Bộ công thơng viện nghiên cứu điện tử, tự động, tin học hóa Báo cáo tổng kết đề tài cấp năm 2007 nghiên cứu, chế tạo điều khiển đa dựa vi điều khiển 16 bit cho ứng dụng công nghiệp Chủ nhiệm đề tài: Trịnh hải thái 6936 04/8/2008 hà nội - 2007 B CễNG THƯƠNG VIỆN NC ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA —–˜&™—– BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NCKH VÀ PTCN CẤP BỘ NĂM 2007 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐA NĂNG DỰA TRÊN VI ĐIỀU KHIỂN 16 BIT CHO CÁC ỨNG DỤNG CÔNG NGHIỆP (Mã số: 139.07RD/HĐ-KHCN) Chủ nhiệm đề tài: Đơn vị chủ trì: Các quan phối hợp chính: ThS Trịnh Hải Thái Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa Cơng ty CP Bia Thanh Hố, Hà Nội-Hải Dương, Hà Nội – 12/2007 DANH SÁCH CÁN BỘ THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI STT Họ tên Đơn vị công tác Trịnh Hải Thái Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa Trần Văn Tuấn Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa Nguyễn Tuấn Nam Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa Tạ Văn Nam Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa Đinh Đức Chính Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa Phạm Chí Cơng Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa Nguyễn Thị Hương Lan Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa Phạm Thùy Dung Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa Bùi Đức Thắng Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa 10 Phạm Hùng Cường Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa MỤC LỤC Chương - TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐA NĂNG Cơ sở pháp lý/ xuất xứ đề tài Tính cấp thiết mục tiêu nghiên cứu đề tài 2.1 Tính cấp thiết 2.2 Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng/phạm vi nội dung nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu 3.2 Nội dung nghiên cứu Tổng quan tình hình nghiên cứu nước Tổng quan tình hình nghiên cứu ngồi nước 5.1 Tổng quan 5.2 Giới thiệu điều khiển đa nước .7 5.3 Các ứng dụng điều khiển tiêu biểu 13 Khảo sát thực tế nước 15 Một số cơng trình thi cơng sử dụng điều khiển đa 17 Tổng kết điều khiển đa 18 Chương - THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN 19 Tổng quan thiết kế 19 Thiết kế chế tạo phần cứng 20 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 Sơ đồ thiết kế tổng thể phần cứng 20 Yêu cầu linh kiện, thiết bị 20 Module xử lý trung tâm 22 Module vào/ số PWM 23 Module vào/ tương tự 24 Module hiển thị bàn phím 25 Module truyền thông RS232/RS485 25 Module nguồn 26 Module truyền thông Ethernet 26 Thiết kế module đầu vào tương tự cho cảm biến RTD, TC 30 Module pH transmitter 32 Xây dựng phần mềm điều khiển 43 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 Thiết kế giao diện tương tác 43 Xây dựng hàm toán học 46 Xây dựng hàm logic 48 Xây dựng hàm PID tự chỉnh 49 Xây dựng chức điều khiển 55 Xây dựng chức lưu trữ 61 Xây dựng chức cảnh báo/báo động 62 Xây dựng chức truyền thông Ethernet 63 Xây dựng chức truyền thông RS232/RS485 68 Hoạt động điều khiển 69 Xây dựng hệ SCADA sở điều khiển đa 74 4.1 Mạng truyền thông hệ SCADA 74 4.2 Giao thức truyền thông 75 4.3 Xây dựng phần mềm SCADA 83 Chương - THỬ NGHIỆM 94 Thử nghiệm phịng thí nghiệm 94 Thử nghiệm thực tế 97 KẾT LUẬN 104 LỜI CÁM ƠN 104 TÀI LIỆU THAM KHẢO 105 Tiếng Việt 105 Tiếng Anh 105 PHỤ LỤC 106 Chương - TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐA NĂNG Cơ sở pháp lý/ xuất xứ đề tài Đề tài “Nghiên cứu, chế tạo điều khiển đa dựa vi điều khiển 16 bit cho ứng dụng công nghiệp” thực theo: Hợp đồng nghiên cứu khoa học phát triển công nghệ số 04-16RD/BCN-KHCN Bộ Công nghiệp (Bên A) Viện Nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hoá (Bên B) ký ngày 26 tháng 01 năm 2006 Hợp đồng nghiên cứu khoa học phát triển công nghệ số 139.07RD/HĐ-KHCN Bộ Công nghiệp, Bộ Công Thương (Bên A) Viện Nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hoá (Bên B) ký ngày 06 tháng 02 năm 2007 Tính cấp thiết mục tiêu nghiên cứu đề tài 2.1 Tính cấp thiết Bộ điều khiển đa sử dụng rộng rãi ứng dụng công nghiệp điều khiển nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, pH, có ưu điểm: nhỏ gọn (ngày nhỏ theo phát triển công nghệ sản xuất chip); cho phép giảm đáng kể thời gian thiết kế, thi công cơng trình tự động hố; có nhiều chức cài đặt sẵn dễ sử dụng; mức độ thông minh, nhớ ngày cao; hỗ trợ nhiều chuẩn truyền thông quốc tế nên dễ mở rộng hệ thống; tích hợp sẵn tính điều khiển (từ đơn giản phức tạp) phù hợp cho nhiều đối tượng điều khiển cơng nghiệp (Các ưu điểm phân tích sâu mục sau) Tại Việt Nam hầu hết điều khiển đa nước cung cấp với giá thành cao, việc nghiên cứu thiết kế chế tạo, tiến tới sản xuất thiết bị nước cần thiết nhằm làm chủ công nghệ sản xuất, giảm giá thành sản phẩm, góp phần tạo sản phẩm điện tử có khả cạnh tranh giai đoạn gia nhập WTO 2.2 Mục tiêu nghiên cứu Năm 2006, đề tài đặt mục tiêu sau: § Nghiên cứu, làm chủ công nghệ thiết kế chế tạo điều khiển đa có giá thành hạ cho ứng dụng cơng nghiệp Việt Nam, có khả thay thiết bị ngoại nhập có tính § Làm sở để tiếp tục nghiên cứu công nghệ vi điều khiển tiên tiến tương lai để nâng cao chất lượng phạm vi ứng dụng điều khiển Năm 2007, đề tài đặt mục tiêu sau: § Hồn thiện mở rộng chức cho điều khiển đa sở kết nghiên cứu giai đoạn I, đáp ứng yêu cầu thực tế § Xây dựng mạng truyền thông sở điều khiển đa ứng dụng hệ SCADA Đối tượng/phạm vi nội dung nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu Khái niệm : Hiện chưa thấy có định nghĩa chuẩn điều khiển đa năng, nhiên hãng Honeywell đưa dòng sản phẩm - UDC (UNIVERSAL DIGITAL CONTROLLERS) có tính tương tự điều khiển nhiều hãng tiếng Siemens - SIPART, Burkert - DIC(Digital Industrial Controller), OMRON - DC(Digital Controller), ABB (Advanced Process Controller), Có thể phân biệt điều khiển đa số đặc điểm đặc trưng sau: § Được xây dựng tảng phương pháp điều khiển thông thường đại (điều khiển PID, điều khiển fuzzy, điều khiển thích nghi, ), áp dụng cho nhiều tốn điều khiển (tính đa năng): sử dụng nhiều điều khiển q trình (process control) § Người sử dụng xây dựng chương trình điều khiển phương pháp cấu hình cấu trúc điều khiển dựa sở khối hàm chuẩn dựng sẵn, khơng địi hỏi lập trình ngơn ngữ (tất nhiên người sử dụng phải chuyên gia tích hợp hệ thống end-user) Các khối hàm chuẩn hàm hay sử dụng điều khiển q trình cơng nghiệp như: lọc (filter), chống nhiễu (pulse suppress), scaling, PID, nhận dạng, hàm toán học, hàm logic, § Một điều khiển đa thường sử dụng cho điều khiển cục bộ, tương đối độc lập (liên động ít) hay vài khâu quy mơ nhỏ hệ thống tự động hoá Đối với hệ thống lớn, người ta thường sử dụng điều khiển đa kết hợp với PLC § Có khả kết nối mạng theo giao thức truyền thông mở (các giao thức sở RS485, RS232, Ethernet, ), mở rộng, tích hợp hệ thống dễ dàng § Ngồi xu phổ biến tích hợp ln tính transmitter vào điều khiển 3.2 Nội dung nghiên cứu Năm 2006, đề tài thực nội dung sau: § Nghiên cứu, thiết kế chế tạo phiên I điều khiển đa Kết tạo sản phẩm UDC.01 với tính như: điều khiển PID, truyền thông sở RS485/RS232, vào/ra chuẩn, cấu hình từ xa (đặt cấu hình từ máy tính qua mạng RS232) § Thử nghiệm điều khiển thực tế cho ứng dụng điều khiển độ cứng pH hệ thống lọc nước Bộ điều khiển điều khiển xác (tương đương với điều khiển SC100 HACH độ xác) có đánh giá tốt sở sản xuất Năm 2007, đề tài đăng ký nội dung nghiên cứu sau: § Hồn thiện mở rộng chức điều khiển bao gồm: tính tốn tốn học, thiết kế chế tạo module vào/ra cắm thêm; thiết kế chế tạo module khuyếch đại tín hiệu RTD, TC pH; xây dựng lọc; xây dựng chức PID tự chỉnh; xây dựng chức truyền thông theo chuẩn Ethernet § Xây dựng hệ SCADA sở điều khiển đa bao gồm: mạng Ethernet kết nối điều khiển đa máy tính, phần mềm SCADA PC phục vụ giám sát, cấu hình từ xa Giao thức truyền thơng sử dụng TCP/IP § Thử nghiệm đánh giá kết Tổng quan tình hình nghiên cứu nước Việc thiết kế chế tạo điều khiển cơng nghiệp nói chung Việt Nam, nhiên hầu hết điều khiển hướng vào phạm vi hẹp ứng dụng (chủ yếu giám sát điều khiển nhiệt độ) nên thường có cấu trúc cố định tính Độ mềm dẻo khơng cao, địi hỏi kiến thức chun sâu lập trình, tốn nhiều thời gian, công sức cho thiết kế chế tạo để đáp ứng yêu cầu công nghệ khiến điều khiển khó thích nghi nhiều trường hợp thực tế Mặt khác nhiều điều khiển dựa vi điều khiển 8-bit hạn chế tốc độ nhớ không đáp ứng yêu cầu phát triển ngày tăng sở sản xuất nâng cấp, mở rộng để nâng cao suất, sản lượng, chất lượng đồng thời làm giảm phạm vi ứng dụng Trên thị trường chưa có điều khiển đa có thương hiệu Việt Nam, hầu hết phải nhập từ nước với giá thành cao gấp nhiều lần so với sản xuất nước nhà máy bia Hải Dương, Thanh Hố, Kim Bài, Thái Bình; Cơng ty phân đạm hố chất Hà Bắc; Cơng ty Gang thép Thái Nguyên điều khiển pH, T, DO, Ca, Flow, áp suất, nhập ngoại Bên cạnh hầu hết đơn vị chưa ý tích hợp transmitter vào điều khiển để tăng thêm giá trị sử dụng chức điều khiển đơn giản chưa đáp ứng thực tế Tổng quan tình hình nghiên cứu nước 5.1 Tổng quan Nhiều hãng lớn SIEMENS, Honeywell, OMRON, ABB nghiên cứu phát triển điều khiển đa dòng sản phẩm SIPART (SIEMENS), UDC (HoneyWell), Digital Process Controller (OMRON), Advanced Process Controller (ABB) sử dụng rộng rãi giới Nhiều thuật toán điều khiển phức tạp, nhiều chức tính tốn cài đặt sẵn làm cho điều khiển dùng nhiều ứng dụng tên gọi “đa năng” Trên điều khiển có sẵn thuật tốn điều khiển PID, điều khiển mờ, điều khiển thích nghi, điều khiển lai, điều khiển bù nhiễu trước, điều khiển nhiều vịng kín, điều khiển logic, điều khiển theo giới hạn (limit control), điều khiển theo dõi, điều khiển tỷ lệ, điều khiển đồng (đồng theo giá trị chủ đạo đưa từ master PLC điều khiển khác), điều khiển bước, hàm toán học, logic, so sánh, định thời, Tất việc lại người sử dụng cần làm cấu hình (định nghĩa cấu trúc cho điều khiển) cài đặt tham số Bộ điều khiển cịn có giao diện truyền thông cho phép kết nối mạng sở người ta xây dựng hệ SCADA có kiến trúc phân tán: hệ bao gồm nhiều điều khiển nằm trường, điều khiển có hiển thị, cảnh báo, bàn phím, cài đặt chỗ Mỗi điều khiển cục bộ, độc lập tương đối (liên động ít) cơng đoạn dây chuyền sản xuất đồng thời thu thập liệu liên quan để truyền trạm điều khiển trung tâm qua mạng truyền thông Trạm điều khiển trung tâm thường sử dụng máy tính PC có cài đặt phần mềm HMI để người vận hành giám sát, lưu trữ, điều khiển từ xa tồn dây chuyền Mạng truyền thơng phổ biến điều khiển PROFIBUS, MODBUS Ethernet Trong mạng Ethernet có xu hướng ngày phổ biến, chiếm đến 80% thị phần mạng tồn giới Ethernet có nhiều ưu điểm như: lắp đặt nhanh nhờ phương pháp kết nối đơn giản; tính sẵn sàng cao nhờ khả mở rộng lớn, không hạn chế; cho phép kết nối nhiều lớp ứng dụng khác quản lý, sản xuất; có khả kết nối diện rộng mạng WAN; tương thích nhiều thiết bị giới nay; gần không giới hạn hiệu suất mạng nhờ sử dụng cơng nghệ switching Ngồi điều khiển đa hãng kể hầu hết tích hợp sẵn đầu vào cho đầu đo nhiệt độ RTD, TC Hơn nhiều hãng sản xuất đầu đo HACH, E+H, YSI, có xu hướng tích hợp điều khiển với transmitter Mỗi điều khiển có khả kết nối vài dạng đầu đo chuẩn Tuy nhiên điều khiển dạng thường đơn giản điều khiển, khơng có module mở rộng giá thành cao (thậm chí gấp đơi giá thành transmitter thơng thường) 5.2 Giới thiệu điều khiển đa nước Tất điều khiển đa có số AI, AO, DI, DO chuẩn (0 10V, 0/4 20mA, 24VDC, dry contact, ) tín hiệu đầu vào từ cặp nhiệt Sau giới thiệu hàm chức loại Ø Burkert - DIC(Digital Industrial Controller)-Hình Hình Bộ điều khiển DIC hãng Burkert Chức điều khiển -Điều khiển setpoint cố định -Folowup control -Điều khiển tỷ lệ -Điều khiển fixed setpoint kết hợp feedforward -Cascade control -Step control -Overide control Hàm toán học -Cộng, trừ, nhân, chia, khai Truyền thông -RS232 -RS485/PROFIBUS Ø Siemens – SIPART - Hình Hình Bộ điều khiển SIPART hãng Siemens Chức điều khiển -Điều khiển setpoint cố định -Folowup control -Điều khiển tỷ lệ -Điều khiển fixed setpoint kết hợp feedforward -Cascade control -Step control -Điều khiển thích nghi (tuỳ chọn) Hàm toán học -Cộng, trừ, nhân, chia, khai Truyền thông -RS232 -RS485/PROFIBUS-DP/PA, HART -Ethernet (tuỳ chọn) DAC0 tạo nguồn dòng 1mA qua đầu đo RTD, tín hiệu Signal+ Signal- đưa vào AIN4 (+) AIN5 (-) * Khối DAC Vi điều khiển MSC1212 tích hợp DAC 16 bit độc lập, đáp ứng đủ yêu cầu độ xác tín hiệu đầu Trong đó, DAC0 DAC1 cịn đóng vai trị chuyển điện áp - dịng điện lập trình Cơng thức tính cho chuyển điện áp – dịng điện: IDAC = 4.VDAC , VDAC < AVDD – RDAC Transmitter sử dụng DAC0 tạo nguồn dòng 1mA qua đầu đo PT1000 * Khối vi xử lý Các nhiệm vụ vi xử lý: ù Xử lý thông tin thu thập liệu từ ADC ù Lọc thơng thấp ù Tính tốn lưu trữ ù Điều khiển DAC Vi xử lý lấy mẫu từ ADC với tần số 10 Hz tần số tạo dao động thạch anh 6MHz Tần số lấy mẫu tối ưu việc sử dụng lọc có sẵn MSC1212 Vi xử lý thu thập liệu, tính tốn, lọc thơng thấp đưa tín hiệu điều khiển DAC Ø Khối chuyển đổi điện áp – dịng điện Tín hiệu đầu transmitter chuyển dạng 4-20 mA theo sơ đồ sau XTR111 IC chuyên dụng chuyển đổi điện áp sang chuẩn 0-20 mA 4-20 mA, dịng đầu lên đến 36mA Tỉ lệ điện áp vào dòng điện đặt RSET tính theo cơng thức: I OUT = 10VIN RSET Mạch chuyển đổi sử dụng MOSFET kênh P đảm bảo đầu trở kháng cao Xây dựng phần mềm điều khiển 3.1 Thiết kế giao diện tương tác Người sử dụng tương tác với điều khiển thơng qua bàn phím hình hiển thị mặt điều khiển 3.2 Xây dựng hàm PID tự chỉnh v Thiết kế khâu điều chỉnh PID số Thành phần trung tâm điều khiển số vi xử lý, vi điều khiển hay vi xử lý tín hiệu Có nhiều phương pháp để tiến hành thiết kế phương pháp thiết kế miền thời gian xấp xỉ liên tục (thiết kế điều khiển PID số), thiết kế miền thời gian gián đoạn (thiết kế tối ưu tham số cho điều khiển, thiết kế tối ưu cấu trúc,…) Với phương pháp thiết kế tối ưu tham số hay tối ưu cấu trúc cho điều khiển, mơ hình đối tượng cần biết trước Trên sở tìm hiểu phương pháp vào yêu cầu đặt toán thực tế, đề tài lựa chọn thiết kế khâu điều chỉnh theo luật điều khiển PID số Đây luật điều khiển tuyến tính ứng dụng 13 rộng rãi hệ thống điều khiển công nghiệp bên cạnh phương pháp điều khiển đại khác điều khiển mờ, điều khiển thích nghi điều khiển lai Ø Lựa chọn luật điều khiển Mỗi cấu trúc điều khiển PID đưa có ưu điểm riêng, phụ thuộc vào yêu cầu tốc độ đáp ứng, độ điều chỉnh, tính ổn định, mức độ tính tốn mà lựa chọn luật điều khiển phù hợp Ở đây, để thích hợp cho ứng dụng khác nhau, điều khiển thiết kế sử dụng luật điều khiển PID1 (các dạng rút gọn PI, PD Ø Lựa chọn tần số lấy mẫu tín hiệu Trên sở tham khảo thiết kế điều khiển có thị trường phần cứng thiết kế cho điều khiển, tần số thực gián đoạn hoá chọn với thời gian lấy mẫu thấp Ts = 0.01s (tần số 100Hz, với khoảng thời gian vi điều khiển LPC2124 thực triệu lệnh, đủ để tham gia tính tốn cho thuật tốn PID) Với tần số lấy mẫu vi điều khiển lựa chọn thiết kế hoàn toàn đáp ứng việc thực tính tốn điều khiển, nhận dạng v Tự chỉnh tham số điều khiển PID Đối với ứng dụng điều khiển công nghiệp sử dụng luật điều khiển PID, yêu cầu đặt việc lựa chọn tham số Kp, Ti, Td quan trọng khơng dễ dàng đối tượng công nghiệp thường trước cấu trúc tham số Hơn nữa, số tham số mơ hình đối tượng thay đổi nhiễu tác động tính chất phi tuyến đối tượng Việc xây dựng cấu trúc điều khiển theo luật PID có tham số cố định thực tế khó đáp ứng thay đổi đề cập Do đó, để thực điều khiển hoạt động tốt điều kiện có thay đổi tham số mơ hình đối tượng điều khiển cần tích hợp phương pháp tự chỉnh định, tối ưu tham số Trên sở tham khảo nhiều phương pháp tự chỉnh tham số điều khiển, đề tài lựa chọn phương pháp tự chỉnh đỉnh tham số thông qua bước: ù Nhận dạng online tham số mô hình đối tượng Trọng tâm sử dụng phương pháp bình phương cực tiểu LSM (Least Square Method) Đây phương pháp tiếng sử dụng rộng rãi ù Tính tốn tham số cho điều khiển PID sở mơ hình đối tượng vừa nhận dạng theo phương pháp Ziegler-Nichols ù Bước cuối tính tốn đầu điều khiển theo mơ hình đối tượng vừa nhận dạng Ø Tính tốn hệ số luật điều khiển PID Việc tính tốn hệ số luật điều khiển PID thực phương pháp ZieglerNichols thông qua việc tính tốn hệ số khuếch đại tới hạn chu kỳ tới hạn Ý tưởng tảng cách tính tốn tìm hệ số khuếch đại phản hồi để tiến tới biên giới ổn định vịng đóng Hàm truyền đạt q trình định nghĩa phương trình (3.19), phương trình đặc tính vịng kín có dạng: A( z ) + K p B ( z ) = (3.35) Trong Kp hệ số khuếch đại phản hồi Khi hệ thống kín biên giới ổn định, nghiệm phương trình đặc tính biên giới ổn định nghiệm khác ổn định Trên miền z, vùng ổn định vùng nằm bên đường tròn đơn vị, biên giới ổn định vòng tròn đơn vị Phần cịn lại vùng khơng ổn định Nghiệm tới hạn z = phải bỏ tính tốn biên giới ổn định tiệm cận chu kỳ dao động tới hạn khơng tính 14 Có hai khả vị trí nghiệm tính tốn hệ số khuếch đại chu kỳ tới hạn: ù Hai nghiệm phức liên hợp nằm đường tròn đơn vị nghiệm khác ổn định ù Một nghiệm z = -1 nghiệm khác ổn định Ø Tính tốn đầu điều khiển sở hệ số luật điều khiển PID sử dụng ù Đầu luật điều khiển trường hợp thành phần I xấp xỉ hình chữ nhật thành phần D xấp xỉ bậc tính theo cơng thức : é ù T T uk = K p êek - ek -1 + ek -1 + D (ek - 2ek -1 + ek -2 ) ú + uk -1 Ti T0 ë û hay viết gọn lại: uk = r0 ek + r1ek -1 + r2 ek - + uk -1 (3.36) (3.37) với r0, r1, r2 tính theo cơng thức (3.14) Phần mềm thực thuật toán PID tự chỉnh thực bên ngắt thời gian để đảm bảo sai lệch lần lấy mẫu tín hiệu nhỏ 3.3 Xây dựng chức điều khiển Điều khiển chức quan trọng điều khiển Trong nội dung thực hiện, đề tài tập trung vào hai dạng điều khiển điều khiển theo giá trị chủ đạo cố định điều khiển tỷ lệ Đây cấu trúc điều khiển phổ biến công nghiệp, đặc biệt điều khiển trình v Điều khiển theo giá trị chủ đạo cố định Nếu nhiệm vụ điều khiển bao gồm nhiệm vụ giữ đại lượng cố định theo giá trị đặt trước ký hiệu SP gọi điều khiển theo giá trị chủ đạo (Fix Setpoint Control) Trong thực tế giá trị chủ đạo cố định thay đổi Trong trường hợp cố định ta gọi điều khiển theo giá trị chủ đạo cố định Trường hợp giá trị chủ đạo thay đổi theo thời gian ta gọi điều khiển bám (Follow up Control) Giá trị đại lượng đầu đối tượng cần điều khiển so sánh với giá trị đặt, sai số dùng làm tín hiệu đầu vào điều khiển Trường hợp sai lệch so với giá trị đặt nhiễu Z Ví dụ: điều khiển đưa tín hiệu điều khiển CO (Control Output) dựa theo tính tốn từ sai lệch đầu vào khâu điều khiển PVd = SP – PV, PV (Process Value)sẽ điều khiển để bám theo giá trị đặt SP (Setpoint) Ở đây, để thực nhiệm vụ điều khiển, điều khiển PID sử dụng Các tham số luật điều khiển cài đặt cho đảm bảo nhiệm vụ điều khiển thiết kế Ø Vịng điều khiển đơn có bù nhiễu trước sau điều khiển Việc khử nhiễu Z thực cách bù phía trước phía sau điều khiển v Điều khiển tỷ lệ Điều khiển tỷ lệ dạng đặc biệt điều khiển follow-up có giá trị đặt bên ngồi Điều khiển tỷ lệ có nhiệm vụ làm cho biến điều khiển (PV1) bám theo biến trình khác (PV2) theo tỷ lệ xác định PV1 coi biến phụ thuộc PV2 biến yêu cầu SPr = PV1 / PV2 (3.1) SPr: giá trị đặt tỷ lệ PV1: biến phụ thuộc, biến điều khiển PV2: biến yêu cầu PV1set = PV2*SPr (3.2) SP = X2*SPr (3.3) 15 v Cấu hình cấu trúc điều khiển Cấu trúc chung hai dạng điều khiển: theo giá trị chủ đạo điều khiển tỷ lệ thiết kế bao gồm khâu sau: ù Khâu lọc thông thấp (1 14): cho phép đặt tần số lọc giới hạn cho tín hiệu đầu vào tương tự nhận từ đầu đo Các thông số điều khiển trình thường biến đổi chậm nên tần số giới hạn thường nằm dải 0,1Hz đến 20Hz ù Khâu lấy bậc (2 15): thực lấy bậc đại lượng đầu vào với điều kiện đại lượng có giá trị lớn Trong thực tế có số đối tượng điều khiển trình cần đến khâu này, ví dụ: thực điều khiển khí nén, đại lượng đo độ biến đổi áp suất (phụ thuộc vào nhiệt độ áp suất), ta có lưu lượng dịng khí tỷ lệ với bậc độ thay đổi áp suất đường ống dẫn khí ù Khâu chuyển đổi tỷ lệ (3, 16 19): thực chuyển đổi tỷ lệ dải thông số đầu vào thành dải thông số chuẩn để thống cho q trình tính tốn thực luật điều khiển ù Khâu giá trị đặt (4): đặt giá trị thực từ bàn phím từ máy tính xuống ù Khâu giới hạn giá trị đặt (5), giá trị đặt thực tế nằm giới hạn định ù Khâu nhân (6): thực phép nhân hệ số tỷ lệ đặt đầu vào với giá trị đầu vào thứ trường hợp điều khiển tỷ lệ ù Khâu thực đặt giá trị điều khiển chế độ điều khiển tay (7): Khi điều khiển chuyển sang chế độ tay khâu dùng để điều chỉnh giá trị đưa điều khiển ù Khâu điều khiển (8): tham số luật điều khiển thiết lập, bao gồm hệ số tỷ lệ, số thời gian tích phân, số thời gian vi phân, điểm làm việc, vùng sai số cho phép quanh điểm làm việc Khâu điều khiển xây dựng dựa sở luật điều khiển PID số Tùy vào yêu cầu tốn cụ thể người dùng cấu hình cho khâu thực luật điều khiển P, PI, PD hay PID Khi cấu hình chế độ tự chỉnh khâu khâu PID tự chỉnh định tham số theo mơ hình đối tượng ù Khâu đảo dấu tín hiệu điều khiển (9): tín hiệu điều khiển qua khâu đảo dấu, tức tín hiệu đầu điều khiển tỷ lệ nghịch với sai lệch giá trị đặt giá trị phản hồi ù Khâu giới hạn tín hiệu điều khiển (10): khâu đưa giới hạn tín hiệu điều khiển Trong thực tế hầu hết đối tượng điều khiển đáp ứng với giới hạn định tín hiệu điều khiển ù Khâu 11: tín hiệu điều khiển tín hiệu có dạng 0-5V, 0/4-20mA Đây tín hiệu chuẩn cơng nghiệp, nhiều cấu chấp hành chấp nhận tín hiệu vào điều khiển dạng ù Khâu PWM điểm (12): tín hiệu điều khiển đưa dạng xung, độ rộng xung tích cực tỷ lệ với tín hiệu điều khiển Tín hiệu điều khiển thích hợp cho cấu chấp hành điện (như động cho phép điều khiển vị trí) Tín hiệu đưa điều khiển chuyển đổi thành tỷ lệ xung tích cực đầu khâu tính chu kỳ điều chế ù Tín hiệu bước điểm (13): tín hiệu dạng rơle vị trí có trễ Dùng cho điều khiển động cơ, điều chỉnh tốc độ quay thuận, quay nghịch ù Khâu cảnh báo (17): cảnh báo đầu vào vượt ngưỡng ù Khâu cảnh báo (18): cảnh báo sai số giá trị đặt giá trị phản hồi nằm khoảng cho phép 16 ù Khâu 20: Đặt giá trị tỷ lệ cấu hình cấu trúc điều khiển tỷ lệ Để thực điều khiển theo giá trị chủ đạo, khối chức xây dựng sau: 3.4 Xây dựng chức lưu trữ Bộ điều khiển có nhớ ngồi tương đối lớn dạng thẻ (hiện có 256MB, tăng gần khơng hạn chế: hàng GB) Với nhớ 256MB lưu giá trị AI (mỗi giá trị cần 16 byte lưu thông số: kênh đo, giá trị, thời gian) với tần xuất lưu phút/lần đủ cho năm liên tục Ø Lưu trữ thông số bao gồm ù Các thông số liệu gồm đầu vào tương tự ù Các thông số kiện: kiện lỗi, cảnh báo ù Các tham số điều khiển 3.5 Xây dựng chức cảnh báo/báo động Ø Cảnh báo, báo động ù Cảnh báo, báo động thông số đo vượt ngưỡng ù Cảnh báo, báo động sai lệch điều chỉnh tín hiệu đo tín hiệu chủ đạo nằm ngồi khoảng cho phép 3.6 Xây dựng chức truyền thông Ethernet ù Truyền thông Ethernet xây dựng cho phép điều khiển ghép nối thành mạng kết nối với mạng máy tính Việc thực truy cập vào điều khiển thực thông qua giao thức TCP/IP Giao thức sử dụng từ lâu ngành công nghệ khác Để thực giao thức TCP/IP, gói phần mềm bao gồm nhiều file chương trình xây dựng Ở tận dụng số gói phần mềm cho hệ nhúng, cụ thể sử dụng gói phần mềm viết Adam Dunkel Ø Các công cụ phần mềm hỗ trợ thực truyền thông Ethernet thông qua chip truyền thông ENC28J60 Để thực truyền thông Ethernet, cần có stack thực giao thức TCP/IP Stack lưu vi điều khiển Hãng Microchip cung cấp stack TCP/IP miễn phí bao gồm giao thức cần thiết từ lớp Ethernet vật lý (physical Ethernet layer) tới lớp ứng dụng (application layer) Một so sánh cấu trúc stack TCP/IP Microchip mơ hình TCP/IP chuẩn sau: Ø Cấu hình stack Nhiều nhiệm vụ họat động đồng thời cho phép ứng dụng người sử dụng thực nhiệm vụ riêng mà không cần phải quản lý stack TCP/IP Để làm điều tất ứng dụng dùng stack Microchip TCP/IP phải thực song song 3.7 Hoạt động điều khiển Hoạt động điều khiển chia thành hai trường hợp: chạy (RUN) dừng (STOP) Trường hợp STOP điều khiển cấp nguồn, nhiên tương tác điều khiển với đối tượng khác chưa thiết lập chưa phép hoạt động Trong trường hợp RUN, điều khiển chuyển sang làm việc bình thường, chế độ điều khiển phép thực Khi trường hợp RUN, hoạt động điều khiển chia thành hai chế độ: chế độ tay Manual chế độ tự động Automatic chia thành ba mức: 17 v Mức cấu hình Các cấu trúc điều khiển với đầu vào/ra lựa chọn kết nối với cảm biến cấu chấp hành Các module cảnh báo, báo động, dạng truyền thông cách thức lưu trữ liệu cấu hình Tất liệu định nghĩa tham số nhập vào Trong suốt q trình cấu hình, điều khiển ln ln chế độ Manual Ngay việc cấu hình cho điều khiển kết thúc, điều khiển chuyển đến chế độ hoạt động lựa chọn trước v Định nghĩa tham số Ở mức tham số hóa, tham số điều chỉnh nhập sở cấu trúc điều chỉnh lựa chọn Các tham số đặt giá trị ngưỡng cảnh báo, báo động nhập Tại mức này, cấu trúc điều khiển kiểu liệu vào không bị thay đổi Khi mức định nghĩa tham số, điều khiển giữ nguyên chế độ hoạt động Nếu khơng có phím bấm vòng 30s, chế độ định nghĩa tham số kết thúc Tất tham số nhập vào lưu lại v Hiển thị tham số Giá trị đặt giá trị đầu vào/ra hiển thị mức Giá trị đặt luật điều khiển nhập vào hai chế độ tự động tay Trong chế độ tự động, trình tự điều chỉnh tham số luật điều khiển tương ứng thực sau khởi tạo giá trị đặt Chế độ tự chỉnh định tham số luật điều khiển chia trường hợp: thứ cho phép tự chỉnh online liên tục, thứ hai thực tự chỉnh định giá trị đặt có thay đổi, thứ ba không cho phép tự chỉnh định tham số Tín hiệu đầu điều khiển thay đổi từ bên ngồi chế độ điều khiển tay Khi điều khiển cấp nguồn, trạng thái điều khiển mức hoạt động bình thường Từ mức người sử dụng chuyển sang chế độ cấu hình hay chế độ định nghĩa tham số Chế độ hoạt động tay hay tự động điều khiển chế độ hoạt động sau thời điểm tắt điều khiển lần trước v Mô hình kết nối khối thực cấu trúc điều khiển Do khối chức xây dựng thành hàm riêng biệt nên để cấu hình cấu trúc điều khiển cần xây dựng kết nối khối hàm Bốn luật điều khiển PID xây dựng cho phép thực cấu trúc điều khiển theo giá trị chủ đạo điều khiển tỷ lệ Những cấu trúc cho phép cấu hình tùy ý đầu vào/ra để tiện cho trình thiết lập hay nhiều cấu trúc điều khiển Kết nối khối thực thông qua hay nhiều chuyển mạch (Si) Các hình vẽ sau khả kết nối để có cấu hình điều khiển tương ứng với phần cứng xây dựng Khả cấu hình cấu trúc điều khiển thực thông qua chuyển mạch S1 đến S32 Mặc định chuyển mạch Si có giá trị 18 Xây dựng hệ SCADA sở điều khiển đa 4.1 Mạng truyền thông hệ SCADA (5) (5) INTERNET (1) LAN (3) (3) (3) (2) (4) (2) (6) (2) (1) : PC-Server (Master) + phần mềm SCADA (2): Bộ điều khiển đa (Slave) UDC.02 (3): Thiết bị Switch (4): PC-Client mạng LAN (5): PC-Client mạng WAN (INTERNET) (6): Sensor (7): Cơ cấu chấp hành (7) (7) Hình Mạng truyền thơng sở điều khiển đa Mạng truyền thông sở điều khiển đa ứng dụng hệ SCADA thể Hình Các điều khiển kêt nối với máy tính PC-Server (có cài đặt phần mềm SCADA) qua mạng LAN Ngồi cịn có máy trạm PC-Client cấp giám sát quản lý kết nối với hệ thống thơng qua mạng LAN mạng INTERNET cần web-browser giám sát tồn hệ thống từ xa Giá trị sensor hiển thị chỗ đưa PC Các cấu chấp hành điều khiển chỗ từ xa qua mạng Đặc điểm kỹ thuật mạng là: ù Chuẩn truyền thông: TCP/IP/Ethernet IEEE 802.3; ù Tốc độ truyền: 10/100/1000MBps; ù Số lượng trạm: không giới hạn; ù Network size: không giới hạn ; ù Môi trường truyền dẫn: cáp điện, cáp quang, wireless; ù Topology: Line, tree, ring, star Các ưu điểm mạng là: tốc độ cao, lên tới Gbps; lắp đặt nhanh nhờ phương pháp kết nối đơn giản; tính sẵn sàng cao nhờ khả mở rộng lớn, không hạn chế; cho phép kết nối nhiều lớp ứng dụng khác quản lý, sản xuất; có khả kết nối diện rộng mạng 19 WAN; tương thích nhiều thiết bị giới nay; gần không giới hạn hiệu suất mạng nhờ sử dụng công nghệ switching 4.2 Giao thức truyền thơng Có hai giải pháp giao thức truyền thơng: ù Giải pháp1: Hồn tồn dựa giao thức theo chuẩn quốc tế mở Trong trường hợp cần dùng sẵn xây dựng giao thức ù Giải pháp2: Một phần dựa giao thức theo chuẩn quốc tế mở Trong trường hợp phải tự xây dựng giao thức tầng ứng dụng Xét giải pháp: Ø Sử dụng hoàn toàn giao thức theo chuẩn quốc tế mở Đây giải pháp tốt Trong trường hợp sử dụng giải pháp để xây dựng hệ SCADA người ta thường dựa sở giao thức truyền thông chuẩn MODBUS, PROFIBUS, kết hợp với OPC Server để có tích hợp với hầu hết phần mềm SCADA (như WinCC, Intouch, ) chương trình HMI tự phát triển (bằng VC, VB, NET, ) Trong trường hợp đề tài, tầng giao thức tầng dùng TCP/IP tầng giao thức dùng MODBUS hợp lý thị trường sẵn có nhiều module OPC Server hỗ trợ MODBUS/TCP/IP đồng thời giá thành không cao Cấu trúc có tính mở cao, khơng phải xây dựng giao thức truyền thơng, nhiên địi hỏi phải mua OPC-Server module MODBUS/TCP/IP cho điều khiển (vì tự xây dựng nhiều công sức phức tạp, cần có thêm thời gian kinh phí) Ø Một phần dựa giao thức theo chuẩn quốc tế mở Giao thức mở sử dụng TCP/IP tầng Giao thức tầng ứng dụng tự xây dựng Trên điều khiển có module Slave_Comm PC có module Master_Comm , hai module thực trao đổi liệu theo giao thức tự xây dựng Phần mềm HMI phát triển dựa ngôn ngữ lập trình thơng dụng Microsoft sở liệu quan hệ chuẩn (SQL,Oracle, ) Ưu điểm giải pháp cho phép giảm giá thành hệ thống SCADA Nhược điểm tính mở khơng cao, nhiên có số thành phần mang tính mở giao thức tầng dưới, sở liệu, công cụ lập trình thơng dụng Ø Lựa chọn giải pháp truyền thông Trong khuôn khổ đề tài (giới hạn thời gian, kinh phí) nhóm thực lựa chọn giải pháp tự xây dựng giao thức truyền thông tầng ứng dụng Mơ hình truyền thơng master – slave (master PC, slave điều khiển) Master nắm quyền kiểm sốt mạng, đưa u cầu, cịn slave nhận yêu cầu trả lời Ưu điểm mô hình là: thực giao thức đơn giản, hiệu sử dụng đường truyền cao (master yêu cầu thơng tin cần, khơng có thơng tin thừa, master chỉnh lại lưu lượng truyền cho hợp lý) Nhược điểm: trường hợp slave điều khiển mơ hình phù hợp liên động điều khiển slave tương đối (mỗi slave điều khiển cục bộ, tương đối độc lập cơng đoạn dây chuyền sản xuất) Mơ hình phù hợp cho ứng dụng slave trạm thu thập liệu, IO phân tán Ø Xây dựng module truyền thông Master_Comm PC Khi điều khiển liên động hầu hết chức điều khiển thực điều khiển nên PC chủ yếu thực việc giám sát, cịn việc nạp cấu hình thực (thường thực lần trước lắp đặt) Nếu coi lần gửi nhận trả lời xác nhận (acknowlege) phiên giao dịch lượng liệu trao đổi phiên tương đối (lớn theo giao thức tự xây dựng < 200 bytes) mà tốc độ đường truyền 10Mbps nên thời gian thực phiên không đáng kể Tuy master slave liên tục trao đổi liệu xảy “ngẽn” đường truyền Mặt khác có nhận xét tất số liệu từ 20 điều khiển phải truyền PC nhanh Trong thực tế, yêu cầu giám sát PC cần chu kỳ cập nhật (refresh) số liệu hiển thị cỡ xấp xỉ 1s đủ (nhanh vô nghĩa mắt khơng theo dõi kịp) nhiều đại lượng vật lý thực tế không biến đổi q nhanh ví dụ thơng số mơi trường Ngồi ra, có đường truyền vật lý mà lại có nhiều phiên giao dịch muốn thực nên phải “xếp hàng” Nếu giao thức thực theo kiểu “quét” slave, thực hết phiên tới phiên khác làm tăng thời gian chờ đợi trung bình phiên Để giải vấn đề tham khảo chế hoạt động đa luồng hệ điều hành: thực tiến trình theo lát cắt thời gian (time slice) Một vấn đề khác cần lưu ý cho dù thực đa luồng luồng phải chờ xác nhận trả lời để kết thúc phiên giao dịch Nếu việc chờ liệu trả thực cách liên tục kiểm tra liệu trả module truyền thông master làm tốn tài nguyên CPU PC master Tóm lại để tăng hiệu sử dụng đường truyền từ nâng cao chất lượng giám sát, điều khiển phần mềm SCADA, người xây dựng module truyền thông PC cần giải 03 vấn đề là: ù Chống “ngẽn” đường truyền ù Giảm thời gian chờ đợi trung bình phiên giao dịch ù Giảm tiêu tốn tài nguyên CPU PC Nhóm thực đề tài áp dụng 03 giải pháp tương ứng cho vấn đề: ù Nghỉ phiên giao dịch: phiên có khoảng thời gian nghỉ định, thời gian chỉnh lại (bằng thủ công tự động) sau thử nghiệm thực tế dung lượng truyền, thời gian thực phiên giao dịch, số lượng nodes mạng tốc độ mạng (thời gian ước tính cỡ 100ms để liên tục hiển thị tất IO điều khiển số trạng thái thiết bị, báo động cần 03 phiên giao dịch ), trừ yêu cầu đòi hỏi đáp ứng cho thực ln (theo chế synchronous) ù Sử dụng chế xử lý đa luồng (multi-threding) đa tiến trình (multi-process): luồng kênh truyền thông ảo ứng với điều khiển Dùng phương pháp lập trình đa luồng dựa mơi trường phát triển NET công cụ WinSock Chỉ cần tạo cổng (port) dùng chung cho nhiều luồng ù Sử dụng phương thức truyền không đồng (asynchronous) WinSock (hệ điều hành tự phát sinh event có liệu PC, có event xử lý liệu, chưa có event thực “việc khác”) Tất nhiên việc truyền thông không đồng gây xung đột đường truyền giao thức Ethernet xử lý , chế nghỉ luồng làm giảm xung đột làm giảm lưu lượng tổng đường truyền Khi dùng phương thức không đồng gói liệu trả khơng theo thứ tự thời gian theo yêu cầu tương ứng (ví dụ: yêu cầu slave trước yêu cầu slave liệu trả lời salve trước salve 1) nên phải có cách phân biệt gói liệu Các gói tin gửi từ slave master socket tự gắn địa IP, cần tách lấy địa IP xác định liệu từ slave gửi đến Ø Xây dựng giao thức truyền thông Giao thức xây dựng giao thức hướng ký tự (vì đơn giản) TCP/IP Lỗi truyền thơng xử lý lỗi tầng đảm nhiệm nên tầng ứng dụng xử lý lỗi đơn giản không thấy trả lời (sai định dạng frame, sai quy ước liệu trả theo phiên -hàm truyền thơng FID) master u cầu truyền lại, q time-out báo truyền thơng lỗi slave Cấu trúc data-frame Trong : “” : ký tự kết thúc frame “FID” : ký tự bắt buộc (Function ID) 21 “xx”: số hiệu FID (1,2,3 ) “PAR1”, “PAR2”, “PARn” tham số cho phiên giao dịch “|”: ký tự phân cách giá trị toàn vẹn Ø Hoạt động module truyền thơng Master_Comm Thể ví dụ module truyền thông Master_Comm thực truyền thông theo 03 luồng Các FID1, FID2, FID3 thường xuyên thực để phục vụ việc giám sát liên tục thông số hệ thống tự động hoá máy PC, FID có khoảng trống (nghỉ), thời gian nghỉ không cố định mà tuỳ thuộc vào số FID thường xuyên thực chu kỳ cập nhật liệu , số nodes mạng tốc độ mạng Thời gian cấu hình lại tự động tính chương trình cho thời gian cập nhật thông số phục vụ giám sát, điều khiển hợp lý (không nên 1s) Khi thực tính tốn thời gian nghỉ phiên cần tính tổng thời gian để thực hết chu kỳ cập nhật liên tục số liệu cần giám sát (ví dụ cần thực 03 FID chu kỳ), lấy giới hạn 1s chẳng hạn, sau tuỳ thuộc vào thời gian thực FID phân bổ thời gian nghỉ cho hợp lý (cách chia theo % tổng thời gian cập nhật yêu cầu, ví dụ chu cập nhật 1s=100%, FID1 chiếm 10%, FID2 chiếm 20% , FID3 chiếm 10%, nghỉ 03 lần sau phiên FID, lần = (100%-10%-20%-10%)/3=20%) Khi có yêu cầu thực tức thời nạp cấu hình, điều khiển tắt/bật đối tượng chấp hành bơm, quạt, valve, thực FIDxx mà không chờ nghỉ sau phiên giao dịch trước Ngồi nhìn biểu đồ thời gian thấy mơ hình master-slave hiệu chỗ: LUỒNG master cần thực FID1 thường xuyên mà chưa cần đến FID khác thời gian nghỉ nhiều cho tổng thời gian nghỉ thực FID1 không 1s được, bảo đảm chất lượng giám sát (thời gian cập nhật liệu hiển thị không 1s) đồng thời giảm “ngẽn” đường truyền Có nhận xét: FID thời gian thực phiên giao dịch khác thời gian phiên = thời gian truyền mạng + thời gian xử lý liệu PC + thời gian xử lý liệu điều khiển mà thành phần thời gian khác phiên 4.3 Xây dựng phần mềm SCADA Ø Lựa chọn công nghệ xây dựng phần mềm Hiện phần mềm web-base phổ biến xu hướng phát triển tương lai, không ứng dụng thông thường mà ứng dụng tự động hoá Ưu điểm ứng dụng web-base so với ứng dụng one-tier multi-tier (xây dựng không web) nhiều, nhiên nêu vài ưu điểm chính: ù Chỉ cần cài đặt máy chủ, máy trạm cần dùng web-browser tương thích phổ biến (trong ứng dụng one-tier multi-tier phải viết thêm giao diện phía client) ù Bảo trì, nâng cấp cho tồn hệ thống dễ dàng cần thực server ù Lập trình tương đối đơn giản so với ứng dụng multi-tier khơng web-base Ngồi ứng dụng multi-tier web-based có ưu điểm chung (hơn so với one-tier) xử lý phân tán (một phần xử lý máy trạm, phần máy chủ cấu hình mạnh ) nên tài nguyên chung hệ thống tăng lên nhiều Hơn kết hợp với mạng truyền thơng tốc độ cao hiệu sử dụng tài nguyên chung hệ thống tốc độ xử lý liệu tăng đáng kể Nhược điểm: tốc độ cập nhật liệu không cao tốc độ đường truyền thấp, trang webpage hiển thị tương đối chậm so với ứng dụng thơng thường (vì qua nhiều tầng xử lý trung gian) Tuy nhiên với tốc độ truyền 100Mbps phổ biến mạng LAN tốc độ CPU PC (sử dụng máy chủ chuyên dụng có tốc độ cao nhiều) ngày tăng nhanh với kỹ thuật áp dụng web nhược điểm ngày giảm Nếu chạy webbrowser máy chủ tốc độ nhanh khơng thời gian truyền liệu qua mạng 22 Căn phân tích trên, nhóm thực định phát triển phần mềm SCADA web với ngôn ngữ lập trình sử dụng JavaScript sở liệu MySQL Ø Cấu trúc phần mềm SCADA Đề tài đặt mục tiêu nghiên cứu thiết kế chế tạo điều khiển đa có khả ứng dụng cơng nghiệp, tức áp dụng cho nhiều toán tự động hoá khác nên phần mềm SCADA cần phát triển theo hướng phần mềm nền, có tính tổng qt tương đối độc lập với ứng dụng cụ thể Để có cấu trúc đảm bảo tính độc lập cao chúng tơi tham khảo phần mềm SCADA WinCC, Intouch để thiết kế Phần mềm WinCC bao gồm nhiều process Tag Logging, Alarm Logging, Global Script, Report System, Các process trao đổi liệu với thông qua sở liệu (Sybase SQL Anywhere-WinCC V5, Microsoft SQL ServerWinCC V6), hiệu hiển thị cao (có thể vừa làm báo cáo, vừa xem giá trị online) Tuy nhiên WinCC cịn có hạn chế, ví dụ : actions nằm process Global Script, thực actions không đa luồng nên action bị treo action sau khơng thực Trên thể cấu trúc phần mềm tự xây dựng Cơ sở liệu phần mềm HMI xây dựng sở đáp ứng chức chung hệ thống tự động hố (tham khảo WinCC) áp dụng cho hầu hết ứng dụng Phần khác biệt ứng dụng khác module Master_Comm module phụ thuộc hồn tồn vào giao thức truyền thơng Như với mơ hình mạng truyền thơng khác theo giao thức khác cần xây dựng lại module mà Ưu điểm cấu trúc là: có khả dùng lại cao, mở rộng dễ dàng, phụ thuộc vào phần truyền thơng Nhược điểm: phương pháp truy cập thông qua sở liệu chậm truy cập biến trực tiếp process vùng nhớ khác Tuy nhiên thông thường chậm đáng kể truy vấn bảng có số ghi lớn (đặc biệt lập báo cáo tống kê) Chúng tơi có giải pháp giảm thiếu hạn chế biện pháp như: phân chia bảng hợp lý (bảng lớn bảng lưu trữ lâu dài – archive, bảng phục vụ hiển thị online lại bé nên tốc độ truy cập nhanh); phân mảnh bảng; backup xoá bớt liệu bạk-up; mở kênh liên tục với sở liệu; lập trình đa luồng (luồng tạo báo cáo, truy vấn bảng liệu lớn để luồng riêng, phần giám sát online để luồng riêng) làm cho luồng ảnh hưởng đến nhau; phân mức ưu tiên cho tiến trình: ví dụ đặt tiến trình lập báo cáo mức ưu tiên thấp tiến trình hiển thị thơng số online (vì theo dõi online cần thiết hệ thống tự động hoá); dùng phương thức cập nhật liệu arsynchronous hệ quản trị sở liệu để tiết kiệm tài nguyên; tận dụng mạnh đặc biệt sở liệu cho phép xây dựng store-procedure hệ quản trị sở liệu tự thực Ø Xây dựng chức phần mềm Việc phân chia hình cấu trúc giao diện chương trình SCADA thực sở tham khảo hệ PCS7 hàng Siemens Các hình giao diện chia làm vùng (Error! Reference source not found.) ù Vùng 1: bao gồm thông tin chung hệ thống như: logo, tiêu đề hệ thống, thời gian số trạng thái chung hệ thống mode, alarm, intlock, ù Vùng 2: vùng chính, thay đổi nội dung bấm phím chức Khi bắt đầu vào chương trình hình ngầm định hình cơng nghệ hệ thống tự động hố ù Vùng 3: bao gồm nút menu ù Vùng 4: thể dịng thơng báo cảnh báo/báo động gần nút xác nhận báo động (acknowlege alarm) Để áp dụng vào ứng dụng cụ thể chọn hệ thống tự động hố xử lý nước cơng nghệ cho nhà máy bia Công ty CP Bia Hà Nội - Hải Dương có khâu điều khiển dùng điều khiển đa năng, hệ thống tự động hố có quy mơ tính chất phù hợp để áp dụng 23 điều khiển đa (quy mô tương đối nhỏ có cơng đoạn điều khiển tương đối độc lập) đồng thời nơi tiến hành thử nghiệm sản phẩm đề tài Chức giám sát Chức giám sát bao gồm hiển thị cảnh báo tự động thơng số cơng nghệ, tình trạng thiết bị Những thơng số công nghệ pH, độ dẫn khống chế mức, khống chế áp suất cao ; thiết bị chấp hành máy bơm loại, máy khuấy, quạt, valve khí nén Phần mềm SCADA PC cung cấp đầy đủ chức hiển thị cảnh báo (alarm) Tất sơ đồ công nghệ thể PC, sơ đồ người vận hành bao quát toàn dây chuyền công nghệ như: đường nước chảy qua valve tank, vị trí thiết bị, tình trạng thiết bị, thơng số cơng nghệ, diễn biến q trình cơng nghệ Những thông số pH, độ dẫn hiển thị dạng nhằm mục đích tạo điều kiện thuận lợi cho người vận hành việc giám sát : ù Dạng ô số (text-box): đặt trực tiếp sơ đồ công nghệ, thể giá trị tức thời ù Dạng đồ thị trực tuyến (online-trend): thể biến thiên thông số theo thời gian ù Trạng thái thiết bị thể dạng: ù Dạng ô chữ đặt bảng: ON, OFF tương ứng trạng thái "làm việc", "dừng máy" ù Dạng màu sắc đối tượng sơ đồ công nghệ: xanh, xám tương ứng trạng thái "làm việc", "dừng máy" Đường nước chảy thể màu sắc: ù Màu xanh có nước chảy qua, màu xám không Cảnh báo PC thể cách: ù Bằng màu sắc (màu đỏ) nơi xảy cảnh báo: thông số vượt ngưỡng cố thiết bị ù Bằng bảng thống kê: bảng có nhiều thơng tin chi tiết phương pháp thể nói trên, rõ địa điểm xảy cảnh báo, hướng dẫn xử lý cố, dự đoán nguyên nhân cố Chức lưu trữ Chức thực thu thập, ghi lại, thống kê, bảo quản thơng tin diễn q trình cơng nghệ, cần thiết cho chuyên gia công nghệ, kỹ thuật nhà quản lý việc điều chỉnh hoạt động hệ thống để đạt chế độ làm việc tối ưu; phát hiện, dự báo cố; bảo trì, thay kịp thời máy móc thiết bị; điều hành sản xuất tính tốn hiệu kinh tế Các thông số công nghệ lưu trữ theo chu kỳ thời gian đặt trước Các lưu kích hoạt theo yêu cầu sử dụng Các alarm lưu lần thời điểm xuất Những thông tin cần lưu trữ là: ù Giá trị thông số pH ,độ dẫn ù Tất cố xảy ù Cấu hình hệ thống tự động hố Chức kết xuất báo cáo Lập báo cáo thống kê thực máy tính PC làm báo cáo thống kê theo nhiều tiêu chí khác nhau: ù Thống kê theo tên thông số ù Thống kê theo thời gian ù Thống kê theo cố Dạng thể báo cáo gồm có: ù Bảng biểu ù Đồ thị 24 Chức cấu hình cấu trúc cho điều khiển Các hàm dựng sẵn điều khiển kết nối với switch hai nhiều vị trí để tạo chương trình điều khiển phù hợp với u cầu cơng nghệ cụ thể Cấu trúc lưu trữ PC nạp xuống điều khiển từ xa qua mạng Ethernet trực tiếp bàn phím điều khiển Vì kích thước hình bị hạn chế nên sơ đồ cấu trúc phân làm 03 mảnh Tối đa điều khiển cho phép thực 04 hàm PID lúc Chức đặt tham số cho điều khiển Chức đặt tham số cho điều khiển thực cài tham số liên quan tới vòng điều khiển close-loop, tham số P,I,D, setpoint, chu kỳ lấy mẫu, tần số lọc, Các tham số lưu trữ PC nạp xuống điều khiển từ xa qua mạng Ethernet trực tiếp bàn phím điều khiển Chức hiển thị online IO Chức hiển thị tất giá trị thời IO điều khiển hệ thống Chương - THỬ NGHIỆM Thử nghiệm phịng thí nghiệm Ø Các kết tiến hành thử nghiệm Simulink Matlab Thử nghiệm với đối tượng mơ hình bậc ù Cấu trúc nhận dạng tự điều chỉnh online chọn cấu trúc PID1 có phương trình hàm truyền đạt (3.36) ù Đối tượng điều khiển khâu bậc 1, nhiễu mơ hình đưa vào với tín hiệu đầu vào dạng ồn trắng, công suất 10 ù Tín hiệu điều khiển giới hạn khoảng 0-1, cho phù hợp với toán thực tế ù Tín hiệu chủ đạo hàm bước nhảy, biên độ điểm nhảy t=0.5s Nhiễu hình sin đưa vào có tần số 50Hz biên độ Kết thể đáp ứng độ sau: Hình Đáp ứng độ điều khiển setpoint dạng bước nhảy Từ đồ thị đáp ứng độ ta thấy độ điều chỉnh đáp ứng 2%, thời gian độ xấp xỉ 1s Trước tác động nhiễu tín hiệu đầu bám theo giá trị chủ đạo Với mơ hình bậc tăng công suất nhiễu ồn trắng lên 100, ta có đồ thị đáp ứng độ sau: 25 Đầu vào Đáp ứng Nhiễu Hình Đặc tính độ tăng công suất nhiễu ồn trắng Từ đồ thị ta thấy đáp ứng đầu có dao động, nhiên bám theo giá trị chủ đạo Tiếp tục tiến hành thử nghiệm với tín hiệu nhiễu khác nhau, nhiễu hình sin, nhiễu xung vng, kết cho thấy đáp ứng đầu bám tốt theo giá trị chủ đạo không xảy ổn định Thử nghiệm với đối tượng mơ hình bậc hai Hình Mơ hình thử với đối tượng bậc Hình Đáp ứng độ điều khiển setpoint dạng bước nhảy Từ đồ thị ta thấy tín hiệu đầu bám sát tín hiệu chủ đạo, độ điều chỉnh nhỏ 3%, thời gian độ ngắn Từ đồ thị cho thấy tham số mơ hình ổn định Thử nghiệm thực tế Bộ điều khiển đa VIELINA-UDC.02 thử nghiệm thực tế Công ty CP Bia Hà Nội - Hải Dương Bộ điều khiển thiết kế để đặt ngồi trời Vỏ tủ bảo vệ sơn loại sơn đặc biệt dùng cho thiết bị đặt ngồi trời (chịu nước, chống ăn mịn, ) Mặt tủ có kính để nhìn thơng số bên mà khơng cần mở tủ có thiết kế chịu nước Sau hình ảnh lắp đặt thử nghiệm trường: Ø Bài toán thử nghiệm Hệ thống hoạt động sau: Nước máy thành phố đưa qua tháp làm mát xuống bình trung gian Sau bơm P1 bơm vào bình lọc cát B1 B2, nước bơm P2 bơm vào khâu lọc cation anion Sau lọc cation anion, nước đưa qua phần khử khí đưa qua bình chứa trung gian Bơm P8 hút nước từ bình chứa trung gian để chuyển tới bình lọc cacbon Trong hệ thống có hai khâu điều khiển liên tục chỉnh canxi pH Tuy nhiên 26 điều kiện thử nghiệm không cho phép nên tiến hành đo điều khiển pH VIELINAUDC.02 Đo điều chỉnh pH thực sau nước qua bình lọc cacbon Tiếp theo nước chuyển qua bể chứa đầu vào cấp cho trình sản xuất bia nhà máy B3, bể chứa có dung tích 50m3 Lưu lượng nước trung bình chuyển qua hệ thống 20 m3/h Hệ thống điều khiển gồm PLC kết hợp với điều khiển đa Phần điều khiển logic, alarm, liên động thực PLC; điều khiển pH thực điều khiển đa Ø Thử nghiệm đo lường pH VIELINA-UDC.02 đo so sánh với điều khiển/transmitter HACH Tần xuất đo phút/lần Kết sau: Nhận xét: sai số VIELINA-UDC.02 so với P33 HACH tương đối nhỏ, hoàn toàn đáp ứng yêu cầu công nghệ (sai số cho phép 0.2) Ø Thử nghiệm điều khiển pH Chỉnh định tham số điều khiển PID dựa đồ thị đáp ứng độ đầu máy tính theo phương pháp Ziegler-Nichols Việc thực chỉnh định tham số cho điều khiển trở nên dễ dàng độ xác cao thực phương pháp tự chỉnh định tham số Bộ tham số tìm P=-0.47, I=0.91 Nhận xét: độ pH sau điều khiển bám sát setpoint=7.5 KẾT LUẬN Đề tài hoàn thành mục tiêu nội dung đặt Sản phẩm đề tài thử nghiệm thực tế cho kết khả quan Sau thử nghiệm dài ngày đầu tư hoàn thiện chắn sản phẩm có chỗ đứng thị trường Thị trường điều khiển đa lớn, trước hết lĩnh vực xử lý môi trường mà VIELINA thực số dự án liên quan, ngồi hầu hết lĩnh vực cơng nghiệp, dân dụng ứng dụng Cho đến VIELINA cung cấp cho thị trường 04 hệ thống điều khiển tự động xử lý nước công nghệ nước thải cho nhà máy bia Các hệ thống thiết kế chế tạo dựa kết nghiên cứu đề tài cấp năm 2003/2004, sử dụng kết hợp điều khiển PLC SIMATIC S7-200/300 SIEMENS điều khiển/transmitter HACH Qua kinh nghiệm thực cơng trình, khảo sát thị trường sau thực đề tài nhóm thực nhận thấy thay điều khiển/transmitter nhập ngoại sản phẩm nước để giảm giá thành hệ thống, góp phần tạo sản phẩm tự động hố có khả cạnh tranh giai đoạn hội nhập khu vực quốc tế 27 ... tạo điều khiển đa dựa vi điều khiển 16 bit cho ứng dụng công nghiệp? ?? thực theo: Hợp đồng nghiên cứu khoa học phát triển công nghệ số 04-16RD/BCN-KHCN Bộ Công nghiệp (Bên A) Vi? ??n Nghiên cứu Điện...BỘ CÔNG THƯƠNG VI? ??N NC ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA —–˜&™—– BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NCKH VÀ PTCN CẤP BỘ NĂM 2007 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐA NĂNG DỰA TRÊN VI ĐIỀU... PID, điều khiển mờ, điều khiển thích nghi, điều khiển lai, điều khiển bù nhiễu trước, điều khiển nhiều vịng kín, điều khiển logic, điều khiển theo giới hạn (limit control), điều khiển theo dõi, điều