Luận văn Ứng dụng bộ điều khiển mờ lai và scada trong hệ thống thử bơm

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG –—&–— LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Đề tài ỨÙNG DỤÏNG BỘÄ ĐIỀÀU KHIỂÅN MỜØ LAI VÀØ SCADA TRONG HỆÄ THỐÁNG THỬÛ BƠM GVHD : Th. PHAN NGUYỄN PHỤC QUỐC SVTH : 1. NGUYỄN TUẤN ANH - 49700039 2. NGÔ HOÀNG QUÂN - 49701157 NIÊN KHÓA 1997 - 2002 Tháng 1/2002 Lời Cám Ơnø ù Có lẽ để bày tỏ lòng biết ơn của chúng em đến tất cả mọi người thì những lời cám ơn dưới đây chẳng thể nào tả hết, bởi vì sự giúp đỡ của mọi người quả là quá lớn lao. Trước hết, chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Phan Nguyễn Phục Quốc, là giáo viên hướng dẫn, người đã giới thiệu chúng em với công ty Vinh Nam, người thầy luôn nhiệt tình với học trò, cùng tất cả các thầy cô giáo trong bộ môn Điều Khiển Tự Động đã tạo cho chúng em một nền tảng kiến thức cần thiết cho sự nghiệp của chúng em sau này. Tiếp đến, chúng em xin chân thành cảm ơn toàn thể ban lãnh đạo và tất cả các anh chị trong công ty Vinh Nam đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để chúng em hoàn thành nhiệm vụ, đặc biệt chúng em xin gửi lời cảm ơn đến anh Thái Công Hùng – Giám đốc công ty – đã cho phép và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho chúng em đến thực tập tại công ty, anh Nguyễn An – Trưởng phòng kỹ thuật, anh Bùi Văn Quang, anh Nguyễn Vĩnh Thuận, anh Nguyễn Hoàng Thanh Hải, là những người đã trực tiếp hướng dẫn chúng em trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Cuối cùng, chúng em xin chân thành cảm ơn tất cả. HCMC, 14.1.2002 Nguyễn Tuấn Anh Ngô Hoàng Quân Nhận xét của giáo viên hướng dẫn ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ Nhận xét của giáo viên phản biện ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ Nhận xét của công ty Vinh Nam ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ ........................................................................................................................................ Mục lục i MỤC LỤC Lời Cám Ơn Nhận Xét Giới Thiệu Đề Tài Phần 1 Lý thuyết điều khiển mờ ............................................................................1 Chương 1 Các khái niệm cơ bản .............................................................................2 1. Khái niệm về tập mờ .........................................................................................2 2. Các phép toán trên tập mờ................................................................................4 3. Biến ngôn ngữ và các giá trị của nó................................................................8 4. Luật hợp thành mờ............................................................................................10 5. Giải mờ ...............................................................................................................15 Chương 2 Điều khiển mờ .............................................................................................21 1. Bộ điều khiển mờ cơ bản ................................................................................21 2. Những nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ...........................................22 3. Hệ điều khiển mờ lai .......................................................................................28 4. Chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID ..................................................32 Phần 2 PLC S7-400 và Tập lệnh ..........................................................................37 Chương 1 Ngôn ngữ lập trình STL .......................................................................38 1. Cấu trúc lệnh và trạng thái kết quả...............................................................39 2. Các lệnh cơ bản.................................................................................................45 3. Các lệnh toán học.............................................................................................55 4. Lệnh logic tiếp điểm trên thanh ghi trạng thái............................................57 5. Lệnh đổi kiểu dữ liệu.......................................................................................62 6. Các lệnh điều khiển chương trình ..................................................................66 7. Bộ thời gian (Timer).........................................................................................71 8. Bộ đếm (Counter).............................................................................................75 9. Kỹ thuật lập trình..............................................................................................78 9.1. Lập trình tuyến tính và lập trình có cấu trúc ...........................................78 9.2. Tổ chức bộ nhớ CPU ....................................................................................79 9.3. Trao đổi dữ liệu giữa CPU và các modules mở rộng.............................80 9.4. Gọi khối FC ...................................................................................................81 9.5. Instance block và thủ tục gọi khối FB ......................................................81 Chương 2 Điều khiển mờ với S7-400 ...................................................................82 1. Chương trình FCPA...........................................................................................82 2. Sử dụng DB mờ vơi FB30 (Fuzzy Control) .................................................82 3. Module mềm PID .............................................................................................83 Mục lục ii Chương 3 Thuật toán điều khiển PID ....................................................................93 1. Điều khiển PID liên tục...................................................................................93 2. Dạng rời rạc của bộ điều khiển PID..............................................................95 2.1. Sự hiệu chỉnh thực tế của bộ điều khiển..................................................96 2.2. Kỹ thuật antiwindup bộ tích phân..............................................................96 2.3. Chức năng cụ thể của các thành phần trong PID..................................101 Phần 3 HMI/SCADA (Development with iFIX/Intellution) ...........................107 1. Tổng quan.........................................................................................................108 1.1. Giới thiệu về iFIX ......................................................................................108 1.2. Thu thập dữ liệu..........................................................................................108 1.3. Quản lý dữ liệu...........................................................................................108 2. Cấu trúc ............................................................................................................109 2.1. Giới thiệu về đồ họa (Graphics) ..............................................................109 2.2. Thẻ (Tags)....................................................................................................111 2.3. Scheduler .....................................................................................................112 2.4. Trình quản lý cơ sở dữ liệu (Database Manager) .................................114 2.5. Báo động (Alarming) .................................................................................115 Phần 4 Thiết kế kỹ thuật sơ đồ công nghệ hệ thống thủ bơm .......................117 Chương 1 Tổng quan .............................................................................................118 1. Mục đích của hệ thống thử bơm...................................................................118 2. Thuyết minh kỹ thuật .....................................................................................118 2.1. Phương trình năng lượng............................................................................118 2.2. Tổn thất dọc đường trong ống ..................................................................120 2.3. Tổn thất cục bộ trong đường ống.............................................................122 3. Phương pháp nghiên cứu và ứng dụng lý thuyết giải quyết bài toán....126 3.1. Phương pháp nghiên cứu...........................................................................126 3.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ để chỉnh định tham số bộ điều khiển PID.. .................................................................................................................127 3.3. Thiết kế mô hình và Lập trình điều khiển.............................................128 4. Hướng dẫn vận hành hệ thống .....................................................................132 5. Bảng chú giải tên của các thiết bị sử dụng................................................133 6. Bảng Chú Giải Các Đại Lượng Vật Lý và Các Thuật Ngữ Sử Dụng ...134 Chương 2 Các thiết bị dùng trong luận văn ......................................................135 1. PLC S7-400......................................................................................................135 2. Combined Liquid Flow Transducer/Transmitter (Cảm biến lưu lượng) 140 3. Proportional Solenoid Valves & Modules (Van điều khiển tỉ lệ)..........141 DIP Switch.....................................................................................................................143 4. General Purpose Pressure Transducers/ Transmitters (GEMS Transinstruments) (Cảm biến áp suất lưu lượng)...................................................143 Mục lục iii 5. Pump (Bơm) .....................................................................................................143 6. Tủ điện..............................................................................................................144 7. Đặt cấu hình – Kết nối các thiết bị..............................................................144 7.1. Sơ đồ chung .................................................................................................144 7.2. Kết nối các thiết bị trong mạng Industrial Ethernet.............................145 7.3. Đặt cấu hình cho S7-400 ...........................................................................149 7.4. Kết nối các thiết bị của mô hình hệ thống thử bơm vào PLC ............150 Chương 3 Chương trình chính ..............................................................................153 1. Diễn giải hệ thống..........................................................................................153 1.1. iFIX ...............................................................................................................153 1.2. Step 7 Manager ...........................................................................................153 1.3. Lưu đồ giải thuật.........................................................................................153 2. Giao diện..........................................................................................................155 2.1. Màn hình chính............................................................................................155 2.2. Màn hình đặt giá trị....................................................................................156 2.3. Màn hình xem báo động............................................................................158 2.4. Màn hình hiển thị kết quả .........................................................................159 2.5. Màn hình About Program ..........................................................................160 3. Chương trình điều khiển................................................................................161 3.1. Cấu trúc chương trình.................................................................................161 3.2. Project LVTN ..............................................................................................161 Chương 4 Kết quả thi công và hướng mở rộng đề tài .....................................163 1. Kết quả thi công..............................................................................................163 1.1. Điều khiển một điểm [lưu lượng]............................................................163 1.2. Điều khiển 7 điểm [lưu lượng].................................................................165 2. Hướng mở rộng đề tài....................................................................................168 Tài liệu tham khảo Phụ lục 1 : Đặc điểm kỹ thuật của một số thiết bị Phụ lục 2 : Chương trình điều khiển hệ thống viết trên iFIX V2.21 Phụ lục 3 : Chương trình điều khiển hệ thống viết trên Step7 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀIÙ Ä À Ø –—&–— Những năm đầu của thập kỷ 90, một ngành điều khiển kỹ thuật mới được phát triển rất mạnh mẽ và đã đem lại nhiều thành tựu bất ngờ trong lĩnh vực điều khiển, đó là điều khiển mờ. Ưu điểm cơ bản của điều khiển mờ so với các phương pháp điều khiển kinh điển là có thể tổng hợp được bộ điều khiển mà không cần biết trước đặc tính của đối tượng một cách chính xác. Trong thực tế để phát huy hết ưu điểm của mỗi loại bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển rõ (kinh điển), người ta thường dùng các hệ kết hợp giữa hai loại bộ điều khiển truyền thống và điều khiển mờ với nhau, ta gọi đó là bộ điều khiển mờ lai. Từ đó, việc kết hợp giữa bộ điều khiển kinh điển và bộ điều khiển mờ chính là cơ sở lý thuyết cho đề tài này. Một trong những đơn vị nghiên cứu và ứng dụng các thành tựu khoa học đã đưa cơ sở lý thuyết này vào ứng dụng thực tế, công ty TNHH TM&DV Vinh Nam, với dự án Hệ thống thử bơm và Máy nén khí, được lắp đặt tại xí nghiệp liên doanh VietsoPetro. Quasự giới thiệu của thầy Phan Nguyễn Phục Quốc, những người thực hiện đã được công ty giao cho việc thực hiện một mô hình Demo thu nhỏ của dự án (dĩ nhiên là đơn giản hơn hệ thống thật) với tên gọi “ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI VÀ SCADA TRONG HỆ THỐNG THỬ BƠM” với mục đích thử nghiệm thành công cơ sở lý thuyết này. Bên cạnh đó, những người thực hiện còn nghiên cứu ứng dụng SCADA (Supersisory Control And Data Acquisition) vào việc điều khiển và giám sát cũng như thu thập số liệu của hệ thống. Hệ thống thử bơm là một hệ thống có quán tính lớn, các thông số của hệ thống lại hoàn toàn không biết trước, vì thế để điều khiển hệ thống, những người thực hiện đã kết hợp giữa bộ điều khiển kinh điển PID và lý thuyết điều khiển mờ để hệ thống có thể tự chỉnh định các thông số của nó nhằm đưa hệ thống đạt được yêu cầu của bài toán. Nhận thấy tầm ứng dụng to lớn của PLC SIMATIC S7-400 sẵn có tại công ty và phần mềm rất hiệu quả Step7, những người thực hiện đã tranh thủ đưa vào ứng dụng cho hệ thống của mình. Như vậy, nội dung của luận văn gồm những phần chính như sau: · Cơ sở lý thuyết: Phần 1: Lý thuyết điều khiển mờ Phần 2: PLC SIMATIC S7-400 và Tập lệnh Phần 3: HMI/SCADA (Development with iFIX – Intellution) · Ứng dụng – Vận hành Phần 4: Thiết kế kỹ thuật sơ đồ công nghệ hệ thống thử bơm Việc gì cũng có khó khăn, trở ngại của nó, không nhiều thì ít (thời gian, thiết