Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học Nông nghiệp hà nộI
---------------

Vũ xuân phong Nghiên cứu khai thác một số module điều khiển
quá trình của hệ SIMATIC S7-300
luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Chuyên ngành : điện khí hoá sản xuất
nông nghiệp và nông thôn
Mã số : 60.52.54 Ngời hớng dẫn khoa học: pgs.ts. phan xuân minh

Hà nội 2008
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
i
LỜI CẢM ƠN

ðể hoàn thành luận văn này, trong thời gian qua tôi nhận ñược sự giúp ñỡ
nhiệt tình của quí thầy, cô giáo bộ môn ðiện kỹ thuật- Khoa Cơ ñiện trường ðại
học NNHN, của qui thầy quí giáo bộ môn ðiều khiển tự ñộng- ðH BK Hà Nội.
Tôi xin trân trọng cảm ơn quí thầy, cô bộ môn ðiện kỹ thuật, Khoa Cơ ñiện,
Khoa SðH, Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội.
Xin trân trọng gửi lời cảm ơn ñến quí thầy, cô giáo bộ môn ðiều khiển Tự
ñộng- ðHBK Hà Nội. ðặc biệt, xin trân trọng gửi lời cảm ơn ñến PGS-TS Phan
Xuân Minh- Người trực tiếp hướng dẫn ñã tận tình giúp ñỡ và ñóng góp nhiều ý
kiến quí báu ñể tôi hoàn thành bản luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Cao ñẳng nghề Cơ ñiện Xây dựng &
Nông Lâm Trung Bộ, khoa Khoa Kỹ thuật ñiện – nơi tôi ñang công tác ñã tạo mọi
ñiều kiện thuận lợi ñể tôi hoàn thành khóa học.
Trong quá trình thực hiện ñề tài không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong
nhận ñược ý kiến của quí thầy cô giáo và các bạn ñồng nghiệp.

Tôi xin chân trọng cảm ơn!

Tác giả


...................................................................................................................... 43

3.2 Bộ ñiều khiển PID...................................................................................... 47
3.2.1 Bộ ñiều khiển PID ................................................................................ 47
3.2.2. Một số tác ñộng phụ không mong muốn và phương pháp ngăn ngừa ...... 49
3.2.3 Một số phương pháp lựa chọn cấu trúc và tính toán tham số trên cở sở bộ
ñiều khiển PID .............................................................................................. 50

3.4 Một số thuật toán ñiều khiển quá trình phát triển trên nền bộ ñiều khiển PID
.......................................................................................................................... 57

3.4.1 Thuật toán ñiều khiển Cascade ............................................................. 57
3.4.2 Thuật toán ñiều khiển có bù ảnh hưởng của nhiễu từ tín hiệu ñặt (setpoin)
...................................................................................................................... 58

PHẦN 4 CÀI ðẶT BỘ ðIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNHTRÊN NỀN CÁC MODULE
ðIỀU KHIỂN MỀM CỦA STEP 7....................................................................... 60

4.1 Cài ñặt bộ ñiều khiển PID bằng module mềm FB41 “CONT_C” và khối hàm
tạo xung FB43 “PUSEGEN”............................................................................. 60

4.2 Cài ñặt bộ ñiều khiển Cascade trên cở sở FB 41 “CONT_C”.................. 62
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
iv4.3 Cài ñặt bộ ñiều khiển bù ảnh hưởng của nhiễu từ tín hiệu ñặt bằng FB 41
“CONT_C” ......................................................................................................... 63

PHẦN 5 ỨNG DỤNG THÍ NGHIỆM TRÊN LÒ NHIỆT ðIỆN TRỞ ....................... 66 Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
vDANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
BðK Bộ ñiều khiển
ðTðK ðối tượng ñiệu khiển
HTðK Hệ thống ñiều khiển

Hình 2.14 Dạng LAD của hàm FC106 ................................................................. 41
Hình 3.1 Giao diện của System Identification Tool GUI........................................ 46
Hình 3.2 Cấu trúc bộ điều khiển PID.................................................................... 48
Hình 3.3 Cấu trúc bộ hiệu chỉnh khắc phục hiện tượng “Windup” ....................... 50
Hình 3.4 Xác định thông số đối tượng từ hàm quá độ ........................................... 51
Hình 3.5 Cấu trúc hệ thống thực nghiệm để xác định k
th
và
gh
T
........................... 53
Hình 3.6 Hàm quá độ h(t) thích ứng vói phương pháp Chien- Hrones- Reswic ..... 54
Hình 3.7 Mối quan hệ giữa diện tích và tổng các hằng số thời gian ...................... 56
Hình 3.8 Cấu trúc BĐK theo nguyên lý Cascade................................................... 58
Hình 3.9 Cấu trúc bộ điều khiển có bù nhiễu từ tín hiệu đặt................................. 58
Hình 4.1 Cấu trúc chương trình trong khối OB35 ................................................. 61
Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý điều khiển PID trong khối OB 35 ..................................... 61
Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý điều khiển Cascade trong khối OB 35............................... 62
Hình 4.4 Project của chương trình bộ điều khiển Cascade trong STEP7................... 63
Hình 4.5 Cấu trúc bộ điều khiển bù ảnh hưởng nhiễu ........................................... 64
Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý điều khiển bù nhiễu trong khối OB35........................... 64
Hình 4.7 Project của chương trình bộ điều khiểnbù nhiễu trong STEP7................... 65
Hình 5.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm .......................................................................... 66
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
viiHình 5.2 Xung điện áp cấp cho lò nhiệt................................................................. 67
Hình 5.3 Giao diện của System Identification Tool và cửa sổ import data............ 70
Hình 5.4 Ước lượng mô hình quán tính bậc nhất có trễ........................................ 70

viiiDANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Kết hợp công tắc chuyển mạch.............................................................. 33
Bảng 2.2 Ví dụ về điều khiển nhiệt độ ................................................................... 33
Bảng 2.3 Tín hiệu ở chế độ điều khiển 2 vị trí ....................................................... 37
Bảng 2.4 Chế độ điều khiển 2 và 3 vị trí trong manual mode ................................ 37
Bảng 2.5 Giá trị của các biến của FC106 ............................................................ 40
Bảng 3.1 Công thức chuyển đổi giữa bộ PID_ADD và PID_MUL ........................ 49
Bảng 3.2 Tham số bộ điều khiển Ziegler Nichols theo phương pháp 1 .................. 52
Bảng 3.3 Tham số bộ điều khiển Ziegler Nichols theo phương pháp 2 .................. 53
Bảng 3.4 Tham số BĐK yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín không có độ quá điều
chỉnh..................................................................................................................... 54

Bảng 3.5 Tham số BĐK yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín có độ quá điều chỉnh
∆h<25%. .............................................................................................................. 54

Bảng 3.6 Tham số BĐK yêu cầu tối ưu theo theo tín hiệu đặt trước có độ quá điều
chỉnh ∆h ≤ 20%. ................................................................................................... 55

Bảng 3.7 Tham số BĐK yêu cầu tối ưu theo theo tín hiệu đặt trước và không có độ
quá điều chỉnh ∆h ≤ 20%. ..................................................................................... 55

Bảng 3.8 Tham số BĐK ưu tiên chế độ chống nhiễu theo phương pháp tổng Kunh
............................................................................................................................. 56

Bảng 3.9 Tham số BĐK ưu tiên chế độ tác động nhanh theo phương pháp tổng
Kunh ..................................................................................................................... 57

khả trình PLC và phần mềm STEP7 của hệ PLC SIMATIC S7-300 (Phần 1).
Nghiên cứu ñặc ñiểm, cấu trúc, nguyên lý làm việc, các tham số ñầu
vào ñầu ra của các module mềm PID tích hợp sẵn trong STEP7: FB41, FB42,
FB43; các module xử lý tín hiệu FC105, FC106. (Phần 2).
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
2 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và công cụ ñể mô hình hóa ñối tượng và
xây dựng một số thuật toán ñiều khiển sử dụng các module ñiều khiển quá
trình của hệ SIMATIC S7-300 (Phần 3).
Nghiên cứu cài ñặt một số bộ ñiều khiển PID sử dụng các module ñiều
khiển quá trình của hệ SIMATIC S7-300 (Phần 4).
Thí nghiệm kiểm chứng trên bộ thí nghiệm ñiều khiển lò ñiện trở, so
sánh với một số bộ ñiều khiển khác. Từ ñó rút ra kết luận thực tiễn và những
ñề xuất kiến nghị (Phần 5).
ñiều khiển bằng biến trạng thái, lý thuyết ñiều khiển tối ưu có những bước
phát triển lớn dựa trên nền tảng nguyên lý cực ñại của Pontryagin và lập trình
ñộng lực học của Bellman. ðồng thời, lọc Kalman ñược hoàn thiện và nhanh
chóng trở thành công cụ chuẩn, ñược sử dụng trong nhiều lĩnh vực ñể ước
lượng trạng thái bên trong của hệ từ tập nhỏ các tín hiệu ño ñược [10].
Bắt ñầu từ những năm 1980, ứng dụng những thành tựu của toán học,
các nghiên cứu về ñiều khiển ñã ñưa ra ñược các phương pháp thiết kế bộ ñiều
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
4khiển (BðK) ñể một hệ kỹ thuật vẫn ñảm bảo ñược các tính năng sử dụng khi
có tác ñộng của nhiễu và sai số- “kỹ thuật ñiều khiển bền vững hệ ña biến” .
Trong hai thập kỷ cuối, nhiều nhánh mới về ñiều khiển cũng ñã hình thành, ñó
là: thích nghi, phi tuyến, hổn hợp, mờ và neural [10].
Một hệ thống ñiều khiển là một liên kết của nhiều thành phần, tạo nên
một cấu hình hệ thống có khả năng ñáp ứng một nhu cầu nhất ñịnh. Một thành
phần hay một quá trình (Process) cần ñược ñiều khiển ñược gọi là ñối tượng
ñiều khiển (ðTðK), ñược biểu diễn bằng một khối có ñầu vào và ñầu ra.
Quan hệ vào – ra thể hiện mối quan hệ nhân quả của quá trình ñiều khiển,
trong ñó tín hiệu vào ñược xử lý nhằm tạo ra một tín hiệu ra, thường là với
năng lượng ñã ñược khuyếch ñại [1].

Hình 1.1 Đối tượng điều khiển
Một HTðK ñơn giản nhất bao gồm một bộ ñiều khiển (BðK) tác ñộng
lên một ðTðK và ñược gọi là HTðK vòng hở (open loop), việc sử dụng
BðK nhằm ñiều khiển một quá trình ñáp ứng một yêu cầu xác ñịnh trước. Hình 1.2 Hệ thống điều khiển vòng hở

thế ñã làm thay ñổi diện mạo nhiều ngành sản xuất, dịch vụ. ðã xuất hiện
những nhà máy không có người, văn phòng không có giấy, cuộc chiến không
có lính, rồi ñến những thuật ngữ máy thông minh, thiết bị thông minh v.v.
ðáp ứng
mong muốn
ra
ðT ðK BðK So sánh
Hệ ño
ra
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
61.2. Thiết bị ñiều khiển khả trình (PLC)
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của lý thuyết ñiều khiển, các thiết bị
ñiều khiển hiện ñại, “thông minh” ñã ñược ra ñời ñể giải quyết các bài toán
ñiều khiển lớn cho những HTðK phức tạp. Hệ ñiều khiển này ñã xử lý hàng
ngàn thông tin lấy từ cảm biến ñể ñiều khiển hàng trăm cơ cấu chấp hành:
van, cấp nhiệt, bơm v. v. ñể cho ra sản phẩm với yêu cầu khắt khe về tính
năng kỹ thuật.
PLC (Programable Logic Controller) là loại thiết bị cho phép thực hiện
linh hoạt các thuật toán ñiều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình thay
cho việc phải thể hiện thuật toán ñó bằng mạch số. Như vậy, với chương trình
ñiều khiển trong mình, PLC trở thành một bộ ñiều khiển số nhỏ gọn dễ thay
ñổi thuật toán và ñặc biệt dễ trao ñổi thông tin với môi trường xung quanh
(với PLC khác hoặc với máy tính). Toàn bộ chương trình ñiều khiển ñược lưu
nhớ trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình và ñược thực hiện
thực hiện lặp theo chu kỳ của vòng quét. PLC là một cụm từ chỉ tất cả các linh
kiện, thiết bị hay một nhóm sản phẩm nào ñó kết hợp lại, những thiết bị này
ñược lập trình tuân thủ các tác vụ logic ñể tạo nên một HTðK bán tự ñộng

Bộ ñệm
vào/ ra
Timer
Counter
Bit cờ
Cổng vào/ ra
onboard
Cổng ngắt và ñếm
t
ốc ñộ cao
Quản lý ghép nối
Bus của PLC
CPU
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
8Ngày nay, các HTðK tự ñộng sử dụng thiết bị ñiều khiển khả trình
(Programable Logic Controller- PLC) ngày càng phổ biến. Với những tính
năng ưu việt như: cấu trúc nhỏ gọn, tốc ñộ xử lý thời gian thực cao, nhiều
chức năng ñiều khiển, có ñộ mềm dẻo sử dụng rất cao, cộng với khả năng kết
nối với các TBðK, theo dõi giám sát… ñã tạo cho PLC một khả năng làm
việc linh họat và hiệu quả. Có thể nói, PLC như một máy tính số cho kỹ thuật
ñiều khiển hiện ñại. Ở nước ta chủ yếu ñang sử dụng PLC của các hãng sản
xuất PLC như SIEMENS, MITSHUBISHI, LG, SCHNEIDER…Các PLC
hiện ñại ñược chế tạo ngày càng tối ưu và ñược module hóa tiện lợi cho việc
sử dụng. Hiện nay, PLC của hãng Siemens là một trong những loại PLC ñược
sử dụng phổ biến tại Việt Nam. Các PLC của hãng Siemens bao gồm các
dạng: Simatic 505; Simatic S5; Simatic S7, C7. Trong ñó dòng Simatic S7
ñược sử dụng nhiều nhất trong các nhà máy xí nghiệp trong nước. Các họ

Cáp tải
ch
ương trình
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
10ðối với hệ thống ñiều khiển phức tạp gồm nhiều trạm PLC kết nối với
nhau, với các thiết bị ñiều khiển, ño lượng khác qua MPI bus.

Hình 1.7 Hệ thống điều khiển phức tạp

1.3.2. Các module của PLC S7-300
ðể tăng tính sử dụng mềm dẻo trong ứng dụng thực tế, hê SIMATIC S7-
300 ñược chia nhỏ thành các module. Do vậy số module ñược sử dụng nhiều
hay ít tùy thuộc vào bài toán ñiều khiển. Song bao giờ cũng phải có một
module chính là module CPU, còn lại là các module nhận và truyền tín hiệu
với các ñôi tượng ñiều khiển, các module chuyên dụng như PID, ñiều khiển
ñộng cơ bước…chúng ñược gọi là các module mở rộng. Tất các các module
ñược gắn trên các thanh ray (rack).
- Module CPU
Module CPU là module có chứa bộ vi xử lý, hệ ñiều hành, bộ nhớ, bộ
ñịnh thời, bộ ñếm, , cổng truyền thông RS485 và có thể có vài cổng vào ra số
trên module (onboard). Trong họ PLC có nhiều loại CPU khác nhau như
module CPU312, module CPU314…
Ngoài ra còn các loại module CPU với 2 cổng truyền thông trong ñó
cổng truyền thông thứ 2 có chức năng chính là phục vụ việc nối mạng trong
hệ ñiều khiển phân tán.
MPI-Bus
S7-400

bước, module ñiều khiển ñộng cơ servo, module ñiều khiển vòng kín.
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
12(5) module CP (Communication Module) là module phục vụ truyền
thông trong mạng giữa PLC với nhau hoặc PLC với máy tính [3].

Hình 1.8 Sơ đồ kết nối các module của S7-300 trên rack

1.4 Phần mềm STEP – 7
1.4.1 STEP7 ñịnh nghĩa và chức năng
STEP7 là một bộ chương trình phần mềm chuẩn sử dụng ñể ñặt cấu hình
và lập trình cho SIMATIC PLC. Nó là một phần mềm công nghiệp có các
version STEP7 Micro/ DOS, STEP7 Micro/Win cho S7-200; STEP7 cho S7-300.
Một số chức năng của STEP7 ñược liệt kê dưới ñây:
* Có thể ñược mở rộng như là một phần mềm trong công nghiệp phần
mềm SIMATIC.
* Có thể chỉnh sửa tham số cho Function Module và quá trình truyền thông.
* Dữ liệu truyền thông toàn cầu.
* ðịnh cấu hình kết nối.
1.4.2 Bộ chương trình STEP7 chuẩn (STEP7 Standard Package)
Ngôn ngữ lập trình SIMATIC và ngôn ngữ biểu diễn thống nhất trong
STEP7 chuẩn tuân theo chuẩn EN 61131-3 hay IEC 1131-3. Bộ chương trình
chuẩn chạy trên Windows 95/ 98/ 2000/ Me/ XP.
Chức năng: Bộ chương trình STEP7 chuẩn hỗ trợ nhiều chức năng trong
toàn bộ các mặt của một quá trình tạo một nhiệm vụ ñiều khiển tự ñộng.
* Thiết lập và quản lý Project.
* ðịnh cấu hình và chỉnh sửa tham số phần cứng và truyền thông.
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………

(vào/ra), bít nhớ và các khối.
- Sắp xếp chức năng.
- Nhập/ xuất dữ liệu từ những chương trình khác của Window.
Bảng biểu tượng (Symbol table) ñược tạo, với công cụ này sẽ có thể sử
dụng cho tất cả các công cụ khác. Bất kỳ sự thay ñổi nào về thuộc tính của
một tên hình thức (symbol) ñược tự ñộng chấp nhận bởi tất cả các công cụ
trong SIMATIC Manager. Cửa sổ dao diện như hình 1.10
Chuẩn đoán lỗi phần cứng
Chức năng này cung cấp cho ta toàn cục về tình trạng của bộ ñiều khiển
lập trình. Qua ñó sẽ giúp chúng ta phát hiện ra các module có lỗi hay không.
ðể hiển thị chi tiết lỗi trong module ta nhấp chuột kép vào nó. Phạm vi của
những thông tin này phụ thuộc vào từng module.
* Hiển thị thông tin chung về module: vesion, tên…và trạng thái của
module lỗi.
* Hiển thị lỗi module cho I/O trung tâm và DP slaves.

Hình 1.10 Giao diện chức năng chỉnh sửa tên hình thức (symbol)
chỉnh sửa symbol
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
15* Hiển thị thông ñiệp từ bộ ñệm chuẩn ñoán (diagnostic buffer).
Với module CPU còn hiển thị thêm:
* Nguyên nhân của lỗi trong quá trình hoạt ñộng của chương trình ñang
sử dụng.
* Hiển thị trạng thái kết nối MPI và tải.
* Hiển thị ñặc trưng dữ liệu.
Ngôn ngữ lập trình.
Tùy thuộc vào PLC của từng hãng và ngôn ngữ của mỗi quốc gia khác

chỉ ñưa ra những hộp thoại làm việc.