Chương 1: Giới Thiệu Đề Tài 1.1 Giới thiệu chung Hiện nay công nghiệp hóa, hiện đại hóa ngày càng phát triển mạnh mẽ, sự tiến bộ khoa học kỹ thuật, trong đó kỹ thuật điều khiển tự động góp phần rất lớn tạo điều kiện để nâng cao hiệu quả trong quá trình sản xuất và đời sống. Trong quá trình điều khiển, yêu cầu của bài toán đặt ra có nhu cầu rất cao về độ tin cậy và tính sẵn sàng. Với mỗi hệ thống điều khiển cần có một quy trình chặt chẽ và cụ thể. Nên trong điều khiển quá trình công nghệ ta phải thiết lập một hệ thống phù hợp với đặc thù của quá trình công nghệ.
Vấn đề điều khiển ổn định lưu lượng cần đáp ứng độ chính xác cao.Với yêu cầu ứng dụng thực tế như vậy, đề tài nghiên cứu đối tượng chính ở đây là ổn định lưu lượng trong đường ống. Trong đề tài này nhóm thực hiện đã sử dụng bơm lưu lượng 3 pha công suất 1HP, lưu lượng kế có tầm đo từ 0[L/min] đến 150[L/min], cảm biến lưu lượng có tầm đo 0[L/min] đến 150[L/min], sử dụng PLC S7-1200 DC/DC/DC, biến tần FR E700, sử dụng màn hình HMI WEINVIEW. Để điều khiển được ổn định lưu lượng theo yêu cầu của đề tài nhóm đã sử dụng 2 cách. Cách 1 là sử dụng hàm PID của PLC, biến tần là cơ cấu chấp hành, giá trị setpoint đc cài trên màn hình HMI.
Cách 2 là sử dụng bộ PID trên biến tần để thay đổi công suất bơm, giá trị setpoint được thay đổi bằng cách vặn biến trở. Trong đề tài này nhóm đã sử dụng 4 van khóa để thấy rõ được sự ổn định của lưu lượng. Khi khóa 1 van hoặc 2 van hoặc 3 van lưu lượng trong đường ống vẫn duy trì sự ổn định nhờ sự thay đổi của công suất bơm để đáp ứng được lưu lượng đã cài đặt ban đầu.2 Mục tiêu của đề tài Mục đích của đề tài là “ Đo, điều khiển, và ổn định lưu lượng trên đường ống” ở một ngưỡng đặt trước thông qua sự điều khiển của PLC đối với biến tần hoặc sử dụng biến tần để điều khiển ổn định lưu lượng trên đường ống. Với đề tài này, nhóm đã sử dụng PLC kết hợp biến tần và bơm để mô tả hoạt động của hệ thống.
Để thực hiện được đề tài chúng em đã: − Tìm hiểu về PLC Siemens S7-1200: Nghiên cứu cấu trúc phần cứng, cấu trúc bộ nhớ của PLC S7-1200 − Tìm hiểu về cách sử dụng biến tần 1 − Lựa chọn biến tần và động cơ có công suất hợp lý. − Tìm hiểu giao tiếp giữa PLC S7-1200 và biến tần. − Tìm hiểu giao tiếp giữa PLC S7-1200 và HMI. − Lập trình PLC.
− Tìm hiểu cách sử dụng phần mềm TIA PORTAL dùng để lập trình cho PLC S7-1200. − Tìm hiểu cách sử dụng phần mềm HMI EasyBuilder8000.3 Cấu trúc quyển báo cáo Quyển báo cáo này gồm: CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU Trong chương này giới thiệu về đề tài − Tổng quan về đề tài − Mục tiêu của đề tài − Cấu trúc của quyển CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT − Trình bài lý thuyết bộ điều khiển PID − Giới thiệu hàm PID_Compact trong Tia Portal − Giới thiệu phần mềm thiết kế giao diện HMI − Giới thiệu các thiết bị được sử dụng trong đề tài CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG VÀ TÍNH CHỌN THIẾT BỊ Trình bày về sơ đồ lắp đặt, sơ đồ đấu dây và tính chọn thiết bị − Sơ đồ khối hệ thống − Sơ đồ lắp đặt thiết bị − Sơ đồ đấu dây động lực và điều khiển 2 − Tính chọn các thiết bị CHƯƠNG 4: CÀI ĐẶT THÔNG SỐ VÀ PID BIẾN TẦN − Giới thiệu về PID của biến tần − Cài đặt thông số biến tần phù hợp với các giá trị định mức của bơm − Kết nối biến tần với PLC CHƯƠNG 5: CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN Chương này gồm các phần sau: − Lưu đồ giải thuật − Chương trình điều khiển CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN − Chương này trình bày một số kết luận sau khi thực hiện đề tài này và đưa ra hướng phát triển cho đề tài. PHỤ LỤC BẢNG TÍNH VẬT TƯ 3 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết 2.1 Giới thiệu thuật toán điều khiển 2.1 Thuật toán điều khiển PID Bộ điều khiển PID (A proportional integral derivative controller) là bộ điều khiển sử dụng kỹ thuật điều khiển theo vòng lặp có hồi tiếp được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động. Một bộ điều khiển PID cố gắng hiệu chỉnh sai lệch giữa tín hiệu ngõ ra và ngõ vào sau đó đưa ra một tín hiệu điều khiển để điều chỉnh quá trình cho phù hợp.
Chúng ta coi hệ thống được thiết kế hồi tiếp âm đơn vị có sơ đồ khối như sau: Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vòng kín Bộ điều khiển PID là một cơ chế điều khiển lặp hồi tiếp được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điều khiển công nghiệp do dễ sử dụng. Một bộ điều khiển PID điều chỉnh giữa giá trị biến đo được và giá trị mong muốn đạt được bằng cách tính toán và xuất ra một "tín hiệu điều chỉnh" nhanh chóng để giữ cho sai lệch ở mức nhỏ nhất có thể được. Bộ điều khiển PID gồm 3 thông số riêng: Tỷ lệ, Tích phân và Vi phân.2: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID. 4 Thành phần tỉ lệ (Kp) có tác dụng làm tăng tốc độ đáp ứng của hệ, và làm giảm, chứ không triệt tiêu sai số xác lập của hệ (steady-state error).
Thành phần tích phân (Ki) có tác dụng triệt tiêu sai số xác lập nhưng có thể làm giảm tốc độ đáp ứng của hệ. Thành phần vi phân (Kd) làm tăng độ ổn định hệ thống, giảm độ vọt lố và cải thiện tốc độ đáp ứng của hệ. Như vậy, từ ba thành phần (tỉ lệ, tích phân, vi phân), có thể xây dựng thêm các bộ điều khiển khác như bộ điều khiển P, bộ điều khiển PI, bộ điều khiển PD, tùy vào đối tượng tác động cụ thể mà ta sử dụng các bộ điều khiển cho thích hợp. ở đây chỉ nghiên cứu sâu về bộ điều khiển PID.
Xét ảnh hưởng của các thành phần Kp, Ki, Kd đối với hệ kín được tóm tắt trong bảng sau: Bảng 2.1: Ảnh hưởng của các khâu lên hệ thống Thời gian Thời gian quá Thành phần Độ vọt lố Sai số xác lập đáp ứng độ KP Giảm Tăng Thay đổi ít Giảm KI Giảm Tăng Tăng Bị loại bỏ KD Thay đổi ít Giảm Giảm Thay đổi ít Hình 2.3: Đặc tính đáp ứng đầu ra của bộ điều khiển Lưu ý rằng quan hệ này không phải chính xác tuyệt đối vì Kp, Ki và Kd còn phụ thuộc vào nhau. Trên thực tế, thay đổi một thành phần có thể ảnh 5 hưởng đến hai thành phần còn lại. Vì vậy bảng trên chỉ có tác dụng tham khảo khi chọn Kp, Ki, Kd. Bộ điều khiển 3 thành phần: Hàm truyền của bộ điều khiển PID có dạng: KI GPID = K P + + KDs s Trong đó: Kp = hệ số tỉ lệ; Ki = hệ số tích phân; Kd = hệ số vi phân; Trước hết ta khảo sát bộ PID làm việc thế nào trong hệ kín có sơ đồ khối như trên.
Biến e là thành phần sai lệch, là hiệu giữa giá trị tín hiệu vào mong muốn và tín hiệu ra thực tế (e=SP-PV). Tín hiệu sai lệch (e) sẽ đưa tới bộ PID, và bộ điều khiển tính toán cả thành phần tích phân lẫn vi phân của (e). Và bộ điều khiển lại tiếp tục như trên. Khi thiết kế bộ PID nên theo các bước sau để có kết quả như mong muốn: + Tìm đáp ứng hệ hở và xác định thông số nào cần cải thiện.
+ Thêm thành phần Kp để cải thiện thời gian đáp ứng. + Thêm thành phần Kd để giảm độ vọt lố. + Thêm thành phần Ki để triệt tiêu sai số xác lập. + Điều chỉnh Kp, Ki, Kd cho đến khi đáp ứng các thông số yêu cầu.
Thường xuyên tham khảo bảng phân tích phía trên để biết đặc tính các thành phần trong bộ điều khiển. Các thành phần Kp, Ki, Kd vào hệ đơn nếu không cần thiết. Ví dụ, nếu bộ PI đủ đáp ứng yêu cầu thì không cần thêm vào thành phần vi phân Kd, bộ điều khiển càng đơn giản càng tốt.2 Các khâu trong bộ điều khiển PID • Khâu P Khâu P tạo ra tín hiệu điều khiển tỉ lệ với giá trị của sai lệch. Việc này được thực hiện bằng cách nhân sai lệch e với hằng số KP – gọi là hằng số tỉ lệ.
Khâu P được tính dựa trên công thức: Pout = K Pe(t ) Với: Pout: giá trị ngõ ra KP: hằng số tỉ lệ e: sai số: e = SP – PV Sơ đồ khối của khâu P: Hàm truyền: GP ( s ) = K P Nếu chỉ có khâu P thì trong mọi trường hợp sai số tĩnh luôn xuất hiện, trừ khi giá trị đầu vào của hệ thống bằng 0 hoặc đã bằng với giá trị mong muốn. Trong hình sau thể hiện sai số tĩnh xuất hiện khi thay đổi giá trị đặt.4:Đáp ứng của khâu P Nếu giá trị khâu P quá lớn sẽ làm cho hệ thống mất ổn định. • Khâu I Khâu I cộng thêm tổng các sai số trước đó vào giá trị điều khiển. Việc tính tổng các sai số được thực hiện liên tục cho đến khi giá trị đạt được bằng với giá trị đặt, và kết quả là khi hệ cân bằng thì sai số bằng 0.
Khâu I được tính theo công thức: t I out = K i e(t )d 0 Với: Iout: giá trị ngõ ra khâu I Ki: hệ số tích phân e: sai số: e = SP – PV Sơ đồ khối khâu I: 8 U ( s) K I 1 Hàm truyền: G ( s) = = = E ( s) s TI .s Khâu I thường đi kèm với khâu P, hợp thành bộ điều khiển PI. Nếu chỉ sử dụng khâu I thì đáp ứng của hệ thống sẽ chậm và thường bị dao động. Hình sau chỉ ra sự khác biệt giữa khâu I và PI: Hình 2.5: Đáp ứng của khâu I và PI Ta có thể nhận thấy là khâu I làm cho đáp ứng của hệ thống bị chậm đi rất nhiều, còn khâu PI giúp triệt tiêu sai số xác lập. • Khâu D Khâu D cộng thêm tốc độ thay đổi sai số vào giá trị điều khiển ở ngõ ra.
Nếu sai số thay đổi nhanh thì sẽ tạo ra thành phần cộng thêm vào giá 9 trị điều khiển. Điều này cải thiện đáp ứng của hệ thống, giúp trạng thái của hệ thống thay đổi nhanh chóng và mau chóng đạt được giá trị mong muốn.