bộ điều khiển PID trong công nghiệp điện

Bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) là một trong những công nghệ điều khiển phổ biến nhất trong ngành công nghiệp điện. Việc nâng cao chất lượng bộ điều khiển PID không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu chi phí vận hành. Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, việc tối ưu hóa bộ điều khiển PID trở thành một yêu cầu cấp thiết để đáp ứng nhu cầu sản xuất ngày càng cao.

1.1. Định nghĩa và vai trò của bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID là một thuật toán điều khiển tự động, giúp duy trì giá trị đầu ra ổn định bằng cách điều chỉnh các tham số điều khiển. Vai trò của nó trong công nghiệp điện là rất quan trọng, đặc biệt trong việc điều chỉnh nhiệt độ, áp suất và lưu lượng.

1.2. Lịch sử phát triển của bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID đã được phát triển từ những năm 1920 và đã trải qua nhiều cải tiến. Sự phát triển này đã giúp bộ điều khiển PID trở thành một công cụ không thể thiếu trong các hệ thống điều khiển tự động hiện đại.

II. Vấn đề và thách thức trong việc nâng cao chất lượng bộ điều khiển PID

Mặc dù bộ điều khiển PID rất hiệu quả, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức trong việc tối ưu hóa nó. Các vấn đề như độ trễ, nhiễu tín hiệu và sự không ổn định của hệ thống có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của bộ điều khiển. Việc nhận diện và khắc phục những vấn đề này là rất quan trọng để nâng cao chất lượng bộ điều khiển PID.

2.1. Độ trễ trong hệ thống điều khiển

Độ trễ là một trong những vấn đề phổ biến nhất trong các hệ thống điều khiển. Nó có thể dẫn đến sự không ổn định và giảm hiệu suất của bộ điều khiển PID. Việc giảm thiểu độ trễ là cần thiết để cải thiện chất lượng điều khiển.

2.2. Nhiễu tín hiệu và ảnh hưởng đến hiệu suất

Nhiễu tín hiệu có thể làm giảm độ chính xác của bộ điều khiển PID. Việc sử dụng các bộ lọc và kỹ thuật xử lý tín hiệu có thể giúp giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu đến hiệu suất điều khiển.

III. Phương pháp tối ưu hóa bộ điều khiển PID hiệu quả

Để nâng cao chất lượng bộ điều khiển PID, có nhiều phương pháp tối ưu hóa khác nhau. Các phương pháp này bao gồm điều chỉnh tham số PID, sử dụng thuật toán điều khiển mờ và áp dụng các công nghệ mới như học máy. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng.

3.1. Điều chỉnh tham số PID

Điều chỉnh tham số PID là một trong những phương pháp cơ bản nhất để tối ưu hóa bộ điều khiển. Việc xác định giá trị tối ưu cho các tham số P, I, D có thể giúp cải thiện đáng kể hiệu suất điều khiển.

3.2. Sử dụng thuật toán điều khiển mờ

Thuật toán điều khiển mờ cho phép bộ điều khiển hoạt động hiệu quả hơn trong các điều kiện không chắc chắn. Phương pháp này giúp cải thiện độ ổn định và độ chính xác của bộ điều khiển PID.

IV. Ứng dụng thực tiễn của bộ điều khiển PID trong công nghiệp điện

Bộ điều khiển PID được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của công nghiệp điện, từ điều khiển nhiệt độ trong lò hơi đến điều khiển áp suất trong hệ thống đường ống. Những ứng dụng này cho thấy tính linh hoạt và hiệu quả của bộ điều khiển PID trong việc tối ưu hóa quy trình sản xuất.

4.1. Điều khiển nhiệt độ trong lò hơi

Trong ngành công nghiệp điện, việc duy trì nhiệt độ ổn định trong lò hơi là rất quan trọng. Bộ điều khiển PID giúp điều chỉnh nhiệt độ một cách chính xác, đảm bảo hiệu suất hoạt động của lò hơi.

4.2. Điều khiển áp suất trong hệ thống đường ống

Bộ điều khiển PID cũng được sử dụng để duy trì áp suất ổn định trong các hệ thống đường ống. Việc này giúp ngăn ngừa sự cố và đảm bảo an toàn cho hệ thống.

V. Kết luận và tương lai của bộ điều khiển PID trong công nghiệp điện

Bộ điều khiển PID vẫn là một trong những công nghệ điều khiển quan trọng nhất trong ngành công nghiệp điện. Với sự phát triển của công nghệ, bộ điều khiển PID sẽ tiếp tục được cải tiến và tối ưu hóa để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của ngành công nghiệp. Tương lai của bộ điều khiển PID hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cơ hội mới cho các ứng dụng trong công nghiệp.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ điều khiển

Công nghệ điều khiển đang phát triển nhanh chóng với sự xuất hiện của các thuật toán mới và công nghệ thông minh. Điều này sẽ mở ra nhiều cơ hội cho việc cải tiến bộ điều khiển PID.

5.2. Tích hợp công nghệ mới vào bộ điều khiển PID

Việc tích hợp các công nghệ mới như IoT và học máy vào bộ điều khiển PID sẽ giúp nâng cao hiệu suất và khả năng tự động hóa của hệ thống điều khiển.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong các hệ thống sản xuất công nghiệp hiện đại, khoảng 90% đến 95% các vòng lặp điều khiển cơ sở vẫn đang ứng dụng thuật toán tỉ lệ - tích phân - vi phân (PID). Tuy nhiên, trước yêu cầu ngày càng khắt khe về độ chính xác, tính ổn định và khả năng thích nghi với các đối tượng phi tuyến có tham số biến đổi theo thời gian, việc nâng cao chất lượng của bộ điều khiển PID trở thành bài toán cấp thiết hàng đầu. Đề tài luận văn thạc sĩ chuyên ngành Điều khiển tự động thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội trong giai đoạn 2002 - 2004 tập trung giải quyết bài toán cốt lõi: nghiên cứu cấu trúc, cải tiến thuật toán và hiện đại hóa phương pháp hiệu chỉnh tham số bộ điều khiển PID trên nền tảng phần cứng PLC Allen-Bradley SLC 500 kết hợp hệ thống SCADA RSView32.

Mục tiêu cụ thể của công trình là xây dựng mô hình điều khiển vòng kín tích hợp mạng công nghiệp DH-485 với tốc độ truyền thông lên tới 19,2 kbit/s, hỗ trợ tối đa 32 trạm kết nối trong khoảng cách đường truyền đạt 1.219 m. Nghiên cứu hướng đến việc giảm sai số xác lập xuống dưới 1%, hạn chế độ quá điều chỉnh xuống mức dưới 5% và rút ngắn thời gian đáp ứng quá độ khoảng 25% đến 30% so với phương pháp điều khiển tham số cố định truyền thống. Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện rõ nét qua việc cung cấp giải pháp chuyển giao dữ liệu động thời gian thực (DDE) giữa phần mềm SCADA và công cụ phân tích dữ liệu Microsoft Excel, mở ra hướng ứng dụng tin cậy cho các dây chuyền sản xuất trong ngành điện lực, hóa chất và luyện kim.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn được xây dựng dựa trên sự giao thoa của 3 nền tảng lý thuyết điều khiển học và tự động hóa: lý thuyết điều khiển phản hồi kinh điển (Classical Feedback Control), lý thuyết tập mờ (Fuzzy Logic Control) và phương pháp tối ưu hóa thống kê không đạo hàm (Simplex Optimization).

• Biến quá trình (Process Variable - PV) và Giá trị đặt (Set Point - SP): Đại lượng đo lường thực tế từ đối tượng thông qua cảm biến chuyển đổi dòng 4-20mA hoặc áp 0-10VDC và mức tham chiếu mục tiêu được số hóa trong dải từ 0 đến 16.384 mức logic.
• Biến điều khiển (Control Variable - CV): Tín hiệu đầu ra tính toán từ thuật toán PID với dải biểu diễn từ 0 đến 16.383 (tương đương 0% đến 100% CV) để tác động trực tiếp tới cơ cấu chấp hành công nghiệp.
• Cấu trúc khối điều khiển (Control Block): Tập hợp cố định 23 từ nhớ (words 16-bit từ N:0 đến N:22) lưu trữ toàn bộ thông số thuật toán như hệ số khuếch đại tỉ lệ $K_c$, thời gian tích phân $T_i$, thời gian vi phân $T_d$, dải chết (Deadband) và chu kỳ cập nhật vòng lặp (Loop Update).
• Điều khiển mờ hiệu chỉnh tham số và trọng số giá trị đặt: Kỹ thuật sử dụng các luật mờ IF-THEN để thay đổi động các hệ số $K_c, T_i, T_d$ hoặc điều chỉnh hệ số trọng của SP nhằm tối ưu hóa đáp ứng trong từng giai đoạn quá độ.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa mô phỏng toán học trên máy tính và thực nghiệm trực tiếp trên hệ thống phần cứng công nghiệp. Bộ điều khiển khả trình PLC SLC 5/03 với dung lượng bộ nhớ chương trình 16K và khả năng quản trị tới 960 điểm vào/ra được lựa chọn làm thiết bị xử lý trung tâm. Dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ mô hình đối tượng công nghiệp với cỡ mẫu kiểm định gồm 1.200 điểm đo thời gian thực được trích xuất liên tục qua giao thức trao đổi dữ liệu động DDE và RSLinx sang bảng tính Microsoft Excel.

Phương pháp chọn mẫu dựa trên việc lấy mẫu theo chu kỳ quét vòng lặp (Loop Update) từ 0,01 giây đến 10,24 giây, đảm bảo tốc độ quét nhanh gấp 5 đến 10 lần hằng số thời gian dao động riêng của đối tượng. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích thống kê kết hợp thực nghiệm là nhằm đánh giá chính xác các chỉ tiêu chất lượng động học (độ quá điều chỉnh, thời gian quá độ, tích phân sai số tuyệt đối IAE) trong môi trường có nhiễu công nghiệp thực tế mà các mô hình giải tích thuần túy khó phản ánh đầy đủ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, việc cấu hình thành công mạng truyền thông công nghiệp DH-485 liên kết giữa PLC SLC 5/03, phần mềm RSLogix 500 và hệ SCADA RSView32 cho phép trao đổi dữ liệu ổn định với tốc độ truyền 19,2 kbit/s. Quá trình truyền tin theo giao thức Token Passing giữa 32 thiết bị trên khung máy 30 slot đạt độ tin cậy xấp xỉ 99,8%, không xuất hiện tình trạng nghẽn bus hoặc trễ gói tin.

Thứ hai, thuật toán tự chỉnh tham số PID bằng phương pháp thống kê kết hợp đơn hình giúp tối ưu hóa nhanh chóng bộ thông số $K_c, T_i, T_d$. So với phương pháp chỉnh định thủ công truyền thống, thời gian xác lập của hệ thống giảm khoảng 28,4%, đồng thời tích phân bình phương sai số (ISE) giảm 32,6%.

Thứ ba, cấu trúc PID mờ tự chỉnh (Fuzzy PID) và hiệu chỉnh mờ hệ số trọng giá trị đặt mang lại bước đột phá về chất lượng điều khiển. Độ quá điều chỉnh tối đa giảm mạnh từ 18,5% ở bộ PID tiêu chuẩn xuống còn 4,2% ở bộ PID mờ, trong khi sai số xác lập được triệt tiêu hoàn toàn về mức 0% trong dải chết cho phép.

Thứ tư, giải pháp tích hợp DDE Server với Microsoft Excel đã hiện đại hóa quy trình thu thập dữ liệu tự động, ghi nhận hơn 10.000 điểm dữ liệu nhật ký vận hành mà không làm gia tăng tải xử lý của CPU quá 12%.

Thảo luận kết quả

Kết quả thực nghiệm khẳng định ưu thế vượt trội của giải pháp hiệu chỉnh mờ so với các bộ điều khiển PID truyền thống có tham số cố định. Trong các đối tượng công nghiệp điển hình như hệ thống gia nhiệt lò điện hoặc ổn định áp suất nồi hơi, hiện tượng phi tuyến và bão hòa tín hiệu đầu ra thường gây ra vọt lố lớn khi thay đổi giá trị đặt đột ngột. Cơ chế hiệu chỉnh mờ hệ số trọng giá trị đặt đã làm mềm hóa tác động vi phân và tỉ lệ ở thời điểm bắt đầu chuyển trạng thái, từ đó loại bỏ hiện tượng quá điều chỉnh mà không làm tăng thời gian tăng trưởng.

Trên đồ thị đáp ứng thời gian thực được biểu diễn qua giao diện HMI của RSView32 và trích xuất sang biểu đồ phân tán trên Microsoft Excel, đường cong đáp ứng của hệ PID mờ bám sát giá trị đặt SP với độ dao động quanh điểm cân bằng dưới 0,5% dải đo. So sánh với các nghiên cứu cùng thời kỳ, giải pháp của tác giả không chỉ chứng minh tính đúng đắn về mặt lý thuyết mà còn giải quyết triệt để khâu thực thi thực tế trên thanh ghi lệnh PID của PLC SLC 500 mà không đòi hỏi phần cứng bổ sung đắt tiền.

Đề xuất và khuyến nghị

• Nâng cấp và chuẩn hóa cấu hình mạng truyền thông: Triển khai mở rộng các module giao tiếp Ethernet hoặc card giao diện nối mạng như 1761-NET-AIC và 1785-KA5 nhằm nâng tốc độ truyền thông dữ liệu SCADA lên trên 100 Mbps, giảm độ trễ giao tiếp xuống dưới 5ms trong lộ trình 3 đến 6 tháng tới, do đội ngũ kỹ sư hạ tầng mạng nhà máy chịu trách nhiệm.
• Nhúng thuật toán hiệu chỉnh mờ vào chương trình Ladder Logic: Tích hợp trực tiếp các khối hàm logic mờ (Fuzzy Logic Controller) vào phần mềm lập trình RSLogix 500 nhằm tự động tối ưu hóa tham số $K_c, T_i, T_d$, hướng tới mục tiêu duy trì sai số điều khiển dưới 0,8% trong mọi chế độ tải trong thời hạn 2 đến 4 tháng, thực hiện bởi nhóm kỹ sư tự động hóa.
• Xây dựng hệ thống giám sát và cảnh báo thông minh: Thiết lập giao thức kết nối OPC Server/DDE thời gian thực giữa RSView32 và hệ cơ sở dữ liệu để ghi nhận tự động hơn 50.000 bản ghi/ngày, đảm bảo phản hồi cảnh báo sự cố trong thời gian dưới 1 giây, thực hiện trong vòng 1 đến 2 tháng bởi kỹ sư phần mềm SCADA.
• Đào tạo và chuyển giao quy trình vận hành hệ thống: Tổ chức các khóa tập huấn chuyên sâu về căn chỉnh tham số khối điều khiển Control Block và xử lý sự cố mạng DH-485 cho 100% kỹ thuật viên vận hành nhà máy trong vòng 6 tháng, do phòng Kỹ thuật và Đào tạo chủ trì.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Kỹ sư điều khiển tự động và kỹ sư SCADA: Cung cấp hướng dẫn chi tiết từng bước về cấu hình lệnh PID, lệnh thang hóa SCL, vào/ra trực tiếp IIM/IOM và kết nối truyền thông DDE Server trên thiết bị Allen-Bradley quản trị 32 nút mạng.
• Học viên cao học và sinh viên ngành Điện - Tự động hóa: Cung cấp tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp kết hợp lý thuyết điều khiển hiện đại (Logic mờ, tối ưu hóa thống kê) với phần cứng công nghiệp thực tế với độ phân giải lên đến 16.383 mức.
• Quản đốc nhà máy và chuyên gia quản lý kỹ thuật: Hỗ trợ đánh giá giải pháp cải tạo, nâng cấp các hệ thống điều khiển cũ với chi phí tối ưu nhờ tận dụng năng lực xử lý mềm của PLC sẵn có.
• Nhà nghiên cứu và giảng viên chuyên ngành Tự động hóa: Cung cấp mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh và các số liệu đo lường thực tế phục vụ công tác giảng dạy và phát triển các thuật toán điều khiển thích nghi nâng cao.

Câu hỏi thường gặp

• Khối dữ liệu điều khiển Control Block trong PLC SLC 500 có dung lượng bao nhiêu từ nhớ?
  Khối điều khiển Control Block có kích thước cố định là 23 words (từ N:0 đến N:22). Khối này dùng để lưu trữ toàn bộ dữ liệu cấu hình gồm giá trị đặt SP, các hệ số $K_c, T_i, T_d$, dải chết và các cờ trạng thái hoạt động của thuật toán PID.

• Mạng công nghiệp DH-485 có những thông số kỹ thuật cơ bản nào?
  Mạng DH-485 hỗ trợ kết nối tối đa 32 thiết bị, chiều dài tuyến truyền thông cực đại đạt 1.219 mét, tốc độ truyền dữ liệu tối đa là 19,2 kbit/s và hoạt động theo phương thức chuyển quyền truy cập bus Token Passing.

• Tại sao cần sử dụng lệnh SCL trước và sau khi thực hiện lệnh PID?
  Lệnh SCL thực hiện chuyển đổi thang đo giữa tín hiệu điện áp hoặc dòng điện thô từ module analog (dải 0 đến 16.384 hoặc 3.277 đến 16.384) sang đơn vị kỹ thuật thực tế của đại lượng cần đo và ngược lại đối với tín hiệu đầu ra điều khiển.

• Giải pháp trao đổi dữ liệu động DDE mang lại lợi ích gì trong nghiên cứu này?
  Giao thức DDE cho phép RSView32 và RSLinx truyền dữ liệu tham số quá trình thời gian thực sang Microsoft Excel với tần suất cập nhật cao, phục vụ việc phân tích thống kê sai số và đánh giá chất lượng mà không làm gián đoạn điều khiển.

• Phương pháp hiệu chỉnh mờ giúp cải thiện những chỉ tiêu chất lượng nào của bộ điều khiển?
  Bộ điều khiển mờ giúp giảm độ quá điều chỉnh từ 18,5% xuống dưới 4,2%, rút ngắn thời gian quá độ khoảng 28% và triệt tiêu hoàn toàn sai số xác lập khi đối tượng chịu tác động của nhiễu hoặc thay đổi điểm làm việc.

Kết luận

• Hoàn thiện cấu trúc phần cứng và truyền thông công nghiệp trên nền tảng PLC Allen-Bradley SLC 500 kết hợp mạng DH-485 và SCADA RSView32.
• Xây dựng thành công thuật toán tự chỉnh tham số PID bằng phương pháp thống kê đơn hình và bộ điều khiển PID mờ với độ chính xác cao.
• Giảm thiểu độ quá điều chỉnh từ 18,5% xuống 4,2% và rút ngắn thời gian đáp ứng quá độ hơn 28% so với phương pháp cổ điển.
• Thiết lập kênh trao đổi dữ liệu thời gian thực DDE tin cậy phục vụ giám sát và đánh giá chất lượng vận hành tự động.
• Luận văn là tài liệu tham khảo kỹ thuật giá trị, mở ra hướng ứng dụng công nghệ điều khiển mờ thích nghi vào thực tế sản xuất công nghiệp hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Bé Gi¸O DôC Vµ §µO T¹O Vò Dòng Kú TR¦êNG §¹I HäC B¸CH KHOA Hµ NéI -------------------------------------- Vò Dòng Kú NGÀNH §IÒu khiÓn tù ®éng N©ng cao chÊt l-îng bé ®iÒu khiÓn PID trong c«ng nghiÖp LUËN V¡N TH¹C SÜ NgµNH §IÖN KHOÁ: 2002-2004 Hà Néi – 2004 Bé GI¸O DôC Vµ §µO T¹O TR¦êNG §¹I HäC B¸CH KHOA Hµ NéI -------------------------------------- Vò Dòng Kú N©ng cao chÊt l-îng bé ®iÒu khiÓn PID trong c«ng nghiÖp Chuyªn ngà nh : §iÒu khiÓn tù ®éng LUËN V¡N TH¹C SÜ ngµnh ®iÖn Ng-êi h-íng dÉn khoa häc PGS.TS Th¸i Quang Vinh Hà Néi – 2004 MôC LôC Trang Trang phô b×a Lêi cam ®oan Môc lôc Danh môc c¸c b¶ng, h×nh vÏ, ®å thÞ Më ®Çu Ch¦¬ng 1: HÖ thèng SCADA trªn c¬ së RSVIEW32 vµ m¹ng PLC cña Allen-Bradley .1 PLC cña Allen-Bradley vµ m¹ng c«ng nghiÖp DH485.1 CÊu tróc phÇn cøng cña SLC500 .2 Nguyªn t¾c ho¹t ®éng cña SLC 500 .3 Tæ chøc vïng nhí d÷ liÖu cña SLC 500 .4 CÊu tróc hÖ lÖnh cña SLC 500 .5 Giíi thiÖu vÒ phÇn mÒm lËp tr×nh RSLogix 500 .6 Giíi thiÖu vÒ m¹ng DH-485 cña Allen-Bradley .2 RSVIEW32 vµ tæ chøc hÖ SCADA .1 Kh¸i qu¸t vÒ hÖ SCADA .2 HÖ SCADA cña Allen- Bradley ( AB ) .3 PhÇn mÒm c«ng cô SCADA RSView32.3 Tæ chøc bé ®iÒu khiÓn PID trªn SLC 500.1 CÊu tróc vßng ®iÒu khiÓn trªn PLC .2 C¸c khai b¸o tham sè bé ®iÒu khiÓn PID .3 ThuËt to¸n ®iÒu khiÓn PID trªn SLC 500 .38 Ch¦¬ng 2 : Chia sÎ d÷ liÖu gi÷a RSVIEW32 víi DDE Server .1 RSLINX vµ kÕt nèi d÷ liÖu ®éng trªn nÒn Windows .1 Giíi thiÖu phÇn mÒm RSLinx .2 Liªn kÕt víi DDE ( Dynamic Data Exchange ) server .2 Microsoft Excel vµ chia sÎ d÷ liÖu víi RSView32 .3 §¸nh gi¸ chÊt l-îng PID qua d÷ liÖu trªn Microsoft Excel .54 CH¦¥NG 3 : Mét sè thuËt hiÖu chØnh chÊt l-îng ®iÒu khiÓn PID .1 HiÖu chØnh tham sè PID b»ng ph-¬ng ph¸p thèng kª .1 Néi dung ph-¬ng ph¸p .2 ChØ tiªu chÊt l-îng ®iÒu khiÓn th«ng qua c¸c ®¸nh gi¸ thèng kª .3 Ph-¬ng ph¸p tù chØnh tham sè PID b»ng ph-¬ng ph¸p ®¬n h×nh .2 HiÖu chØnh mê tham sè PID .1 Néi dung ph-¬ng ph¸p .2 Tæ chøc ch-¬ng tr×nh hiÖu chØnh tham sè PID .3 S¬ ®å khèi thuËt to¸n hiÖu chØnh .3 N©ng cao chÊt l-îng ®iÒu khiÓn PID b»ng hiÖu chØnh mê gi¸ trÞ ®Æt .1 Bé ®iÒu khiÓn PID víi hÖ sè träng cña gi¸ trÞ ®Æt .2 HiÖu chØnh mê hÖ sè träng cña gi¸ trÞ ®Æt .3 Nh÷ng nguyªn t¾c tæng hîp bé ®iÒu khiÓn mê .89 Ch¦¬ng 4 : M« pháng vµ thùc nghiÖm .1 X©y dùng hÖ thùc nghiÖm .2 C¸c kÕt qu¶ m« pháng vµ thùc nghiÖm .99 KÕt luËn Tµi liÖu tham kh¶o Phô lôc MôC LôC Trang Trang phô b×a Lêi cam ®oan Môc lôc Danh môc c¸c b¶ng, h×nh vÏ, ®å thÞ Më ®Çu Ch¦¬ng 1: HÖ thèng SCADA trªn c¬ së RSVIEW32 vµ m¹ng PLC cña Allen-Bradley .1 PLC cña Allen-Bradley vµ m¹ng c«ng nghiÖp DH485.1 CÊu tróc phÇn cøng cña SLC500 .2 Nguyªn t¾c ho¹t ®éng cña SLC 500 .3 Tæ chøc vïng nhí d÷ liÖu cña SLC 500 .4 CÊu tróc hÖ lÖnh cña SLC 500 .5 Giíi thiÖu vÒ phÇn mÒm lËp tr×nh RSLogix 500 .6 Giíi thiÖu vÒ m¹ng DH-485 cña Allen-Bradley .2 RSVIEW32 vµ tæ chøc hÖ SCADA .1 Kh¸i qu¸t vÒ hÖ SCADA .2 HÖ SCADA cña Allen- Bradley ( AB ) .3 PhÇn mÒm c«ng cô SCADA RSView32.3 Tæ chøc bé ®iÒu khiÓn PID trªn SLC 500.1 CÊu tróc vßng ®iÒu khiÓn trªn PLC .2 C¸c khai b¸o tham sè bé ®iÒu khiÓn PID .3 ThuËt to¸n ®iÒu khiÓn PID trªn SLC 500 .38 Ch¦¬ng 2 : Chia sÎ d÷ liÖu gi÷a RSVIEW32 víi DDE Server .1 RSLINX vµ kÕt nèi d÷ liÖu ®éng trªn nÒn Windows .1 Giíi thiÖu phÇn mÒm RSLinx .2 Liªn kÕt víi DDE ( Dynamic Data Exchange ) server .2 Microsoft Excel vµ chia sÎ d÷ liÖu víi RSView32 .3 §¸nh gi¸ chÊt l-îng PID qua d÷ liÖu trªn Microsoft Excel .54 CH¦¥NG 3 : Mét sè thuËt hiÖu chØnh chÊt l-îng ®iÒu khiÓn PID .1 HiÖu chØnh tham sè PID b»ng ph-¬ng ph¸p thèng kª .1 Néi dung ph-¬ng ph¸p .2 ChØ tiªu chÊt l-îng ®iÒu khiÓn th«ng qua c¸c ®¸nh gi¸ thèng kª .3 Ph-¬ng ph¸p tù chØnh tham sè PID b»ng ph-¬ng ph¸p ®¬n h×nh .2 HiÖu chØnh mê tham sè PID .1 Néi dung ph-¬ng ph¸p .2 Tæ chøc ch-¬ng tr×nh hiÖu chØnh tham sè PID .3 S¬ ®å khèi thuËt to¸n hiÖu chØnh .3 N©ng cao chÊt l-îng ®iÒu khiÓn PID b»ng hiÖu chØnh mê gi¸ trÞ ®Æt .1 Bé ®iÒu khiÓn PID víi hÖ sè träng cña gi¸ trÞ ®Æt .2 HiÖu chØnh mê hÖ sè träng cña gi¸ trÞ ®Æt .3 Nh÷ng nguyªn t¾c tæng hîp bé ®iÒu khiÓn mê .89 Ch¦¬ng 4 : M« pháng vµ thùc nghiÖm .1 X©y dùng hÖ thùc nghiÖm .2 C¸c kÕt qu¶ m« pháng vµ thùc nghiÖm .99 KÕt luËn Tµi liÖu tham kh¶o Phô lôc 0 Ch-¬ng 1 : HÖ thèng SCADA trªn c¬ së RSVIEW32. 1 vµ m¹ng PLC cña Allen-Bradley .1 PLC cña Allen-Bradley vµ m¹ng c«ng nghiÖp DH485 .1 CÊu tróc phÇn cøng cña SLC500 .2 Nguyªn t¾c ho¹t ®éng cña SLC 500.3 Tæ chøc vïng nhí d÷ liÖu cña SLC 500.4 CÊu tróc hÖ lÖnh cña SLC 500 .5 Giíi thiÖu vÒ phÇn mÒm lËp tr×nh RSLogix 500 .6 Giíi thiÖu vÒ m¹ng DH-485 cña Allen-Bradley .2 RSVIEW32 vµ tæ chøc hÖ SCADA .1 Kh¸i qu¸t vÒ hÖ SCADA .2 HÖ SCADA cña Rockwell Automation .3 PhÇn mÒm c«ng cô SCADA RSView32 .3 Tæ chøc bé ®iÒu khiÓn PID trªn SLC 500 .1 CÊu tróc vßng ®iÒu khiÓn trªn PLC .2 C¸c khai b¸o tham sè bé ®iÒu khiÓn PID .3 ThuËt to¸n ®iÒu khiÓn PID trªn SLC 500. 38 Vò Dòng Kú LuËn v¨n cao häc – Bé m«n ®iÒu khiÓn tù ®éng 1 Ch-¬ng 1 : HÖ thèng SCADA trªn c¬ së RSVIEW32 vµ m¹ng PLC cña Allen-Bradley 1.1 PLC cña Allen-Bradley vµ m¹ng c«ng nghiÖp DH485 1.1 CÊu tróc phÇn cøng cña SLC500 SLC500 lµ mét hä PLC cña Allen-Bradley (A-B) cã cÊu tróc d¹ng module, nã gåm c¸c thµnh phÇn chÝnh sau: • Chassis. Chassis Lµ thµnh phÇn khung m¸y trªn ®ã cã c¸c slot ®Ó c¾m c¸c module, cã thÓ nèi c¸c chassis víi nhau ®Ó ®-îc tèi ®a 31 slot.

Cã 4 lo¹i chassis sau : • 4 slot chassis. Khi nèi nhiÒu chassis víi nhau th× c¸c slot ®-îc ®¸nh sè theo chiÒu t¨ng dÇn, nghÜa lµ slot ®Çu tiªn cña chassis sau ®-îc ®¸nh sè kÕ tiÕp slot cuèi cïng cña chasis tr-íc. Chó ý lµ slot sè 0 bao giê còng lµ cña module CPU ( xem h×nh 1. Slot 0 Slot 1 Slot 2 Slot 28 Slot 29 Nguån CPU I/O I/O … I/O I/O nu«i H×nh 1.1 C¸c chassis cã thÓ nèi víi nhau vµ SLC500 qu¶n lý tèi ®a 30 slot Vò Dòng Kú LuËn v¨n cao häc – Bé m«n ®iÒu khiÓn tù ®éng 2 Nguån nu«i Cã nhiÖm vô biÕn ®æi ®iÖn ¸p xoay chiÒu 220V hoÆc 110V thµnh ®iÖn ¸p mét chiÒu +5VDC hoÆc +20VDC Module CPU Module nµy cã nhiÖm vô xö lý c¸c ho¹t ®éng cña SLC 500 vµ ®-îc chia thµnh nhiÒu lo¹i nh-: CPU 5/01, CPU 5/02, CPU 5/03, CPU 5/04 vµ CPU 5/05.

C¸c CPU ®-îc ph©n biÖt ë mét sè ®Æc ®iÓm nh- dung l-îng bé nhí ch-¬ng tr×nh, kh¶ n¨ng ®Þa chØ ho¸ vµo/ra…B¶ng 1.1 ®-a ra so s¸nh mét sè lo¹i module CPU B¶ng 1.1 So s¸nh ®Æc ®iÓm mét sè lo¹i CPU Bé nhí ch-¬ng Kh¶ n¨ng Thêi gian Lo¹i CPU Ký hiÖu tr×nh qu¶n lý vµo ra quÐt 1K 1747-L511 5/01 256 4K 1747-L514 4,8 5/02 4K 1747-L524 480 ms/Kword 8K-OS302 1747-L531 16K- OS300 1747-L532 5/03 960 1 ms/Kword 16K- OS301 1747-L532B 16K- OS302 1747-L532C/D 16K-OS401 1747-L541 24K- OS400 1747-L542A 5/04 32K- OS401 1747-L542B 64K- OS401 1747-L543 Ngoµi ra trªn module CPU cßn tÝch hîp s½n c¸c cæng truyÒn th«ng nh- cæng RS-232, DH-485 ®Ó sö dông khi nèi m¹ng. Vò Dòng Kú LuËn v¨n cao häc – Bé m«n ®iÒu khiÓn tù ®éng 3 Module vµo/ra t-¬ng tù C¸c lo¹i module nµy cã nhiÖm vô biÕn ®æi tÝn hiÖu t-¬ng tù d¹ng dßng hoÆc ¸p thµnh c¸c tÝn hiÖu sè (Analog Input) vµ ng-îc l¹i biÕn ®æi c¸c tÝn hiÖu sè thµnh tÝn hiÖu dßng hoÆc ¸p (Analog Output). C¸c ®Æc ®iÓm chung ®-îc tãm t¾t trong b¶ng 1.2 §Æc ®iÓm biÕn ®æi cña c¸c module vµo t-¬ng tù TÝn hiÖu vµo Kho¶ng biÕn ®æi Gi¸ trÞ sè t-¬ng øng Møc biÕn ®æi -2020mA -1638416384 Dßng 020mA 016384 1,2207A/LSB 420mA 327716384 -1010VDC -3276832764 ¸p 010VDC 032767 305,176V/LSB 05VDC 016384 B¶ng 1.3 §Æc ®iÓm biÕn ®æi cña c¸c module ra t-¬ng tù TÝn hiÖu vµo Kho¶ng biÕn ®æi Gi¸ trÞ sè t-¬ng øng Møc biÕn ®æi 020mA 031208 Dßng 2,5638A/LSB 420mA 624231208 -1010VDC -3276432764 Áp 010VDC 032764 1,22070mV/LSB 05VDC 016384 Module vµo/ra sè • Module vµo/ra d¹ng Sourcing : Cung cÊp dßng cho c¸c thiÕt bÞ nhËn ( sinking devices ) • Module vµo/ra d¹ng Sinking : NhËn dßng tõ c¸c thiÕt bÞ cÊp dßng ( sourcing devices ). C¸c module vµo/ra cã ®Çu ra d¹ng b¸n dÉn mét chiÒu th× khi sö dông c¸c thiÕt bÞ ngoµi cÇn ph©n biÖt vµ thiÕt kÕ phï hîp víi sinking hay soursing module.

Vò Dòng Kú LuËn v¨n cao häc – Bé m«n ®iÒu khiÓn tù ®éng 4 C¸c modul ®Çu ra d¹ng R¬le th× phï hîp c¶ víi hai lo¹i thiÕt bÞ phèi ghÐp : sinking vµ sourcing.2 Nguyªn t¾c ho¹t ®éng cña SLC 500 SLC 500 ho¹t ®éng theo nguyªn t¾c vßng quÐt ( Scan ). Trong mçi chu tr×nh quÐt, c¸c ho¹t ®éng x¶y ra theo chu tr×nh ®-¬c tr×nh bµy ë h×nh 1.2 Chu kú quÐt cña SLC 500 Trong ®ã : • Input scan: ®äc c¸c gi¸ trÞ ®Çu vµo tõ Input module sau ®ã ®-a kÕt qu¶ vµo Input Image. • Program Scan: Thùc hiÖn ch-¬ng tr×nh, ®-a kÕt qu¶ ra Output Image. • Output Scan: ®-a kÕt qu¶ ra Output Module.

• Communication: thùc hiÖn viÖc truyÒn th«ng víi c¸c thiÕt bÞ kh¸c nÕu cã • Internal works (house keeper): thùc hiÖn c¸c thao t¸c bªn trong bé xö lý. Cø mçi vßng quÐt, c¸c gi¸ trÞ ®-îc khai b¸o trong file cÊu h×nh ®-îc cËp nhËt ë Input scan vµ ®-a vµo vïng nhí Input Image. Vò Dòng Kú LuËn v¨n cao häc – Bé m«n ®iÒu khiÓn tù ®éng 5 1.3 Tæ chøc vïng nhí d÷ liÖu cña SLC 500 Vïng nhí d÷ liÖu cña SLC 500 ®-îc tæ chøc d-íi d¹ng c¸c file d÷ liÖu (Data Files) tr×nh bµy ë b¶ng 1.4 C¸c file d÷ liÖu n»m trong Data Files Sè hiÖu file Chøc n¨ng Ký hiÖu 0 OUTPUT IMAGE O 1 INPUT IMAGE I 2 STATUS S 3 BIT B 4 TIMER T 5 COUNTER C 6 CONTROL R 7 INTEGER N 8 RESERVED BIT,TIMER,COUNTER 9 ®Õn 255 Do ng-êi dïng ®Þnh nghÜa thªm CONTROL hoÆc INTEGER Data file 0 vµ 1 (Output vµ Input) §©y lµ vïng nhí ®Öm cña tÝn hiÖu ra (file 0) vµ tÝn hiÖu vµo (file 1). C¶ hai file nµy ®Òu cã tèi ®a 30 phÇn tö (elements), mçi phÇn tö lµ mét word 16 bit hoÆc hai word 8 bit.

C¸c bit biÓu diÔn mét tr¹ng th¸i logic t-¬ng øng víi module vµo/ra sè cßn c¸c word cßn l¹i chøa kÕt qu¶ biÕn ®æi cña mét kªnh analog t-¬ng øng víi module vµo/ra t-¬ng tù.