I. Tổng Quan Nghiên Cứu Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động Điện
Nghiên cứu điều khiển tự động hệ thống điện ngày càng phát triển nhờ ứng dụng toán học. Các phương pháp thiết kế bộ điều khiển được đưa ra. Hệ thống điện đòi hỏi sự chính xác và ổn định cao, đặc biệt trong bối cảnh tích hợp năng lượng tái tạo và lưới điện thông minh (Smart Grid). Các kỹ thuật như điều khiển logic mờ (Fuzzy logic), điều khiển thích nghi, và điều khiển tối ưu đóng vai trò quan trọng. Theo luận văn, từ những năm 1980, các nghiên cứu về điều khiển đã đưa ra được các phương pháp thiết kế bộ điều khiển. Điều này cho thấy sự phát triển liên tục của lĩnh vực này. Kỹ thuật điều khiển tự động đóng vai trò then chốt trong việc nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống điện.
1.1. Hệ Thống Điều Khiển Vòng Hở Khái Niệm Cơ Bản
Trong hệ thống điều khiển vòng hở, đối tượng điều khiển (ĐTĐK) là thành phần tồn tại khách quan. Tín hiệu ra là đại lượng cần điều khiển. Nhiệm vụ cơ bản của thiết bị điều khiển là phải tác động. Theo tài liệu, ĐTĐK là thành phần có tín hiệu ra là đại lượng cần điều khiển. Điều này nhấn mạnh vai trò của ĐTĐK trong hệ thống. Hệ thống vòng hở đơn giản nhưng ít chính xác do không có phản hồi.
1.2. Giới Thiệu PLC Programmable Logic Controller Trong Điện
PLC (Programmable Logic Controller) là bộ điều khiển logic khả trình. Nó có cấu trúc gần gũi với máy tính PC. Các thành phần của PLC bao gồm CPU, RAM, bộ xử lý vào/ra, và các bộ xử lý toán học. PLC được chế tạo đặc thù thích nghi với môi trường công nghiệp. Theo sơ đồ khối, PLC bao gồm CPU, Bus, cổng ngắt và đếm tốc độ cao. PLC cho phép tự động hóa quy trình công nghiệp với độ tin cậy cao.
II. Tìm Hiểu SIMATIC S7 300 Nền Tảng PLC Điều Khiển Tự Động
SIMATIC S7-300 là hệ module PLC được tối ưu hóa cho tự động hóa. Giải pháp hệ thống tiết kiệm trong kiến trúc điều khiển tập trung và phân tán. Hệ thống điều khiển sử dụng SIMATIC S7-300 cung cấp hệ thống điều khiển tự động trọn gói. Nó bao gồm: Thiết bị điều khiển PLC S7, phần mềm lập trình STEP7, và hệ thống giám sát HMI trên máy tính PC. Vấn đề nghiên cứu khai thác sử dụng hệ SIMATIC S7 đã được nhiều tài liệu đề cập. Hệ thống SCADA có thể được tích hợp để giám sát và điều khiển từ xa.
2.1. Tổng Quan Về PLC S7 300 Cấu Trúc và Ứng Dụng
SIMATIC S7-300 là một hệ module PLC (Modular PLC platform). Nó được tối ưu hóa để đạt chất lượng cao trong các quá trình tự động hóa. Hệ thống điều khiển sử dụng hệ SIMATIC S7-300 cung cấp HTĐK tự động trọn gói. Theo tài liệu, một hệ thống có thể có 1 PLC hoặc gồm nhiều PLC kết nối qua MPI bus. S7-300 thường được sử dụng trong các ứng dụng tự động hóa công nghiệp.
2.2. Các Module Của PLC S7 300 Phân Loại và Chức Năng
Các module của PLC S7-300 để tăng tính sử dụng mềm dẻo trong ứng dụng thực tế. Hệ SIMATIC S7-300 được chia nhỏ thành các module. Module CPU chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, bộ định thời, bộ đếm,... Có nhiều loại CPU khác nhau như CPU312, CPU314,... Một số loại CPU có 2 cổng truyền thông phục vụ việc nối mạng trong hệ điều khiển phân tán. Module đầu vào/ra (I/O) được sử dụng để kết nối với cảm biến và thiết bị chấp hành.
2.3. Tìm Hiểu Phần Mềm STEP7 Công Cụ Lập Trình PLC S7 300
STEP7 là bộ chương trình phần mềm chuẩn sử dụng để đặt cấu hình và lập trình cho SIMATIC PLC. Nó là phần mềm công nghiệp có các version STEP7 Micro/DOS, STEP7 Micro/Win cho S7-200; STEP7 cho S7-300. Bộ chương trình STEP7 chuẩn (STEP7 Standard Package) cung cấp ứng dụng. STEP7 tuân theo chuẩn EN 61131-3 hay IEC 1131-3. STEP7 là công cụ mạnh mẽ để phát triển các ứng dụng điều khiển quá trình.
III. Module Điều Khiển Mềm Trong STEP 7 Giải Pháp Tự Động Hóa
Phần mềm STEP 7 cung cấp các module điều khiển mềm PID để điều khiển các đối tượng có mô hình liên tục. Ví dụ như nhiệt độ lò, động cơ, mức,... Đầu ra của đối tượng được đưa vào đầu vào của BĐK qua các cổng vào tương tự của các module vào tương tự của SIMATIC S7-300/400. Module mềm FB Fulsegen được sử dụng kết hợp với module mềm FB CONT_C nhằm tạo ra tín hiệu ra dạng xung tốc độ cao. Tích hợp các module mềm PID giúp đơn giản hóa việc thiết kế hệ thống điều khiển tự động.
3.1. Module Điều Khiển Liên Tục FB41 CONT_C Giới Thiệu
FB41 “CONT_C” được sử dụng để điều khiển các quá trình kỹ thuật với các biến đầu vào và đầu ra tương tự. Dựa trên thiết bị khả trình SIMATIC. Có thể sử dụng module mềm PID như một bộ điều khiển với tín hiệu chủ đạo đặt cứng hoặc thiết kế một hệ thống điều khiển nhiều mạch vòng điều. Theo sơ đồ cấu trúc, module mềm PID bao gồm tín hiệu chủ đạo SP_INT, tín hiệu ra của đối tượng PV_PER,... FB41 cho phép điều khiển chính xác các quá trình điều khiển quá trình.
3.2. Khai Báo Tham Số Cho Bộ Điều Khiển PID Với FB41
Phần mềm STEP cung cấp một giao diện hỗ trợ cho người sử dụng trong việc khai báo tham số cho bộ điều khiển PID. Sau khi đã tạo một Project có chứa FB41 ta bắt đầu tạo khối DB (Data Block) cho bộ điều khiển sử dụng giao diện. Giá trị ngoài khoảng cho. Ví dụ: Tên khối DB chứa dữ liệu mà ta muốn tạo. STEP7 cung cấp giao diện trực quan để cấu hình bộ điều khiển PID.
IV. Ứng Dụng Thí Nghiệm Điều Khiển Lò Nhiệt Điện Trở Tự Động
Ứng dụng thí nghiệm trên lò nhiệt điện trở cho thấy hiệu quả của các kỹ thuật điều khiển tự động. Kết quả thí nghiệm điều khiển lò nhiệt sử dụng bộ điều khiển PID trên cơ sở các module mềm trong STEP7. Đặc tính nhiệt độ lò qua thực nghiệm điều khiển PID trên hệ SIMATIC. Lò nhiệt điện trở là một đối tượng điều khiển phổ biến trong các hệ thống tự động hóa.
4.1. Kết Quả Điều Khiển Lò Nhiệt Sử Dụng Module Mềm PID
Kết quả thí nghiệm điều khiển lò nhiệt sử dụng bộ điều khiển PID trên cơ sở các module mềm trong STEP7. Theo đặc tính nhiệt độ lò, điều khiển PID trên hệ SIMATIC đạt hiệu quả. Module mềm PID cho phép điều khiển chính xác nhiệt độ lò.
V. Kết Luận và Hướng Phát Triển Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động
Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển tự động trong hệ thống điện mang lại nhiều kết quả khả quan. Việc ứng dụng các module mềm trong STEP7 giúp đơn giản hóa quá trình thiết kế và triển khai hệ thống điều khiển. Trong tương lai, AI trong hệ thống điện và Machine learning trong hệ thống điện sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống điện. Theo tài liệu tham khảo, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các kỹ thuật điều khiển quá trình tiên tiến để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của hệ thống điện hiện đại.
5.1. Hướng Phát Triển AI và Machine Learning Trong Điện
AI trong hệ thống điện và Machine learning trong hệ thống điện sẽ đóng vai trò quan trọng. Các thuật toán thông minh có thể giúp hệ thống tự động thích nghi với các điều kiện vận hành khác nhau. Phân tích dữ liệu từ hệ thống SCADA và các cảm biến có thể cung cấp thông tin hữu ích cho việc điều khiển tối ưu.
5.2. An Ninh Mạng Vấn Đề Quan Trọng Trong Hệ Thống Điện Thông Minh
An ninh mạng hệ thống điện là một vấn đề quan trọng cần được quan tâm. Các cuộc tấn công mạng có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng cho hệ thống điện. Cần có các biện pháp bảo mật mạnh mẽ để bảo vệ hệ thống khỏi các mối đe dọa từ bên ngoài.
