Nghiên cứu về điều khiển ổn định áp suất cho đường ống nước

hải hoặc là được thực hiện trong chương trình chính qua kiểm soát bởi một bộ định thời. Đồng thời, thời gian lấy mẫu tương ứng phải được đưa vào bảng dữ liệu của lệnh. 4.2 Thuật toán của vòng lập PID trong S7 – 200 Ở trạng thái ổn định, một bộ điều khiển PID sẽ điều chỉnh sao cho sai số (e – error) giữa giá trị yêu cầu (SP – setpoint) và giá trị điều khiển (PV – process variable) bằng 0. Nguyên lý của một điều khiển PID như vậy thể hiện trong phương trình sau: M ( t ) = Trong đó: M (t): đàu ra của PID (đại lượng xử lý) như một hàm theo thời gian : hằng số khuếch tán e: sai số ( e = SP – PV) : giá trị ban đầu của đầu ra vòng lặp PID Nhằm mục đích áp dụng bộ điều khiển PID trên máy tính hay PLC nói riêng và trong kỹ thuật số nói chung, chúng ta phải tiến hành “rời rạc hóa” phương trình nêu trên. Cụ thể là lấy mẫu và lượng tử hóa các biến. Phương trình được viết lại như sau: Trong đó: : đầu ra của PID (đại lượng xử lý) ở thời điềm lấy mẫu n : hằng số khuếch đại : sai số ở thời điểm lấy mẫu n.en = SPn – PVn : số ở thời điểm lấy mẫu ngay trước đó (n- 1).( : hằng số khuếch đại của thành phần tích phân : giá trị ban đầu của PID : hằng số khuếch đại của thành phần vi phân Từ phương trình này ta nhận thấy rằng, nếu như thành phần tỉ lệ (proportional) chỉ là hàm của sai số ở thời điểm lấy mẫu thì thành phần vi phân (differential) là hàm số của sai số ở thời điểm lấy mẫu lẫn thời điểm lấy mẫu kế trước, còn thành phần tích phân (intergral) lại là hàm của tất cả các sai số từ thời điểm lấy mẫu đầu tiên cho đến thời điểm lấy mẫu hiện tại. Trong kỹ thuật số, lưu lại tất cả các sai số là điều không thể thực hiện được, cũng như không thực sự cần thiết. Vì giá trị xử lý luôn được tính toán ở mọi thời điểm lấy mẫu, kể từ thời điểm đầu tiên, nên chỉ cần lưu lại giá trị kể trước của sai số và thành phần tích phân. Phương trình được đơn giản thành: Trong đó: : đàu ra của PID (đại lượng xử lý) ở thời điểm lấy mẫu n : hằng số khuếch đại : sai số ở thời điểm lấy mẫu n.en = SPn – PVn : sai số ở thời điểm lấy mẫu ngay trước đó (n–1).en–1 = SPn–1 – PVn-1 : hằng số khuếch đại của thành phân tích phân Ta có cách viết phương trình tổng quát như sau: Trong đó: : đầu ra của PID (đại lượng xử lý) ở thời điểm lấy mẫu n : thành phần tỉ lệ của đầu ra PID ở thời điểm lấy mẫu n : thành phần tích phân của đầu ra PID ở thời điểm lấy mẫu : thành phần vi phân của đầu ra PID ở thời điểm lấy mẫu n Dưới đây ta lần lượt xét đến từng thành phần của phương trình tổng quát: 4.2.1 Thành phần tỉ lệ (Proportional Term) Thành phần tỉ lệ (MP) là tích của hằng số khuếch đại kc với sai số e. Trong đó kc đặc trưng cho độ nhạy đầu ra PID (kc càng lớn, điều khiển PID càng nhạy) còn e là sai số giữa đại lượng yêu cầu (setpoint SP) và đại lượng thực tế (prpcess variable PV). Phương trình biểu diễn: Trong đó; : thành phần tỉ lệ của đầu ra PID ở thời điểm lấy mẫu n : hằng số khuếch đại : đại lượng yêu cầu tại thời điểm lấy mẫu n : đại lượng thực tế tại thời điểm lấy mẫu n 4.2.2 Thành phần tích phân (Integral Term) Thành phân tích phân (MI) tỉ lệ với tổng các sai số qua thời gian, thể hiện bằng phương trình: Trong đó: : thành phần tích phân đấu ra PID ở thời điểm lấy mẫu n : hằng số khuếch đại : thời gian lấy mẫu : hệ số tích phân : đại lượng yêu cầu tại thời điểm lấy mẫu n : đại lương thực tế tại thời điểm lấy mẫu n MX: giá trị của thành phần tích phân ở thời điểm lấy mẫu kế trước (n – 1), còn được gọi là integral sum hay bias. Sau khi tính toán giá trị Min, bias MX được thay thế bởi chính giá trị Min đó với khả năng có thể bị điều chỉnh hoặc cắt (chặn giới hạn), điều này sẽ được nói rõ ở phần sau. Giá trị ban đàu của bias MX, Mi thường được lấy là giá trị của đàu ra bộ PID ngay trước thời điểm thực hiện lệch PID lần đầu tiên. Các hằng số khác ảnh hưởng đến thành phần này là: - hằng số khuếch đại,- thời gian lấy mẫu và - hệ số tích phaanlaf đặc trưng cho ảnh hưởng của thành phần này lên toàn bộ đại lượng xử lý. 4.2.3 Thành phần vi phân ( Differential Term) Thành phần vi phân (MD) tỉ lệ với độ thay đổi của sai số, thể hiện qua phương trình: Với đặc trưng có quán tính của mọi hệ vật chất, chúng ta có thể giả thiết rằng đại lượng thực tế PV không bao giờ thay đổi một cách gián đoạn. Tuy nhiên đại lượng yêu cầu thì có thể tăng giảm gãy khúc (do được tính trên lý thuyết). Về bản chất toán học, thành phần vi phân là phép lấy đạo hàm trên những sụ thay đổi gián đoạn có thể gây nên các giá trị vô cùng lớn ở đầu ra. Để tránh hiện tượng này, trong phương trình trên ta giả thiết SPn = SPn- 1 và có thể viết: Trong đó: : thành phần vi phân của đầu ra PID ở thời điểm lấy mẫu n : hằng số khuếch đại : thời gian lấy mẫu : hệ số vi phân : đại lượng yêu cầu tại thời điểm lấy mẫu n : đại lượng yêu cầu tại thời điểm lấy mẫu n - 1 : đại lượng thực tế tại thời điểm lấy mẫu n : đại lượng thực tế tại thời điểm lấy mẫu n – 1 Như vậy trên thực tế không cần nhớ sai số ở thời điểm lấy mẫu kế trước chỉ cần nhớ đại lượng thực tế. Trong lần tính toán đầu tiên được lấy bằng PV 4.2.4 Lựa chọn cấu trúc vòng lặp điều khiển Tùy theo ứng dụng thực tế có thể bỏ bớt thành phần trong bộ điều khiển không nhất thiết phải bao gồm đủ 3 thành phần, chẳng hạn có thể tạo bộ điều khiển tỉ lệ (P) hay bộ điều khiển chỉ chứa các thành phần tỉ lệ và tích phân (PI). Sự lựa chọn này dựa trên cách đạt các tham số. Nếu muốn bỏ thành phần tích phân (bỏ I), ta chọn hệ số tích phân bằng vô cùng (= (). Trong trường hợp này, thành phần tích phân vẵn không nhất thiết bằng không mà có thể bằng một giá trị không đổi thông qua giá trị bias MX ban đầu. Nếu muốn bỏ thành phần vi phân (bỏ D), ta chon hệ số vi phân bằng không (0.0). Nếu muốn bỏ thành phần tỉ lệ (bỏ P), ta chọn hệ số khuếch đại bằng 0 (= 0.0). Trong trường hợp này, vì các hằng số của các thành phần tích phân và vi phân có tính theo nên đối với thành phần ấy, được hiểu là bằng 1.0. 4.2.5 Chuyển đổi và chuẩn hoá các giá trị đưa vào vòng lặp Một vòng lặp điều khiển PID có hai đầu vào: đại lượng yêu cầu và đại lượng thực tế. Đây là những đại lượng thật trong ứng dụng như nhiệt độ, áp suất, tốc độ,…Để đưa vào tính toán trong một bộ điều khiển, chúng phải được đo, chuyển đổi về giá trị thích hợp và chuẩn hóa (nếu cần). Các buuwocs này đều cần thiết cho một bộ điều khiển Pid, bộ này đòi hỏi các giá trị đầu vào là những giá trị số thực (dấu phẩy động) nằm trong khoảng từ 0.0 đến 1.0. Thông thường, những giá trị đo được được đua vào PLC qua các đầu vào tương tự (qui về điện áp trong khoảng 0 – 10VDC hoặc dòng điện 0 – 20mADC) thành những giá trị nguyên 16 bit có dấu. Trước hết những giá trị này phải được đổi thành các số thực 32 bit (dấu phẩy động), chẳng hạn theo thuật toán sau: XORD AC0, AC0 //Clear the accumulator. MOVW AIW0, AC0 //Save the analong value in the accumulator. LDW>= AC0,0 // if the analong value is positive, JMP 0 // then convert to a real number. NOT// Else ORD 16#FFFF0000,AC0// sign extend the value in AC0 LBL 0 DTR AC0,AC0// Convert the 32-bit integer to a real number Bước tiếp theo là chuẩn hóa về khoảng [0.0 – 0.1] theo phương trình: Trong đó: là giá trị đã chuẩn hóa, đại diện cho một đại lượng thật là giá trị thực chưa chuẩn hóa, đại diện cho một đại lượng thật Span là hiệu của giá trị lớn nhất có thể có trừ đi giá trị nhỏ nhất có thể có của giá trị chưa chuẩn hóa. Trong S7-200 thường là 32000 – 0 = 32000 đối với các đại lượng không đổi dấu (unipolar) và khi đó Offset = 0.5. Đoạn lệnh sau đây minh họa cho thuật toán này trong trường hợp đại lượng co dấu (bipolar): /R 64000.0,AC0// Normalize the value in the accumulator +R 0.5,ac0// Offset the value to the range from 0.0 to 1.0 MOVR AC0, VD100//Store the nomalized value in the loop TABLE 4.2.6 Chuyển đổi giá trị đầu ra vòng lặp Một cách lô-gic, chúng ta thấy rằng cần phải có quá trình ngược lại với quá trình trên đối với giá trị ở đầu ra của bộ điều khiển PID. Nghĩa là biến đổi và đưa về thang giá trị thích hợp cho đầu ra từ giá trị đàu ra đã chuẩn hóa trong khoảng 0.0 đến 1.0. Phương trình thuật toán: Trong đó: là giá trị thích hợp cho đầu ra, đại diện cho một đại lượng thật là giá trị đầu ra chuẩn hóa, đại diện cho một đại lượng thật Span là hiệu của giá trị lớn nhất có thể trừ đi giá trị nhỏ nhất có thể có của giá trị chuẩn hóa. Trong S7-200 thường là 32000 – 0 = 32000 đối với các đại lượng không đỏi dấu (unipolar) và khi đó Offset = 0.0, hay 32000 – (-32000) = 64000 đối với các đại lượng có thể vừa có giá trị dương vừa có giá trị âm (bipolar) và khi đó Offset = 0.5. Đoạn lệch minh họa cho thuật toán: MOVR VD108,AC0 // Move the loop uotput to the accumular R 0.5, AC0 // Include this statement only if the value is // bipolar *R 64000.0, AC0 //Scale the value in the accumulator ROUND AC0 AC0 // Convert the real number to a 32- bit integer MOVW AC0, AQW0 //Write the 16- bit integer value to the analong //output 4.2.7 Vòng lặp thuận – nghịch Chúng ta thường nói về vòng lặp điều khiển thuận khi hệ số khuếch đại dương (> 0) hay vòng lặp điều khiển đảo (nghịch) khi hệ số khuếch đại (<0). Trong trường hợp không có thanh phần P (= 0), ta xét dấu của các hệ số 4.2.8 Các biến và dải Các giá trị yêu cầu và giá trị thực tế (biến điều khiển) là những đầu vào của bộ điều khiển PID, do đó các trường tương ứng với chúng trong bảng dữ liệu của PID sẽ không bị thay đổi bởi lệch này. Ngược lại trường tương ứng với đầu ra được cập nhật bởi PID. Nó sẽ bị cắt (chặn) nếu vượt ra ngoài khoảng cho phép [0.0 – 1.0]. Nếu có sử dụng thành phần tích phân (I), bias cũng được cập nhật và lại được dùng làm đầu vào cho lần lấy mẫu kế tiếp. Tuy nhiên nó có thể được điều chỉnh trong trường hợp đầu ra bị chặn (vì vượt ra ngoài khoảng [0.0 – 1.0]) theo phương trình sau: MX = 1,0 – ( Khi đầu ra lớn hơn 1.0, hay MX = – ( khi đầu ra nhỏ hơn 0.0, Trong đó: MX là giá trị bias đã được điều chỉnh là giá trị thành phần tỉ lệ (P) của đầu ra ở thời điểm lấy mẫu n là giá trị thành phần vi phân (D) của đầu ra ở thời điểm lấy mẫu n là giá trị của đầu ra ở thời điểm lấy mẫu n Bằng sự điều chỉnh này, giá trị đầu ra sẽ được đưa về khoảng hợp lệ. Giá trị bias cũng bị chặn trong khoảng [0.0 – 0.1] và ghi vào bảng dữ liệu cho lần lấy mẫu tiếp theo sử dụng. Giá trị bias trong bảng dữ liệu có thể thay đổi được ngay trước khi thực hiện lệch PID nhưng phải chú ý đây là một số thực nằm trong khoảng [0.0 – 0.1]. Giá trị đại lượng thực tế của lần lấy mẫu trước được lưu lại trong bảng dữ liệu để tính toán thành phần vi phân, không bao giờ được thay đổi giá trị này. 4.2.9 Các chế độ Một bộ điều khiển PID có thể hoạt động ở một trong hai chế độ: Auto hoặc Manual. Thực ra không có chế độ hoạt động nào được xây dựng sẵn cho PID trong S7- 200. Sự tính toán chỉ được thực hiện khi có dòng năng lượng ( powerflow) dến đầu EN (enable) của bộ PID. PID được xem như hoạt động ở chế độ Auto khi nó thực hiện tính toán một cách tuần hoàn liên tục. Trong trường hợp ngược lại, PID được xem như hoạt động ở chế độ Manual. Vấn đề chúng ta cần xét đến là sự chuyển đổi đảm bảo tính liên tục từ chế độ Manual sang chế độ Auto. Điều đó đòi hỏi đầu ra được tính trong chế độ Manual phải được ghi vào đầu vào ở thời điểm chuyển đổi sang chế độ Auto. Tương tự như cách hoạt động của bộ đếm, CPU sử dụng một bit nhớ để xác định thời điểm chuyển đổi: khi dòng năng lượng thay đổi từ 0 lên 1. Lúc đó CPU sẽ thực hiện một loạt thao tác cần thiết: Đặt giá trị yêu cầu bằng giá trị cần thiết: Đặt giá trị kế trước của giá trị thực tế: Đặt Bias bằng giá trị đầu ra: MX = Bit nhớ của một bộ PID có giá trị mặc định là 1 (ON), được đặt khi CPU khởi động hay chuyển từ chế độ STOP sang chế độ RUN. Điều đó có nghĩa là khi bộ PID được thực hiện lần đầu tiên, CPU không nhận biết sự chuyển đổi trạng thái của dòng năng lượng từ 0 lên 1do đó không thực hiện các thao tác ở trên. Lệch PID là một lệch đơn giản nhưng rất mạnh trong việc tính toán thuật toán PID. Nếu cần một số tính năng khác, ví dụ như báo động hay những thay đổi đặc biệt, có thể sử dụng các lệch khác để can thiệp. 4.2.10 Các điều khiện gây lỗi cho vòng lặp PID Khi chương trình sử dụng được biên dịch, lỗi biên dịch có thể xuất hiện địa chỉ bảng tham số [TBL] hoặc toán hạng [LOOP] của bộ PID vượt ra ngoài pham vi cho phép (out of range) Một số phạm vi cho phép không được kiểm tra, vì vậy người lập trình phải chú ý. Chẳng hạn như những giá trị yêu cầu và thực tế phải là các số thực nằm trong khoảng từ 0.0 đến 0.1, cũng như các giá trị thực tế kế trước hay Bias, nếu được sử dụng, không được vượt ra ngoài khoảng [0.0 - 0.1]. Nếu lỗi xuất hiện trong quá trình tính toán thuật toán PID, bit đặc biệt SM1.1 (overflow) sẽ bằng 1 và quá trình tính toán bị dừng lại. Trong những trường hợp như vậy, đầu ra của bộ PID có thể chưa được hoàn thành, vì vậy người lập trình phải chú ý kiểm tra bit đặc biệt này đẻ sử dụng đầu ra một cách hợp lyscungx như điều chỉnh các đầu vào nếu cần thiết. + Bit đặc biệt SM4.3 = 1: lỡi Run – Time + Lỗi 0006: địa chỉ gián tiếp 4.2.11 Bảng vòng lặp (Loop Table) Bảng các tham số của một bộ PID bao gồm 36 bytes như sau: Offset Trường Kiểu dữ liệu Loại Diễn tả VD0 Process variable () DW - R Đầu vào Chứa giá trị tức thời Phải nằm trong dải [0.0 ~ 0.1] VD104 Setpoint () DW - R Đầu vào Chứa giá trị đặt Phải nằm trong dải [0.0 ~ 0.1] VD108 Output () DW - R Đầu vào / ra Chứa giá trị đầu ra đã được tính toán Nằm trong dải [0.0 ~ 0.1] VD112 Gain ( DW - R Đầu vào Chứa giá trị hằng số khuếch đại Có thể là số âm hoặc dương VD116 Sample time ( DW - R Đầu vào Chứa giá trị thời gian lấy mẫu (giây) Phải là số dương VD120 Integral/Reset ( DW - R Đầu vào Chứa thời gian tích phân / reset (phút) Phải là số dương VD124 Derivative time / rate ( DW - R Đầu vào Chứa thời gian vi phân / rate (phút) Phải là số dương VD128 Bias (MX) DW - R Đầu vào / ra Chứa bit hoặc giá trị integral sum Nằm trong dải [0.0 ~ 0.1] VD132 Previous Process Var ( DW - R Đầu vào / ra Chứa giá trị tức thời ngay trước giá trị hiên thời đang được lưu trong vòng lặp PID (DW – R: Double Word – Real) CHƯƠNG 5 : XÂY DỰNG MÔ HÌNH 5.1 Mô hình hệ thống 5.2 Lựa chọn thiết bị 5.2.1 Sử dụng PLC S7_200 CPU 224(CPU 224 DC/DC/DC) Với đề tài được giao, chúng em lựa chọn PLC S7-200 CPU 224 vì đây là loại CPU có đầy đủ chức năng để thực hiện bài toán như: ghép nối với module analog, biến tần,số đầu vào ra nhiều,tích hợp bộ điều khiển PID trong đó và thực hiện được thuật toán PID điều khiển bài toán… và hơn hết là phù hợp với điều kiện sinh viên chúng em. Bảng giới thiệu về CPU 224 Kích thước vật lý 120.5mm x 80mm x 62mm Bộ nhớ chương trình 4096 words Bộ nhớ dữ liệu 2560 words Thể loại bộ nhớ EEPROM Hộp nhớ EEPROM Sao lưu dữ liệu 190 giờ Số lượng địa chỉ I/O 14 In / 10 Out Số lượng module mở rộng 7 modules Số lượng relay 256 Số lượng Counter 256 Số lượng Timer 256 Số lượng cổng truyền thông 1 ( RS- 485 ) Giao tiếp thông qua port 0 PPI, MPI slave, Freeport Hệ thống BUS trường NETR / NETW Sơ đồ đấu nối CPU 224 DC/DC/DC Hình a : CPU 224 DC/DC/DC ( Tải sử dụng điện áp 24VDC ) 5.2.2 ứng dụng Biến tần MM440 vào nội dung đề tài Cài đặt thông số cho biến tần điều chỉnh tốc độ máy bơm. P0304 =308V : điện áp định mức động cơ (V). P0305 =1,1A :dòng điện định mức động cơ (A) P0300 =1 : chọn động cơ(động cơ đồng bộ hoặc động cơ dị bộ) P0307 =0,75kW : công suất định mức động cơ( kW hoặc hp). Nếu P0100=0 P0308 =0,8 :hệ số cos định mức của động cơ. P0309 : hiệu suất định mức động cơ (%) P0310 =50Hz : tần số định mức động cơ ( Hz). P0311 1396v/phút :tốc độ định mức động cơ (V/ph) P0700 =2 :chọn nguồn lệnh P1000 =2 :lựa chọn điểm đặt tần số P1080 = 5Hz :tần số nhỏ nhất(Hz) P1082 = 50Hz : tần số lớn nhất(Hz) P1120 = 5s : thời gian tăng tốc đến giá trị lớn nhất(s) P1121 = 5s :thời gian giảm tốc về giá trị min(s) 5.2.3 Modul mở rộng EM 235 a,Thông số kĩ thuật : Sử dụng cho S7-22x. Ngõ vào tương tự ( 4AI ) , DC +/- 10V. Ngõ ra tương tự ( 1AO ) , DC +/-10V. Tầm điện áp : 0 -10V, 0-5V, +/-5V, +/-2,5V, … Thông số ngõ vào : 0-10V, 0-20 mA Thông số ngõ ra : +/-10V, 0-20 mA Độ phân giải Đầu ra dòng : 11 bit Đầu ra áp : 12 bit Kích thước : 71.2 x 80 x 62mm Trọng lượng : 186 g Thời gian biến đổi Analog sang Digital < 250µs. Dải giá trị biến đổi : + Tín hiệu đơn cực : 0 ÷ 32000 + Tín hiệu hai cực : -32000 ÷ 32000 Công suất tiêu thụ : 2W b,Sơ đồ đấu dây c,Sơ đồ khối mạch analog input Ngõ vào của Module Analog EM235 d,Cách đọc dữ liệu Analog Kết quả được canh trái. Ở chế độ đơn cực, ngõ vào thay đổi 1 đơn vị thì AIWxx thay đổi 8 đơn vị Ở chế độ lưỡng cực, ngõ vào thay đổi 1 đơn vị thì AIWxx thay đổi 16 đơn vị. e,Cách xuất dữ liệu Analog Kết quả được canh trái. MSB là bit dấu. 4 bit cuối không có ảnh hưởng đến điện áp xuất ra. f,Hiệu chỉnh ngõ vào Tắt nguồn modules, chọn tầm ngõ vào. Bật nguồn CPU và Module ,đợi cho ổn định trong 15 phút. Sử dụng transmitter, nguồn áp, nguồn dòng để cấp giá trị 0 đối với 1 trong số các ngõ vào. Đọc giá trị báo về bởi CPU. Chỉnh biến trở offset cho đến khi giá trị vào là 0. Cấp giá trị full - scale vào cho input. Chỉnh biến trở Gain để giá trị đọc về là 32000. g,Nguyên lý hoạt động : Khi sử dụng một kênh vào để đo tín hiệu lúc đó giá trị sẽ thể hiện dưới dạng điện áp hay dòng điện và Module Analog EM 235 biến giá trị này thành số nguyên từ 0 ÷ 32000. Dữ liệu chiếm 2 byte tức 16 bit. Và tùy theo giá trị dãy đo của tín hiệu ta có hai dạng tín hiệu vào sau : + Unipolar ( đơn cực ) : ( 0 ÷ 10V, 0 ÷ 20V ). + Bipolar ( lưỡng cực ) : Giá trị của phép đo sau khi EM235 nhận tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ được tính theo công thức : Value = Trong đó : n : là độ phân giải tính theo bit. Input : là tín hiệu điện áp hoặc dòng điện đưa về từ cảm biến nhiệt độ. Max/Min range : là giá trị lớn nhất, nhỏ nhất của đầuvào tương tự. Giá trị này sẽ được làm tròn và đưa về tín hiệu dạng mã nhị phân nhờ bộ ADC ( Analog digital converter ).Tín hiệu này sẽ được đưa vào CPU của PLC để xử lý. h,Phương pháp cài đặt : Chọn dãy giới hạn điện áp từ 0 ÷ 10V cho EM235 bật các công tắc trên module theo các vị trí đã được ấn định tương ứng với từng dãy điện áp và độ phân giải của tín hiệu như bảng dưới đây : Trong đó : SW1, SW2, SW3 để chọn hệ số suy giảm. SW4, SW5 để chọn hệ số khuếch đại. SW6 để chọn điện áp hoặc dòng điện có dấu hoặc không có dấu. 5.2.4 Sơ lược về áp suất và Cảm biến đo áp suất Đo áp suất là một trong những chức năng đo cơ bản nhất trong bất cứ nghành công nghiệp nào.Từ một nhà máy lọc dầu cho đến một chiếc xe ủi đất.Việc đo áp suất khí nén,lưu chất thủy lực ,chất lỏng trong các quy trình,hơi nước hoặc vô số các môi trường trung gian khác là chuyện xảy ra hàng ngày và đóng vai trò then chốt đối với tất cả các cách thức điều khiển.Kết quả là,ở đâu ta cũng bắt gặp các thiết bị đo áp suất và vô số các lựa chọn cho bạn.Mặc dù cũng có một số ngoại lệ song việc tổng kết lại các công nghệ đo áp suất theo các thuật ngữ nói chung có thể đem lại những ứng dụng tốt hơn.Bài báo cáo này sẽ trình bày những vấn đề về cảm biến áp suất 1,Áp suất a,Khái niệm Trước hết chúng ta cần tìm hiểu khái niệm áp suất:Áp suất là độ lớn của của áp lực lên một đơn vị diện tích bị ép(áp lực là lực ép có phương vuông góc với mặt bị ép).Công thức :p=F/S vơi p:áp suất(N/m2);F:áp lực(N);S:diện tích ép bề mặt. b.,Các loại áp suất Áp suất có các loại sau: Áp suất khí quyển: áp suất được ghi nhận cho biết là áp suất trên hay dưới áp suất khí quyển Áp suất chân không: áp suất được ghi nhận cho biết là áp suất tuyệt đối Áp suất nước: áp suất của nước lên thành bình Một số loại áp suất khác: áp suất được ghi nhận cho biết do việc đo hiệu sô áp suất giữa hai áp suất-ta gọi là hiệu áp Các thang áp suất c,Đơn vị đo Đơn vị đo áp suất: Có nhiều đơn vị dùng để đo áp suất như : Pascal,bar,kg/cm2,atmosphe,cm cột nước,mmHg,mbar.Nhưng ủy ban quốc tế thường chọn là Pascal(Pa) là đơn vị áp. d-Các phương pháp đo áp suất nước phương pháp đo áp suất tĩnh Việc đo áp suất của chất lưu không chuyển động dẫn đến phép đo lực F tác dụng lên đơn vị diện tích S của thành bình phân chia 2 môi trường,trong đó một môi trường chứa chất lưu là đối tượng cần đo áp suất.Có thể chia ra làm 3 trường hợp chính: Đo áp suất lấy qua một lỗ có tiết diện hinh tròn được khoan trên thành bình Đo trực tiếp sự biến dạng của thành bình do áp suất gây nên. Đo bằng một cảm biến áp suất để chuyển tín hiệu đầu vào(là áp suất) thành tín hiệu điện đầu ra chứa thông tin liên quan đến giá trị của áp suất cần đo và sự thay đổi của nó theo thời gian Trong cách đo trích lấy áp của áp suất qua một lỗ nhỏ phải sử dụng một cảm biến đặt gần thành bình.Sai số của phép đo sẽ nhỏ với điều kiện là thể tích chết của kênh dẫn và của cảm biến phải không đáng kể so với thể tích tổng cộng của chất lưu cần đo áp suất. Trong trường hợp đo bằng cảm biến áp suất,vật trung gian thường là các phần tử đo lực có một thông số,ví dụ thông số hình học có khả năng thay đổi dưới tác dụng của lực F=p.s,cảm biến áp suất có trang bị thêm bộ chuyển đổi điện để chuyển những thay đổi kích thước của ống dưới tác dụng của áp suất cần đo(đại lượng trung gian) thành tín hiệu điện. -Phương pháp đo áp suất động Khi nghiên cứu chất lưu chuyển động cân phải tính đện ba dạng áp suất cùng tồn tại:áp suất tĩnh() của chất lưu không chuyển động,áp suất động() do chuyển động với vận tốc v của chất lưu gây ra và áp suất tổng Pt là tổng của hai áp suất trên: Pt=+ Áp suất tĩnh được đo bằng một trong các phương pháp vừa trình bày. Áp suất động tác dụng lên mặt phẳng đặt vuông góc với dòng chảy sẽ làm tăng áp suất tĩnh và có giá trị tỉ lệ với bình phương vận tốc,nghĩa là: = Trong đó là khối lượng riêng của chất lưu. Việc đo áp suất trong chất lưu chuyển động có thể được thực hiện bằng việc nối hai đầu ra của ống Piot hai cảm biến,một cảm biến đo áp suất tổng cộng và một cảm biến đo áp suất tĩnh.Khi đó áp suất động sẽ là hiệu của áp suất tổng và áp suất tĩnh : Trong đề tài này ta sử dụng cảm biến áp suất và đo áp suất tĩnh bằng phương pháp lấy một lỗ nhỏ của ống dẫn nước sau đó lắp cảm biến vào thông qua cơ cấu lắp đặt để hạn chế sự ảnh hưởng của áp suất động,tránh sự tác dụng trực tiếp của chất lưu lên cảm biến sẽ tạo ra áp suất động gây nên sự bất ổn tín hiệu trong cảm biến. 2,Cảm biến áp suất 1-Khái niệm chung về cảm biến Cảm biến là thiết bị chuyển đổi đại lượng vật lý thành đại lượng điện. Cảm biến là phần tử cơ bản của bộ biến đổi áp suất,nó xác định đặc tính làm việc của thiết bị. Các bộ biến đổi áp suất hoạt động trên cơ sở 3 loại cảm biến chính.Đó là cảm biến điện trở tenxo,điện dung và điện cảm. Các đại lượng vật lý : vị trí,gia tốc,lực,nhiệt độ,độ ẩm,áp suất,ánh sáng…. Các đại lượng điện : điện trở,điện dung,điện cảm,điện áp ,dòng điện…. Các đặc tính mong muốn đối với cảm biến: Tỉ số tín hiệu/nhiễu cao(nhiễu ngắn hạn,dài hạn) Độ an toàn(điện,cơ,chống cháy nổ) Độ ổn định(ít bị ảnh hưởng bởi tác động bên ngoài) Độ tin cậy Độ chính xác Đáp ứng nhanh Tầm động rộng Giá thành hạ Công suất thấp Độ nhạy chéo thấp Miễn nhiễm EMI 2-Phân loại cảm biến 2.1-Cảm biến tích cực(active sensor) Cảm biến tích cực cần được cung cấp năng lượng từ bên ngoài(tín hiệu kích thích)trong quá trình hoạt động 2.2-Cảm biến thụ động(passtive sensor) Cảm biến không cần cung cấp năng lượng trong quá trính hoạt động 3-Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 3.1-Cấu tạo. Có nhiều loại cảm biến áp suất của các hãng khác nhau như Siemens,IFM,Autonics,Danfoss,GEMS…Nhưng chúng đều có cấu tạo chung như sau: Cảm biến áp suất với mạch tổ hợp điện trở áp điện bán dẫn được sản xuất nhiều cho việc đo áp suất và hiệu áp.Với kỹ thuật bán dẫn người ta chế tạo màng đo áp suất hoàn toàn bằng vật liệu silic.Điều này đưa tới việc toàn bộ kỹ thuật để chế tạo một cảm biến áp suất trên cùng một chip silic Sơ đồ hoạt động bên trong của cảm biến Dưới tác dụng của một lực cơ học trên một tinh thể,các nguyên tử bị lệch đi với nhau.Điều này làm thay đổi các hằng số mạng à cả cấu trúc các vùng năng lượng:vùng dẫn và vùng hóa trị. Các ứng suất nén và kéo làm thay đổi điện trở suất của bán dẫn silic p như sau: -Ứng suất nén sẽ hạ thấp các điểm cực đại của năng lượng,vùng hóa trị và vì thế ta có sự gia tăng các điện tích theo hướng nén trong tinh thể. -Và ngược lại,ứng suất kéo sẽ tác động sự nâng lên các điểm cực đại của năng lượng theo hướng của nó,do đó làm giảm đi các điện trở,điện trở gia tăng. Trong một sensor áp suất với tổ hợp mạch điện trở áp điện,sự thay đổi điện trở do sự thay đổi kích thước hình học dưới tác dụng của áp suất chỉ đóng vai trò thứ cấp(chiếm 2%sự thay đổi điện trở).Hiệu ứng được dung ở đây là sự thay đổi điện trở theo các ứng suất cơ học trong tinh thể.Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng điện trở áp điện được mô tả như trên và được viết với phương trình như sau: - -Trong đó: -: hệ số điện trở áp -:Điện trở suất -: Ứng suất cơ học Hệ số điện trở áp điện tùy thuộc vào hướng tinh thể và điều kiện đo đạc. Các điện trở được đặt ở điểm cực đại của ứng suất nén và kéo.Tương ứng với các hướng tương đối của các thành phần cảu ứng suất cơ học…,Điện trường E và mật độ dòng điện j người ta phân biệt. Cầu điện trở Tế bào đo áp suất của một cảm biến áp suất là loại điện trở áp điện là một chip silic vuông vức khoảng 6 và có bề dày sau khi được ăn mon khoảng vài . Chíp silic với điện trở R1,R2,R3,R4 có dạng sau: Chip silic với điện trở R1…R4 Màng silic tác dụng như một mặt phẳng căng ra,khi bị uốn cong trên bề mặt nó xuất hiện những điểm bị căng ra và co vào.Ở những nơi này qua công nghệ khuếch tán hay cấy ion các điện trở được cấy vào.Các điện trở này cũng bị căng ra hay co vào một cách tương ứng.Ngoài ra các điện trở bù trừ cũng được hình thành trên cùng một chip.Các điện trở này được nối với nhau thành một cầu điện trở có hình sau: Hình trên ta có cầu điện trở của cảm biến với 4 điện trở giống nhau khi màng silic bị uốn cong R1 và R3 tăng trị số,trong khi đó trị số điện trở R2 và R4 giảm đi.Do đó độ nhạy của cầu được gia tăng.Điện áp ra của cầu được tính như sau: UA = Ucc. Với Ri (p) =Ri +Ri(p) 4.Những ưu điểm của cảm biến áp suất so với kỹ thuật bán dẫn - Độ nhạy cao - Sự tuyến tính tốt - Sự trễ của áp suất vả của nhiệt độ đều bé - Thời gian hồi đáp ngắn - Chịu đựng sự thay đổi tải cao do không có sự mỏi của màng silic đơn tinh thể - Cấu trúc nhỏ gọn - Rẻ tiền do sự sản xuất rất kinh tế với công nghệ planar của kỹ thuật bán dẫn. 5. Các bước thực hiện đo bằng cảm biến áp suất - Kiểm tra nước trong thùng chứa - Lắp cảm biến,đồng hồ chỉ thị - Kiểm tra xem nước có bị rò rỉ không - Kiểm tra cách điện - Cấp nguồn cho biến tần - Nhấn nút khởi động động cơ - Tiến hành đo,lấy chân ra của cảm biến đưa vào que dương của đồng hồ và que âm của đồng hồ nối 0V Giới thiệu về 1 cảm biến cụ thể Giói thiệu về cảm biến áp suất E8AA-M05 Cảm biến được thiết kế với lớp vỏ thép không rỉ SUS316L kết hợp chặt chẽ với 1 lớp silicon cho phép E8AA đặc biệt thích nghi với các ứng dụng về khí và chất lỏng. Dải đo cảm biến từ 0 đến 500kPa. TÍn hiệu đầu ra 4- 20mA. Các ứng dụng: Trong các thiết bị sản xuất bán dẫn: giám sát và điều khiển áp suất. Trong các thiết bị lắp ráp tự động và Rôbốt: Điều khiển áp suất động học. Điều khiển mức và áp suất trong các bình chứa khí và chất lỏng… Hình ảnh thực tế của E8AA-M05 Thông số kĩ thuật: Điện áp nguồn cấp 10 ~ 24 VDC ± 10% Dòng điện tiêu thụ cực đại 40 mA Dải áp suất 0 ~ 500kPa Áp suất chịu cực đại 980 kPa Thởi gian đáp ứng cực đại 100 ms Tín hiệu đầu ra tương tự 4 ~ 20mA Dải nhiệt độ chịu -10 ~ 60 ºC ( điều kiện làm việc) -25 ~ 70ºC ( điều kiện bảo quản) Môi trường làm việc Khí không ăn mòn, khí trơ, chất lỏng không ăn mòn Phương thức kết nối Dây dẫn chống nhiễu ( độ dài tiêu chuẩn = 2 met) 5.3 Sơ đồ đấu nối 5.4 LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN 5.4.1 Định địa chỉ vào / ra Ký hiệu Địa chỉ Chức năng Địa chỉ đầu vào Start I0.0 Khởi động hệ thống bằng tay Stopp I0.1 Dừng hệ thống bằng tay Chọn Chế độ M0.0 M0.0=1(đk từ WinCC ) M0.0=0 ( đk bằng tay ) Start_WinCC M0.1 Khởi động hệ thống qua WinCC Stop_WinCC M0.2 Dừng hệ thống qua WinCC Áp suất_WinCC VD0 Áp suất đặt trên WinCC Áp suất _Biến trở VD4 Áp suất đặt qua biến trở Áp suất _Cảm biến VD12 Áp suất thực tế Đặt áp suất M1.0 Đặt áp suất(trên wincc) Địa chỉ đầu ra Start hoặc Stop_biến tần Q0.0 Điều khiển biến tân Đèn 1(chế độ bằng tay) Q0.2 Đèn chế độ bằng tay Đèn Stop Q0.1 Đèn báo dừng hệ thống Đèn2(chế độ Win CC) Q0.3 Đèn báo chế độ bằng tay Bơm 2 Q0.4 Gọi hoặc ngắt bơm 2 Đèn 3 Q0.5 Cảnh báo quá áp Đầu ra analog AIW0 Tín hiệu ra tương tự Lưu đồ thuật toán a,Lưu đồ thuật toán chọn chế độ hoạt động b,Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống bằng tay c,Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống bằng WinCC d,chương trình con PID Chương trinh con PID Khai báo tham số Setpoint ;Kp , Ti , Ts Gọi ngắt thời gian ATCH Đọc tín hiệu từ AIW0 lưu vào VD100 Chuẩn hóa đưa vào vòng lặp PID ( Loop 0) End Tính toán sử lý tín hiệu Xuất giá trị ra VD108 Scale VD108 xuất ra AIW0 đk biến tần 5.5 CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 5.5.1. Chương trình con Analog_Input Tín hiệu nhận từ cảm biến có dạng 0 đến 20mA về modul EM235 sẽ được chuyển thành dạng số nguyên 16 bit tương ứng cất trong ô nhớ AIW0. Để có thể đọc được giá trị nhiệt độ thực tế của lò nhiệt ta phải chuyển dữ liệu cất giữ ở AIW0 về dạng số thực tương ứng và cất vào ô nhớ VD12. Muốn cập nhật được nhiệt độ của lò nhiệt qua WinCC ta truy cập vào ô nhớ VD12 ta sẽ nhận được giá trị lò nhiệt, đồng thời từ giá trị ô nhớ đó ta có thể đem đi điều khiển bài toán theo yêu cầu. Quan hệ giữa áp suất thực tế đường ống với tín hiệu của cảm biến Là quan hệ tuyến tính, tỷ lệ với nhau Gọi giá trị min (dạng số thực) của tín hiệu cảm biến đưa vào modul là ứng với (dạng số thực) là áp suất nhỏ nhất mà cảm biến đo được. Gọi giá trị max (dạng số thực) của tín hiệu cảm biến đưa vào modul là ứng với (dạng số thực) là áp suất lớn nhất mà cảm biến đo được. Gọi giá trị bất kì (dạng số thực) của tín hiệu cảm biến đưa vào modul là ứng với (dạng số thực) là áp suất thực tế mà ta đo được. Khi đó ta có quan hệ giữa hai loại giá trị đó theo hàm sau: (1) Quan hệ giữa giá trị tín hiệu cảm biến với giá trị dữ liệu tương ứng trong AIW0 Là quan hệ tuyến tính, tỷ lệ với nhau Gọi giá trị (dạng số thực) của tín hiệu cảm biến đưa vào modul là ứng với (dạng số nguyên 16 bit) cất giữ trong AIW0 Gọi giá trị (dạng số thực) của tín hiệu cảm biến đưa vào modul là ứng với (dạng số nguyên 16 bit) cất giữ trong AIW0. Gọi giá trị bất kì (dạng số thực) của tín hiệu cảm biến đưa vào modul là ứng với (dạng số thực 16 bit) cất giữ trong AIW0. Khi đó ta có mối quan hệ giữa hai loại giá trị đó theo hàm sau: (2) Từ (1) và(2) ta rút ra được quan hệ giữa áp suất thực tế đường ống với giá trị dữ liệu tương ứng cất trong AIW0 là: Đây chính là thuật toán để xây dựng nên chương trình con Analog_Input tính toán giá trị áp suất thực của đường ống 5.5.2. Chương trình con Chuanhoa_SP Tương tự quy tắc xây dựng chương trình con Analog_Input như trên ta xây dựng chương trình con Chuanhoa_SP với: Khi đó ta có quan hệ như sau: 5.5.3 Chương trình ngắt INT_0 Chương trình ngắt được gọi ra trong chương trình con khai báo tham số PID sau khi khai báo hết các tham số của PID. Chương trình được xây dựng trên 3 network như sau: Network 1 chuẩn hóa tín hiệu dạng 16 bit từ AIW0 về dải từ 0 đến 1 thỏa mãn yêu cầu tham số đầu vào của PID Network 2 khi đã khai báo đầy đủ tham số của PID tiến hành gọi lệnh PID để thực hiện thuật toán PID điều khiển áp suất đường ống Network 3 chuẩn hóa tín hiệu đầu ra dạng số thực dải từ 0 đến 1 về dạng số nguyên 16 bit tương ứng có dải từ 0 đến 32000, sau đó cất vào ô nhớ AQW0 thông qua modul EM235 cho ra tín hiệu dạng điện áp đưa vào đầu vào tương tự của biến tần M440 để điều khiển tốc độ động cơ( cũng như điều khiển áp suất đường ống) a,chương trình chính b,Chương trinh con PID Chương trình ngắtPID Chương trình con chuanhoa_sp CHƯƠNG VI GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM ỨNG DỤNG WINCC 6.1 Tổng quan về WinCC 6.1.1 Khái niệm về WinCC WinCC (Window Control Center) là một hệ thống phần mềm điều khiển giám sát công nghiệp, có tính kỹ thuật và hệ thống màn hình hiển thị đồ họa để điều khiển các nhiệm vụ đặt ra trong sản xuất và tự động hóa quá trình. Hệ thống này có chứa những module chức năng tích hợp công nghiệp cho hiển thị đồ họa, thông báo, lưu trữ và các báo cáo. Nó là một trình điều khiển mạnh, nhanh chóng cập nhật các hình ảnh của các quá trình quan sát, và các chức năng lưu trữ an toàn bảo đảm một tính lợi ích cao. 6.1.2 Cấu hình WinCC V6.0 Một project của WinCC chứa 3 thành phần chính: a. Computer: Quản lý tất cả các trạm vận hành (WorkStation) và trạm chủ (Server) nằm trong project. b. Tag Managerment: Là khu vực quản lý tất cả các kênh, các quan hệ logic, các biến nội (Internal tag), biến ngoại (External tag), biến quá trình (tag process) và các nhóm tag (tag groups). Các Tags có thể được lưu trong bộ nhớ PLC hoặc trên các thiết bị khác. WinCC kết nối với PLC thông qua các Tags. Tạo những nhóm biến (Groups) thiết bị: Khi dự án có một khối lượng lớn dữ liệu với nhiều biến, có thể nhóm các biến này thành một nhóm các biến này thành một nhóm biến thích hợp theo đúng qui cách. Nhóm biến là những cấu trúc bên dưới sự kết nối PLC, có thể tạo nhiều nhóm biến và nhiều biến trong mỗi nhóm biến nếu cần. Các biến nội (Internal) dễ dàng được tạo và sau đó được gán vào một PLC thật. Các biến này có nhiệm vụ xử lý và giám sát quá trình hoạt động cũng như vận hành. Biến có nhiều kiểu dữ liệu khác nhau như: + Binary Tag: Kiểu nhị phân. + Unsigned 8-bit value: Kiểu nguyên 8 bit không dấu. + Signed 8-bit value: Kiểu nguyên 8 bit có dấu. + Unsigned 16-bit value: Kiểu nguyên 16 bit không dấu. + Signed 16-bit value: Kiểu nguyên 16 bit có dấu. + Unsigned 32-bit value: Kiểu nguyên 32 bit không dấu. + Signed 32-bit value: Kiểu nguyên 32 bit có dấu. + Floating Point Number 32 bit IEEE 754: Kiểu số thực 32 bit theo tiêu chuẩn IEEE 754. + Floating Point Number 64 bit IEEE 754: Kiểu số thực 64 bit theo tiêu chuẩn IEEE 754. + Text Tag 8 bit character set: Kiểu kí tự 8 bit. + Text Tag 16 bit character set: Kiểu kí tự 16 bit. + Raw Data type: Kiểu dữ liệu thô. c. Data type: Chứa các loại dữ liệu được gán cho các tag và các kênh khác nhau. 6.1.3. Thiết kế đồ họa của WinCC (Graphics Designer). a. Chức năng của Graphics Designer: Mở ra giao diện cho các đồ họa quan trọng và cung cấp giao diện OLE 2.0 Hành vi động của các đối tượng ảnh có thể cấu hình được với hỗ trợ từ một trình trợ giúp (Dynamic Wizard) Các liên kết tới các chức năng phụ nhờ cấu hình script mạnh Các liên kết tới các đối tượng đồ họa mà người sử dụng có thể tạo ra b. Cấu trúc của Graphics Designer: Hình 3.1 Cấu trúc của Graphics Designer Graphics Designer chứa các mục sau: * Các bảng và thanh công cụ phục vụ cho thao tác với Graphics Designer: Menu Bar Palette chuẩn Thanh trạng thái Thanh lớp * Các Palette để tạo và sửa các đối tượng đồ họa: Palette màu Palette đối tượng Palette kiểu Palette về sắp xếp Palette về phóng to, thu nhỏ hình Palette font * Bảng đối tượng: - Các đối tượng chuẩn (Standard Object): Tại đây có rất nhiều đối tượng, để sử dụng và lấy chúng thì chỉ cần nhấp chuột và kéo chúng vào cửa sổ làm việc. Có thể dùng chuột kéo để thay đổi kích thước của đối tượng. Các đối tượng ở đây gồm: Đường thẳng, hình đa giác, đường gấp khúc, Elip, đường tròn, hình chữ nhật… - Các đối tượng thông minh (Smart Object): Gồm các đối tượng nhúng - Ứng dụng Window (Application Window): Là những đối tượng thông báo hệ thống (Alarm Logging), lưu trữ hệ thống (Tag Logging), báo cáo hệ thống (Print jobs). Application Window mở ra những cửa sổ ứng dụng và quản lý nó để hiển thị và vận hành. - Điều khiển nhúng và liên kết đối tượng (OLE control): Sử dụng OLE control để cung cấp các công cụ Window (nút bấm, hộp lựa chọn…). Các thuộc tính của nó được biểu thị trong cửa sổ “Object Properties” và tab “Event”. - Trường vào/ra (I/O Field): Sử dụng như một trường vào hoặc ra hoặc cả vào lẫn ra. Các dạng dữ liệu cho phép sử dụng với I/O Field: Nhị phân (Binary). Hệ 16 (Hexadecimal). Hệ thập phân (Decimal). Xâu kí tự (String). - Bar: Thuộc tính của nó ảnh hưởng đến sự xuất hiện và tính năng của nó. Nó thể hiện các giá trị bằng đồ thị có quan hệ với giới hạn cao, thấp hoặc hoàn toàn chỉ là miêu tả bằng đồ họa phối hợp thể hiện những giá trị với tỉ lệ do người sử dụng định trước. - Hiển thị trạng thái (Status Display): Sử dụng để thể hiện bất kỳ con số của những trạng thái khác nhau nào. Cho phép thực hiện hiển thị động bằng cách nối nó với giá trị của tất cả các Tag tương ứng với những trạng thái khác nhau. - Danh sách văn bản (Text List): Sử dụng Text List để đưa giá trị cho văn bản. Nó có thể sử dụng như một danh sách vào (vào là danh sách, ra là giá trị) hoặc danh sách ra (vào là giá trị, ra là danh sách) hoặc phối hợp danh sách/văn bản. Dạng số liệu là thập phân, nhị phân hoặc bit dữ liệu đều có thể sử dụng. Các đối tượng của Window (Window Object): - Nút bấm (Button): Sử dụng để điều khiển sự kiện quá trình. Nó có hai trạng thái ấn xuống và không ấn. Liên kết tới quá trình bằng cách thực hiện các thuộc tính động tương ứng. - Hộp thử (Check-Box): Nó được sử dụng khi mà có nhiều sự lựa chọn bằng cách kích lên từng trường hợp mà người sử dụng cần. Cho phép liên kết mềm dẻo với quá trình bằng cách thực hiện những thuộc tính động tương ứng. - Nhóm lựa chọn (Option Group): Tương tự như Check-Box nhưng ở đây là lựa chọn đơn. - Nút tròn (Round Button): Là một công cụ giống như Button phục vụ cho vận hành sự kiện quá trình - Slider: Là công cụ điển hình chuyển động phục vụ cho điều khiển quá trình. Phạm vi điều khiển nằm giữa giá trị nhỏ nhất và giá trị lớn nhất. Có thể thiết lập một sự kiện tới quá trình bằng cách thực hiện những thuộc tính động tương ứng. 6.1.4 Chức năng của Tag Logging a. Đặc điểm: Tag Logging chứa các hàm để lấy dữ liệu từ các quá trình đã thực hiện và chuẩn bị dữ liệu để hiển thị và lưu trữ. Nó có thể mang lại ý nghĩa công nghệ và kỹ thuật liên quan tới trạng thái vận hành hệ thống. Giúp tăng năng suất Giúp cải tiến chất lượng sản phẩm Hiệu quả và tối ưu trong việc sử dụng hệ thống Tạo văn bản cho tiến trình của các giá trị quá trình Tag Logging được chia thành 2 thành phần: Cấu hình hệ thống (Tag Logging Configuration System/Tag Logging CS): Tất cả các đặc tính cần thiết cho lưu trữ và hiển thị đều được gán dữ liệu bằng “Tag Logging Configuration System”. Những đặc tính này phải được tạo ra và chuẩn bị trước khi khởi động chạy thực hệ thống Chạy thực hệ thống (Tag Logging Runtime/Tag Logging RT): Chấp nhận dữ liệu đã đặt và liên kết chúng với những đặc tính đã được chỉ định và chuẩn bị cho lưu trữ và hiển thị. b. Các thành phần của Tag Logging: Tag Logging có 2 thành phần chính: -Timer -Archives c. Bộ định thời Timer Tag Logging giới thiệu 2 loại hệ thống Timer khác nhau: - Timer thu nhận: Là khoảng thời gian mà các giá trị được Tag Logging copy từ hình ảnh quá trình của bộ quản lí dữ liệu (Data Manager). - Timer lưu trữ: Là khoảng thời gian mà dữ liệu được nạp vào vùng lưu trữ. Bộ định thời lưu trữ luôn luôn là một số nguyên lần bộ định thời thu nhận được thiết lập. d. Bộ phận lưu trữ Thư mục lưu trữ có chứa thông số mặc định cho việc tạo ra một bộ phận lưu trữ và xác định các Tag liên quan trong suốt mối liên hệ giữa chúng với quản lí dữ liệu của Tag. Tạo ra một ấn bản hay nhiều lưu trữ được thực hiện trong vùng đặt cấu hình “Archive”. Tại một thời điểm một lưu trữ mới cũng được nạp vào project. Trong WinCC cho phép sử dụng 3 dạng lưu trữ: Lưu trữ dữ liệu quá trình (Process Value Archive). Lưu trữ dạng nén (Compressed Archive). Lưu trữ của người sử dụng (User Archive). Lưu trữ dữ liệu quá trình: Các giá trị của quá trình được thu nhận về môi trường WinCC để xử lý tính toán thông qua các mối liên hệ logic là các Tag quá trình. Mỗi một thành phần lưu trữ nhận các Tag của quản lí dữ liệu. Mỗi liên kết giữa giá trị quá trình và lưu trữ được hình thành khi lưu trữ mà người sử dụng tạo ra được nối với một Tag. Lưu trữ dạng nén: Lưu trữ dạng này nén dữ liệu và phối hợp với các số liệu một cách hiệu quả. Theo cách này các giá trị đo có thể được thu thập trực tiếp và được sao chép ngay sau đó. Loại lưu trữ này cho phép lưu trữ lâu dài tất cả các kiểu Tag khác nhau mà Tag Logging sử dụng. Lưu trữ của người sử dụng: Bất kì số lượng Tag do người sử dụng tạo ra đều được nạp vào trong “User Archive”. Vì lí do đó mà người dùng có thể đưa vào phương pháp làm việc hay phương pháp thay đổi nào đó sau đó nạp chúng vào trong “User Archive” và nếu cần thiết thì thông qua chúng liên kết với PLC. Ngoài ra lưu trữ của người dùng còn được sử dụng để thu nhận “charge data” (là tổng hợp của các thông báo, dữ liệu quá trình và các giá trị đặt cho mỗi phần sản phẩm) Loại lưu trữ này được tổ chức thành các bảng riêng rẽ trong cơ sở dữ liệu trừ cột đầu tiên của bảng (có kiến trúc hoàn toàn tự do). Mỗi lưu trữ của người dùng phải co một tên riêng biệt. Truyền thông giữa PLC và WinCC được thực hiện do cấu trúc bức điện phù hợp với quy ước rõ ràng theo kiến trúc của chúng. 6.1.5. Trình soạn thảo Report a. Tổng quan Report Designer là một phần mềm cơ bản của WinCC nó cung cấp các chức năng cho việc đào tạo và in các báo cáo. WinCC cung cấp hai trình soạn thảo cho việc tạo báo cáo: - Trình soạn thảo tạo các báo cáo theo trang(Page layout) - Trình soạn thảo tạo các báo cáo theo dòng (Line layout) WinCC cung cấp những hộp thoại cho phép lựa chọn cấu hình của dữ liệu được in ra trong báo cáo. Những hộp thoại này được sắp xếp theo những ứng dụng của chúng: Scripts trong Graphics Designer Alarm Logging CS Alarm Logging Runtime Win CC Explorer Global Scripts Tag Logging CS Tag Logging RunTime Text Library User Administrator Sử dụng những đối tượng động (Dynamic Oject) của Report Designer để tạo dữ liệu cho báo cáo. Những đối tượng động này phải được liên kết với các ứng dụng thích hợp. Trong khi in báo cáo những đối tượng động được cung cấp những giá trị hiện thời Đối với việc in báo cáo, bạn phải đặt thời gian in, và môi trường in, hệ thống cung cấp các lựa chọn có thể sau: In được khởi động bởi người sử dụng (Print start by user) Tại một điểm đã được chọn trước (At a preselected time) Chu kỳ in (Cyclic output) In ra màn hình (Output to the screen) In ra một máy in đã được chọn trước (Output to a preselected printer) In vào một file (Output to a file) Output to a page area b. Các báo cáo Trong WinCC, bạn có thể sử dụng các báo cáo cho cấu hình dữ liệu của bạn (tài nguyên của dự án) và báo cáo trực tiếp dữ liệu trong các ứng dụng chạy. Cấu trúc và hình dạng của các báo cáo này phải chính xác. Report Designer phân biệt một số báo cáo theo cách trình bày và nội dung dữ liệu của chúng. Cách trình bày của báo cáo được phân loại như sau: - Theo trang (Page layout) - Theo dòng (Line layout) Trong Page layout, Report Designer cung cấp cho bạn những đối tượng tĩnh (static) đối tượng động (dynamic) và các đối tượng hệ thống để tạo một cấu trúc trực quan. Báo cáo các tài nguyên của project (Project documentation): Dữ liệu từ Alarm Logging Dữ liệu từ WinCC Explorer Dữ liệu từ Global Scripts Dữ liệu từ Tag Logging Text Library User Administrator Theo các báo cáo có sẵn trong khi chạy thực một số ứng dụng: Message sequence report Message archive report Achirve report 6.1.6. Trình soạn thảo Alarm-Logging a. Chức năng Bộ soạn thảo “Alarm Logging” chịu trách nhiệm nhận và lưu trữ các thông báo (message). Nó có các chức năng để nhận các thông báo từ các quá trình, và để chuẩn bị, hiển thị, chấp nhận và lưu trữ chúng. Alarm Logging có thể: - Cung cấp thông tin đầy đủ thông tin chính xác về lỗi và trạng thái hoạt động - Được dùng để phát hiện sớm các trường hợp nghiêm trọng - Tránh và giảm bớt thời gian chết (downtime) - Tăng chất lượng - Cung cấp tài liệu định hướng cho các lỗi và trạng thái hoạt động Hệ thống thông báo xử lý kết quả từ các chức năng theo dõi các tác vụ trong quá trình, ở mức tự động và trong các hệ thống WinCC. Các sự kiện cũng được lưu trữ điện tử và trên giấy. Các thông báo có thể được truy nhập riêng biệt. Thông tin bổ sung với các thông tin riêng đảm bảo phân lập và sửa lỗi nhanh chóng. b. Phân loại Alarm Logging được chia thành 2 phần: Hệ thống cấu hình và hệ thống thời gian thực. Nhiệm vụ của hệ thống cấu hình Alarm Logging (ALGCS): Sử dụng hệ thống cấu hình Alarm Logging (ALGCS) để tạo cấu hình các thông báo sao cho chúng đạt được hệ thống trong thời gian thực mà bạn mong muốn. Cấu hình hệ thống thông báo có thể đơn giản hóa nhờ sử dụng wizard: - Winzard hệ thống cung cấp hỗ trợ khi thiết lập hệ thống thông báo cơ bản - Winzard liên kết đơn giản hóa việc gán các Tag quá trình cho thông báo - Hơn nữa, các hộp thoại cấu hình khác nhau có sẵn sẽ cho phép xử lý đồng thời nhiều thông báo Nhiệm vụ của hệ thống thời gian thực Alarm Logging (ALGRT): Nhận thông báo và chấp nhận lời báo nhận. Nó chuẩn bị thông báo để hiện thị và lưu trữ. 6.2 Phần mềm kết nối ứng dụng giữa WinCC và PLC S7-200 PC ACCESS được dùng trong luận văn này với mục đích kết nối giữa S7-200 và Wincc, để làm được điều này ta cần tìm hiểu về cách cài đặt và sử dụng của nó như thế nào ? 6.2.1. Tổng quan về PC access S7-200: 6.2.1.1 Giới thiệu PLC S7-200 Simatic được thiết kế để giải quyết những vấn đề giao tiếp và các nhu cầu của mạng làm việc bằng cách hỗ trợ không chỉ ở những mạng làm việc đơn giản nhất mà còn ở những mạng phức tạp hơn. PC Access là một OPC Server dành riêng cho PLC Simatic S7-200. PC Access có thể làm việc với bất kỳ chuẩn OPC Client như : Excel Client, Protool/Pro Client, Visual Basic Client. S7-200 PC Access giúp cho việc thiết lập và xác định cấu hình của mạng làm việc một cách dễ dàng và đơn giản 6.2.1.2 Những tiện ích của PC ACCESS : Xây dựng một OPC Test Client. Có thể đưa Excel Client vào để có thể quan sát được những bảng tính. Cung cấp giao diện chuẩn cho bất kỳ OPC Client. Tích hợp bảng biểu tượng Micro/Win bao gồm biểu tượng nhận xét. Làm đơn giản giao diện người dùng (User Interface) giúp cho việc cài đặt và xác định cấu hình nhanh chóng. Time Stamp cho biết thời gian mỗi tag được cập nhật (khi sử dụng Test Client). Sự cải tiến trong việc chọn lựa. Chẳng hạn như việc thông báo giới hạn trên (Hight) và dưới (Low). Có thể làm việc với tất cả các kiểu dữ liệu của PLC S7-200. Không hạn chế số lượng Item được đọc hay viết. PC Access cung cấp phương thức để những bộ điều khiển nhỏ có thể cải tiến về : Các thao tác. Sự phục vụ. Sự cải tiến này làm cho việc truy cập dữ liệu, điều khiển và giám sát được thực hiện một cách dễ dàng. 6.2.1.3 Tạo sự kết nối cho một PLC : Trong S7-200 PC Access với trợ giúp OPC bao gồm 3 biến đối tượng : PLC Folder ( không cần thiết) Item Khi tạo một dự án mới, việc kết nối PLC phải được làm trước với hai bước sau: Thiết lập cấu hình giao tiếp : Khởi động S7-200 PC Access, từ thanh Taskbar chọn Start > Simatic > S7-200 PC Access. Mở một dự án mới, chọn File > New, cửa sổ Unititled- S7-200 PC Access xuất hiện. Thiết lập cấu hình mới cho một PLC : Trên cửa sổ làm việc của S7-200 PC Access, nhấp phải Microwin chọn New PLC. Cửa sổ PLC Properties xuất hiện, ở mục Name nhập vào tên PLC cần làm việc, ở đây chọn tên PLC1. 2.2. Tạo mục Item : Nhấp phải vào mục PLC1 chọn New, rồi chọn item. Đặt tên tag là Star.Địa chỉ I0.0 và kiểu dữ liệu BOOL Các bước làm tương tự với các tag tiếp theo: Sau đó Add tag từ PC-Access sang WinCC Mở WinCC lên. Nhấp chuột phải vô Tag Management chọn Add new Drive Sau đó hiện cửa sổ Add new drive, ta chon OPC.chn nhấp phải vào OPC Group => system Parameter Chọn S7200 OPC.Server xong rồi nhấn nút Browse Server Cửa sổ S7 200.OPCServer xuất hiện =>Chọn như hình vẽ xong click vào Add Items Vậy là ta đã làm xong phần Add tag từ PC-Access sang WinCC rồi. Giao diện WINCC khi thiết kế KẾT LUẬN Sau quá trình học tập và rèn luyện nghiêm túc,tại khoa Điện trường ĐH công nghiệp Hà Nội cùng với sự hướng dẫn,chỉ bảo ,đôn đốc tận tình của Thầy giáo Nguyễn Bá Khá cùng các bạn trong lớp, đến nay chúng em đã hòan thành được Đồ án tốt nghiệp đại học. Đây là bước khởi đầu cho sự phấn đấu, cố gắng cho quá trình học tập làm việc sau này của chúng em. Sau thời gian làm đồ án chúng em đã thu được nhiều kiến thức bổ ích, thật sự nghiên cứu đam mê các công nghệ, nắm bắt và tổng hợp lại nhiều kiến thức đã học được ở trường. Chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Nguyễn Bá Khá, người thầy đã động viên và giúp đỡ chúng em nhiều về mặt tinh thần cũng như kiến thức để chúng em có thể vượt qua những khó khăn để tìm tòi kiến thức về lĩnh vực mới và hoàn thành được Đồ án tốt nghiệp Đại học ngày hôm nay. Một lần nữa chúng em xin chân thành cảm ơn những chỉ bảo, quan tâm quý báu của thầy đã tạo cho chúng em sự tự tin cũng như tinh thần nỗ lực hết mình vào công việc. Chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong bộ môn Đo lường và Điều Khiển cũng như các thầy cô trong Khoa Điện đã cho chúng em kiến thức chuyên ngành và những kinh nghiệm quý báu để cùng với sự nỗ lực của bản thân chúng em để có thể hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. TÀI LIỆU THAM KHẢO Lý thuyết điều khiển tự động,Phạm Công Ngô,NXB kỹ thuật 2000 Giáo trình đo lường điện và cảm biến đo lường, Nguyễn Văn Hòa,NXB giáo dục MICROMASTER 440 của (Văn phòng đại diện Siemens AG Việt nam) Nhận dạng hệ thống điều khiển tự động,Nguyễn Doãn Phước và Phan Xuân Minh,NXB kỹ thuật 2001 S7-200 Programmable Controller System Manual, Siemens AG 1999 Tự động hoá trong công nghiệp với WinCC (TS. Trần Thu Hà – KS Phạm Quang Huy) Một số Web tham khảo: