ĐẠI HỌC SPKT HỒ CHÍ MINH
Bộ mơn Điều khiển và Tự động hóa
----------

ĐỒ ÁN MƠN HỌC
Thiết kế hệ thống điều khiển và tự động

Giáo viên hướng dẫn: Thái Hữu Nguyên
Sinh viên thực hiện :
Lớp:

: DHTDHCK13B

HCM, 6/2021


LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, sự đa dạng của các linh kiện điện tử
số, các thiết bị điều khiển tự động, các công nghệ cũ đang dần dần được thay thế bằng các công
nghệ hiện đại.Với sự bùng nổ của những tiến bộ khoa học-kĩ thuật trong các lĩnh vực điện, điện
tử, tin học trong những năm gần đây đã dẫn đến sự biến đổi sâu sắc cả về lý thuyết lẫn thực tế
của các lĩnh vực điều khiển lập trình vi điều khiển, hệ thống tự động điều khiển, vi xử lý, PLC…
đang được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, các dây chuyền sản xuất.
Hệ thống điều khiển tự động cho các hệ thống dây chuyền trong các nhà máy cơng
nghiệp khơng thể thiếu được. Nó quyết định rất nhiều đến sự phát triển của xã hội như trong
công cuộc cơng nghiệp hố hiện đại hố để từng bước bắt kịp sự phát triển trong khu vực và
thế giới về mọi mặt Kinh tế và Xã hội. Do đó, việc tự động hố q trình sấy cơng nghiệp là
sự lựa chọn hàng đầu nhằm góp phần bảo quản nguyên liệu, tăng năng suất tạo ra sản phẩm
có chất lượng cao, đảm bảo an toàn thực phẩm, tăng khả năng cạnh tranh mạnh mẽ trên thị
trường.
Thực hiện việc cải tạo nâng cấp một hệ thống máy móc đầu tiên là thay thế hệ thống

điều khiển có thể lập trình được nhằm làm giảm sức lao động, cho mạch điều khiển của hệ
thống gọn nhẹ, hoạt động chính xác đáng tin cậy hơn và quan trọng nhất là dễ dàng thay đổi
chương trình điều khiển khi có u cầu.
Từ đó em lựa chọn đề tài “ Thiết kế hệ thống ổn định nhiệt độ lò sấy sử dụng
Wincc- PLC S1200 ”
Mục tiêu của đề tài là em xây dựng được đầy đủ phương pháp luận để khảo sát, đánh
giá, nghiên cứu, thiết kế được bộ điều khiển cho lị sấy
Trong q trình thực hiện đề tài này em đã tìm hiểu, trao đổi và tổng hợp các kiến thức
mà mình đã được học trong thời gian được học, cũng như tham khảo các tài liệu liên quan
khác để hoàn thành đề tài được giao. Cấu trúc của đồ án gồm 5 chương, mỗi chương em sẽ
trình bày cụ thể các vấn đề nghiên cứu khác nhau:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống lò sấy và điều khiển ổn định nhiệt độ lò sấy
Chương 2: Giới thiệu PLC-S1200
Chương 3 : Viết chương trình điều khiển


Chương 4 : Giới thiệu Wincc và thiết kế giao diện
Chương 5 : Thuyết minh nguyên tắc vận hành
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô khoa điện nói chung và thầy Phạm
Văn Tuấn nói riêng đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất giúp em hoàn
thành đồ án được thuận lợi.
Em xin chân thành cảm ơn!


CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VỀ LÒ SẤY VÀ ĐIỀU KHIỂN
ỔN ĐINH NHIỆT ĐỘ LÒ SẤY
1.1 . Giới thiệu về lị sấy cơng nghiệp
Ngày nay rất nhiều ngành công, nông nghiệp như chế biến nông sản, thực phẩm, hóa
dược lẫn sản xuất gỗ, cao su, giày da và rất nhiều ngành nghề khác đều cần đến sự hỗ trợ của
cơng nghệ hiện đại. Và trong đó, cơng nghệ sấy khô và bảo quản sản phẩm là một giai đoạn

quan trọng nhất được các doanh nghiệp đặt hàng đầu trong quá trình sản xuất. Việc doanh
nghiệp quyết định phương thức sấy sản phẩm phù hợp và đầu tư một thiết bị sấy công
nghiệp hiện đại không chỉ đẩy nhanh q trình sản xuất mà cịn nâng cao chất lượng sản
phẩm, đem lại lợi thế khi cạnh tranh với các đối thủ khác trên thị trường.
Từ những loại máy sấy thô sơ nhất cho đến thời điểm hiện tại việc tìm hiểu, mua và vận
hành những loại máy sấy đa chức năng, tân tiến và vô cùng hiện đại đã dễ dàng hơn rất
nhiều. Không chỉ như thế, các nhà sản xuất đã cung cấp rất nhiều hệ thống sấy hiện đại và
chất lượng cao như tủ sấy, lò sấy, dây chuyền sấy vận hành hoàn toàn tự động và cho ra sản
lượng, chất lượng cao, không bị biến đổi, thời gian sấy được rút ngắn tiết kiệm rất nhiều chi
phí. Chính vì thế, ngày càng nhiều các cơ sở doanh nghiệp chế biến thực phẩm, nông sản,
xưởng chế tạo và sửa chữa lựa chọn các hệ thống sấy hiện đại.

Các dạng cơ bản của lò sấy


* Phân loại thiết bị hệ thống sấy – máy sấy cơng nghiệp
Trên thị trường Việt Nam hiện nay có rất nhiều loại công nghệ sấy đi cùng với các thiết bị
sấy như:
 Băng tải, băng chuyền
 Buồng sấy, phòng sấy, hầm sấy
 Tháp sấy
 Hệ thống sấy thùng quay
 Hệ thống sấy phun, hệ thống sấy tầng sôi
 Tủ sấy, lị sấy cơng nghiệp
Mỗi thiết bị là mỗi một nguyên lý, chức năng khác nhau. Doanh nghiệp và người sử dụng
phải tìm hiểu kỹ lưỡng để lựa chọn cơng nghệ và máy sấy cho phù hợp với nguyên vật liệu,
mức độ sản xuất và đầu tư của mình
* Phân loại nguyên liệu và vật liệu sấy
Sự đa dạng về kiểu sấy, đa dạng về chủng loại của các loại máy sấy cơng nghiệp hiện đại
cùng những lợi ích vược bậc mà chúng mang lại đã đáp ứng được yêu cầu trong rất nhiều

lĩnh vực của doanh nghiệp và người dùng, từ những nguyên liệu phổ biến như sấy sản phẩm
nông nghiệp cho đến những sản phẩm công nghiệp.
 Sấy khơ hoa quả, trái cây rau củ sấy giịn, trái cây sấy dẻo, các loại mứt sấy dẻo
 Sấy hạt, ngũ cốc, sấy nông sản, lúa, ngô, cà phê, tiêu, điều, trà
 Sấy bún, mì, phở, nui, hủ tiếu, bánh tráng, cơm cháy
 Sấy khô thủy hải sản, khô thịt, trứng
 Sấy các loại gia vị.
 Sấy thành dạng bột.
 Sấy dược liệu, thảo dược, thảo mộc sấy khô, các loại nấm, thuốc bắc, thuốc nam..
 Sấy các loại hoa, sấy khô làm thức uống detox.
 Sấy sâu, sấy nhộng, các loại côn trùng, sấy thức ăn thực vật cho gia súc.
 Sấy gỗ, sấy sơn, sấy gạch.


 Sấy dụng cụ, vật liệu, khn, thùng, bao bì nhựa - ni lơng, bao gói, ống hút.
 Tủ rã đông, khử trùng thanh trùng.

* Các công nghệ hiện đại của các loại lị sấy cơng nghiệp – tủ sấy – máy sấy cơng
nghiệp cơng suất lớn
Với sự địi hỏi ngày càng khắt khe của thị thường thì những cơng ty chuyên sản xuất các
loại tủ sấy, lò sấy và máy sấy công nghiệp cũng cho ra nhiều công nghệ sấy công nghiệp với
công suất và phạm vi ứng dụng rộng rãi hơn rất nhiều như sấy nhiệt, sấy đối lưu tuần hoàn,
sấy phun, sấy bức xạ, sấy bằng điện trường dịng cao tần, sấy tầng sơi, nhưng nhìn chung
đều đem lại những hiệu quả và giá trị to lớn cho doanh nghiệp. Hãy cùng E-MART tìm hiểu
qua về các công nghệ sấy hiện đại của các loại máy sấy công nghiệp và phổ biến nhất hiện
nay để lựa chọn cho mình thiết bị phù hợp nhất cho doanh nghiệp của bạn.
Công nghệ sấy hồng ngoại


Cơng nghệ sấy IR hay cịn gọi là sấy hồng ngoại là loại máy sấy công nghiệp sử dụng

lượng nhiệt sinh ra từ tia hồng ngoại để làm khô sản phẩm cần sấy. Phương pháp này thường
được thấy chủ yếu dưới dạng hình thức tủ sấy, băng chuyền, phịng sấy hay buồng sấy. Với
ứng dụng công nghệ từ đèn sấy hồng ngoại, phương pháp này đã mang lại những hiệu
quả lớn từ tiết kiệm năng lượng, hiệu quả cao, hơi nhiệt dễ chịu, chỉ làm nóng vật liệu sấy,
khơng ảnh hưởng đến mơi trường khơng khí xung quanh.
Cơng nghệ sấy vi sóng

Cơng nghệ sấy vi sóng là cơng nghệ sử dụng sóng viba để áp dụng cho quy mơ sản xuất
lớn và có phạm vi ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: Công nghiệp thực phẩm,
nông nghiệp, tiệt trùng sản phẩm, hóa dược cho đến những ngành cơng nghiệp đòi hỏi phải
xử lý ở nhiệt độ cao, khối lượng và kích thước tương đối lớn như sấy keo, sản xuất gỗ, chế
biến cao su, gốm sứ, than đá và các ngành công nghiệp khác. Ưu điểm của công nghệ sấy vi


sóng là nhiệt được thâm nhập bằng những tia sóng siêu nhỏ, siêu nhanh đi từ trong lõi sản
phẩm sấy ra bên ngoài bề mặt khiến cho tất cả các thành phần trong sản phẩm đều được làm
khô trong thời gian rất ngắn.
Đối với các ngành nông sản, thực phẩm, hóa dược: Phương pháp này khơng chỉ giúp tiết
kiệm điện năng mà còn giữ lại hầu hết các chất dinh dưỡng, chất lượng và màu sắc ban đầu
của sản phẩm. Đảm bảo khả năng lưu trữ sản phẩm được tốt hơn. Bên cạnh đó, sóng siêu cao
tần cịn có thể tiêu diệt được các loại vi khuẩn gây hại cho con người như E.coli và
Salmonella có trong nơng sản, thực phẩm.
Đối với chế tác gỗ, gốm sứ, cao su, than đá: Cơng nghệ vi sóng khiến sản phẩm hấp thụ
được một lớp nhiệt đồng đều, tạo ra sản phẩm có độ bền trải đều bề mặt, rút ngắn thời gian
sấy.
Công nghệ sấy chân không

Sấy chân không là công nghệ sấy kín dành cho các sản phẩm khơng chịu được nhiệt độ
cao hay dễ bị oxy hóa, được hoạt động nhờ sự chênh lệch áp suất hơi nước trên bề mặt của
sản phẩm đối với môi trường xung quanh. Sản phẩm sấy được tách ẩm trong buồng chân

không và được truyền nhiệt thông qua bức xạ nhiệt từ vỏ thùng sấy, hơi ẩm được bơm chân


khơng hút ra ngồi theo chu kỳ. Máy sấy chân khơng địi hỏi vốn cố định và vốn lưu động
cao hơn máy sấy làm việc ở áp suất thường, nhưng nó tạo ra những sản phẩm có chất lượng
tốt hơn.
Ở môi trường áp suất nhỏ nước sẽ sôi ở nhiệt độ rất thấp khoảng 30-40 độ C. Khi nước
sôi đồng nghĩa với sự bốc hơi nước diễn ra rất nhanh làm cho vật sấy khô nhanh hơn với sấy
nhiệt thông thường. Sản phẩm sấy chân khơng đều có nhiệt độ sấy thấp nên giữ nguyên được
hương vị, màu sắc cũng như các tính chất đặc trưng của sản phẩm. Thành phẩm sau khi sấy
sẽ có độ ẩm rất thấp chỉ từ 1-3%. Vì vậy thời gian bảo quản được lâu hơn.
Công nghệ sấy thăng hoa

Đây được xem là công nghệ tiên tiến nhất hiện nay cùng với mức đòi hỏi đầu tư
cao, phương pháp cịn có tên gọi là sấy lạnh đông (Freeze Drying hay Lyophillisation).
Đây phương pháp tách ẩm ra khỏi vật sấy bằng sự thăng hoa của nước, chuyển trực tiếp từ
thể rắn sang thể hơi. Quá trình sấy thăng hoa bao gồm hai giai đoạn là làm lạnh đông và tiếp
theo là sấy khô bằng chân không thấp. Phương pháp sấy thăng hoa chỉ chủ yếu sử dụng đối
với các nguyên liệu đắt tiền, hay những sản phẩm mà không thể sấy được bằng các phương
pháp khác. Bên cạnh đó khơng phải bất kỳ ngun liệu nào cũng có thể sấy bằng phương
pháp lạnh đơng.
Sản phẩm sấy thăng hoa lưu giữ được kết cấu tốt, đặc tính cảm quan và chất lượng
dinh dưỡng, thời gian bảo quản dài khi được bao gói đúng cách. Những thay đổi của thiamin
và axit ascorbic trong quá trình sấy thăng hoa ở mức vừa phải và sự thất thoát của các
vitamin khác không đáng kể.


Công nghệ sấy năng lượng mặt trời
Phương pháp sấy khô sản phẩm bằng các năng lượng mặt trời là một trong những công
nghệ sấy đầy tiềm năng bởi năng lượng mặt trời là một nguồn cung cấp nhiệt rất lớn, vơ hạn

và hồn tồn miễn phí. Việt Nam là một nước có tiềm năng về sử dụng cơng nghệ sấy năng
lượng mặt trời bởi bức xạ mặt trời không chỉ nhiều mà gần như luôn ổn định quanh năm.
Ba dạng thiết bị sấy bằng năng lượng mặt trời phổ biến có thể kể đến như hệ thống sấy trực
tiếp tuần hồn khí tự nhiên gồm thiết bị thu năng lượng kết hợp với buồng sấy, hệ thống sấy
trực tiếp có bộ phận thu năng lượng riêng biệt, và hệ thống sấy gián tiếp có dẫn nhiệt cưỡng
bức với thiết bị thu năng lượng và buồng sấy riêng biệt.
1.2 Giới thiệu về đối tượng và phương pháp điều khiển
1.2.1 Giới thiệu
Nhiệt độ là một đại lượng vật lý hiện diện khắp nơi và trong nhiều lĩnh vực, trong
công nghiệp cũng như trong sinh hoạt. Nhiệt độ trở nên là mối quan tâm hàng đầu cho các
nhà thiết kế máy và điều khiển nhiệt độ trở thành một trong những mục tiêu của ngành Điều
Khiển Tự Động.
Trong nhiều lĩnh vực của nền kinh tế, vấn đề đo và kiểm soát nhiệt độ là một q
trình khơng thể thiếu được, nhất là trong công nghiệp. Đo nhiệt độ trong công nghiệp luôn
gắn liền với quy trình cơng nghệ của sản xuất, việc đo và kiểm soát nhiệt độ tốt quyết định
rất nhiều đến chất lượng của sản phẩm trong các ngành công nghiệp thực phẩm, luyện kim,
xi măng, gốm sứ, công nghiệp chế tạo động cơ đốt trong....
Tùy theo tính chất, yêu cầu của q trình mà nó địi hỏi các phương pháp điều khiển
thích hợp. Tính ổn định và chính xác của nhiệt độ cũng đặt ra các vấn đề cần phải giải quyết.
Một điều cần thiết là ta phải khảo sát kỹ đối tượng cung cấp nhiệt mà ta cần phải điều
khiển để dẫn đến mơ hình tốn học cụ thể. Từ đó chúng ta sẽ giải quyết bài tốn điều khiển
trên cơ sở lý thuyết đã nghiên cứu.
Hệ thống điều khiển nhiệt độ có thể phân làm hai loại : hệ thống điều khiển hồi tiếp
(feedback control system) và hệ thống điều khiển tuần tự (sequence control system).
 Điều khiển hồi tiếp thường được xác định và giám sát kết quả điều khiển, so sánh nó
với yêu cầu thực thi (ví dụ điểm đặt) và tự động điều chỉnh đúng.


 Điều khiển tuần tự thực hiện từng bước điều khiển tùy theo hoạt động điều khiển
trước khi xác định tuần tự.

Một hệ thống muốn chính xác cần phải thực hiện hồi tiếp tín hiệu về so sánh với tín
hiệu vào và đầu ra sẽ được gởi đến bộ điều khiển hiệu chỉnh đầu ra. Hệ thống điều khiển hồi
tiếp có nhiều ưu điểm nên thường được sử dụng trong các hệ thống tự động.
Các phương pháp điều khiển khác nhau nhưng nguyên tắc điều khiển là giống nhau.
Một hệ thống điều khiển nhiệt độ dựa trên nguyên tắc hệ thống hồi tiếp có dạng tổng qt
như hình dưới đây:

Dạng tổng quát của một hệ thống hồi tiếp

Đây là một hệ thống hồi tiếp qua bộ cảm biến cho tín hiệu đo lường nhiệt độ về so
sánh với giá trị đặt, sai lệch giữa tín hiệu đặt và đo sẽ được đưa tới bộ điều khiển tạo tín hiệu
điều khiển công suất cấp cho bộ phận gia nhiệt. Như vậy các phương pháp điều khiển khác
nhau về bản chất là do các bộ điều khiển khác nhau tạo nên.
1.2.2 Các phương pháp điều khiển nhiệt độ
A) Điều khiển ON/OFF
Sơ đồ điều khiển lò nhiệt bằng phương pháp ON-OFF được thể hiện qua hình dưới:


Sơ đồ điều khiển lò nhiệt

Nguyên lý làm việc:
Phương pháp điều khiển ON-OFF cịn được gọi là phương pháp đóng ngắt hay dùng
khâu relay có trễ: cơ cấu chấp hành sẽ đóng nguồn để cung cấp năng lượng ở mức tối đa cho
thiết bị tiêu thụ điện năng (lò nhiệt) nếu nhiệt độ đặt w(k) lớn hơn nhiệt độ đo y(k), ngược
lại mạch điều khiển sẽ ngắt mạch không tiếp tục cung cấp điện năng cho lò nữa khi nhiệt độ
đặt w(k) nhỏ hơn nhiệt độ đo y(k).
Một vùng trễ được đưa vào để hạn chế tần số đóng ngắt như sơ đồ khối ở trên: nguồn
chỉ đóng khi sai số e(k) > ∆ và ngắt khi e(k) < - ∆. Như vậy, nhiệt độ đo y(k) sẽ dao động
quanh giá trị đặt w(k) và 2∆ còn được gọi là vùng trễ của rơ le.
Khâu rơle có trễ cịn gọi là mạch so sánh Smith trong mạch điện tử và như vậy ∆ là

giá trị thềm hay ngưỡng.
Đặc tính của phương pháp điều khiển ON-OFF cho bởi hình dưới:

Đặc tính điều khiển của điều khiển ON – OFF

Điều khiển ON-OFF có ưu điểm là:
 Thiết bị tin cậy, đơn giản, chắc chắn, hệ thống luôn hoạt động được với mọi tải.
 Tính tốn thiết kế ít phức tạp và cân chỉnh dễ dàng.
 Điều khiển ON-OFF tốt nhất cho hệ thống điều khiển khi nhiệt độ tăng lên chậm
và sai phân G giữa cân bằng nhiệt khi ngõ ra là ON và khi ngõ ra OFF là nhỏ.


Nhưng có nhược điểm là sai số xác lập sẽ lớn do hệ chỉ cân bằng động
quanh nhiệt độ đặt và thay đổi theo tải. Khuyết điểm này có thể được hạn chế khi giảm vùng
trễ bằng cách dùng phần tử đóng ngắt điện tử ở mạch cơng suất.
B ) Điều khiển bằng khâu tỉ lệ (P)
Đây là hình thức điều khiển tốt hơn điều khiển ON – OFF bằng cách cung cấp năng
lượng cho lò nhiệt dựa vào sự khác biệt về nhiệt độ giữa nhiệt độ thực tế của đối tượng và
nhiệt độ đặt, với KP được xem là độ khuếch đại tỷ lệ của bộ điều khiển.
W = Kp.(TS – TO)

(2.7)

Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu tỉ lệ (P)

Ta thấy hệ số khếch đại KP càng lớn thì sai số xác lập càng nhỏ tuy nhiên đáp ứng của
hệ thống càng dao động, độ vọt lố càng cao. Nếu KP tăng quá giới hạn thì hệ thống sẽ trở nên
mất ổn định. Do đó khơng thể có sai số của hệ thống bằng 0 và cũng không thể tăng hệ số
khếch đại lên vô cùng.
C ) Điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ (PD)

Vấn đề về tính ổn định và quá tầm trong điều khiển tỷ lệ với độ khuếch đại lớn, có thể
được giảm đi khi thêm vào đó là khâu vi phân cho tín hiệu sai số.
d
�
W  Kp. �
 TS  TO   TD .  TS  TO  �
�
dt
�
�

(2.8)


Với KD = KP .TD; TD : là thời hằng vi phân của bộ điều khiển PD
Kỹ thuật đó được gọi là kỹ thuật điều khiển PD. Khâu vi phân có thể hiệu chỉnh khả
năng đáp ứng sự thay đổi tại nhiệt độ đặt, đó là giảm độ vọt lố , đáp ứng ra c(t) bớt nhấp nhô
hơn, được biểu diễn ở hình sau:

Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ (PD) với P = 1

Dựa vào đáp ứng quá độ của hệ thống khi thay đổi giá trị T D và giữ hệ số KP bằng
hằng số. Ta thấy TD càng lớn thì đáp ứng càng nhanh, thời gian lên càng ngắn. Tuy nhiên,
nếu thời gian lên nhanh quá thì sẽ dẫn đến vọt lố mặc dù đáp ứng khơng có dao động.
Bộ hiệu chỉnh PD không thể thực hiện bằng các linh kiện mạch thụ động, có thể dùng
khếch đại thuật tốn, điện trở và tụ điện. Nhược điểm của bộ PD này là rất nhạy về nhiễu vì
bản thân bộ PD là mạch lọc thông cao, với độ lợi lớn hơn 1 sẽ làm tăng sự ảnh hưởng của tín
hiệu nhiễu.
D) Điều khiển bằng khâu tích phân tỉ lệ (PI)
Vấn đề về sai số xác lập có thể khắc phục bằng hiệu chỉnh PI. Hiệu chỉnh PI có tác

dụng làm chậm đáp ứng quá độ, tăng độ vọt lố, giảm sai số xác lập. Do hệ số khếch đại của
khâu PI bằng vô cùng tại tần số bằng 0 nên khâu hiệu chỉnh PI làm cho sai số đối với tín
hiệu vào là hàm nấc của hệ thống khơng có khâu tích phân lý tưởng bằng 0 (hệ vô sai bậc


1). Ngồi ra khâu PI là một bộ lọc thơng thấp nên nó cịn có tác dụng triệt tiêu nhiễu tần số
cao tác động vào hệ thống.
t
�
�
1
W  Kp. �
e( )  .�
e( )d �
TI 0
�
�

(2.9)

Với: e(  ) = TS –T0
Ki = Kp/TI, TI là thời hằng tích phân của bộ điều khiển PI

Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ (PI) với P = 1

Khâu hiệu chỉnh PI làm cho sai số xác lập của hệ thống đối với tín hiệu vào là hàm
nấc bằng 0. Tuy nhiên khâu hiệu chỉnh PI lại làm cho hệ thống kém ổn định do làm tăng thời
gian xác lập.
Dựa trên đáp ứng quá độ của hệ thống khi giảm thời hằng tích phân T I thì độ vọt lố
của hệ thống càng cao, hệ thống càng chậm xác lập. Vậy hằng số thời hằng tích phân T I ta

nên cho giá trị lớn nhằm hạn chế độ vọt lố. Tuy vậy khi T I bằng hằng số thì ảnh hưởng của P
đến chất lượng của hệ thống chính là ảnh hưởng của khâu khếch đại, P càng tăng thì độ vọt
lố càng cao, tuy nhiên thời gian quá độ lại không thay đổi.
E) Điều khiển bằng khâu vi tích phân tỉ lệ (PID)
Bộ điều khiển PID được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế để điều khiển nhiều loại
đối tượng khác nhau như nhiệt độ lò nhiệt, tốc độ động cơ, mực chất lỏng trong bồn chứa,…


Lý do bộ điều khiển này được sử dụng rộng rãi là vì nó có khả năng triệt tiêu sai số xác lập,
tăng đáp ứng quá độ, giảm độ vọt lố nếu các tham số bộ điều khiển được chọn lựa thích hợp.
Khâu hiệu chỉnh khuếch đại tỉ lệ (P) được đưa vào hệ thống nhằm làm giảm sai số xác
lập, với đầu vào thay đổi theo hàm nấc sẽ gây ra vọt lố và trong vài trường hợp là khơng
chấp nhận được đối với mạch động lực. Sự có mặt của khâu vi phân tỉ lệ (PD) làm giảm độ
vọt lố và đáp ứng ra bớt nhấp nhô hơn và hệ thống sẽ đáp ứng nhanh hơn. Khâu tích phân tỉ
lệ(PI) có mặt trong hệ thống sẽ dẩn đến sai lệch tĩnh triệt tiêu( hệ vô sai). Muốn tăng độ
chính xác ta phải tăng hệ số khuếch đại, song với mọi hệ thống thực đều bị hạn chế và sự có
mặt của khâu PI là bắt buộc. Khâu hiệu chỉnh vi tích phân tỉ lệ (PID) kết hợp những ưu điểm
của khâu PI và PD, có khả năng tăng độ dự trử pha ở tần số cắt, khử chậm pha. Sự có mặt
PID ở vịng hồi tiếp có thể dẩn đến sự dao động trong hệ do đáp ứng quá độ bị vọt lố bởi
hàm Dirac (t).Các bộ hiệu chỉnh PID được ứng dụng nhiều trong công nghiệp dưới dạng
thiết bị điều khiển hay thuật toán phần mềm.
Do sự thơng dụng của nó nên nhiều hãng sản xuất thiết bị điều khiển đã cho ra đời
các bộ điều khiển thương mại rất thông dụng.
Thực tế các phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID dùng quỹ đạo nghiệm số, giản
đồ Bode hay phương pháp giải tích rất ít được sử dụng do việc khó khăn trong xây dựng
hàm truyền đối tượng. Phương pháp phổ biến nhất để chọn tham số PID thương mại hiện
nay là phương pháp Ziegler-Nichols.

Sơ đồ điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID


Bộ điều khiển PID có hàm truyền liên tục như sau:


G(s)  K p 

� 1
�
Ki
 Kd s  K p �
1
 TD s �
s
� TI s
�

(2.10)

Với các giá trị Kp, Ki, Kd là các hằng số thực.
Phương trình vi tích phân mơ tả sự tương quan giữa tín hiệu ra u(t) với tín hiệu sai
lệch e(t) của bộ điều khiển PID là:
(2.11)
Trong đó:

e(t) là sai lệch trong hệ thống e(t) = r(t) – c(t).
r(t) và c(t) là tín hiệu vào và đáp ứng ra của hệ thống.

Vấn đề thiết kế là cần xác định giá trị K p, Ki, Kd sao cho thoả mãn các yêu cầu về chất
lượng.
Ta có bảng so sánh giữa các phương pháp điều khiển như sau:



Các phương pháp

Ưu điểm

Khuyết điểm

điều khiển
Điều khiển ON-OFF

Hiệu chỉnh P

- Điều khiển đơn giản

- Xảy ra quá tải và

- Không xảy ra offset

hunting

- Quá tải và hunting - Thời gian yêu cầu dài
nhỏ

đến

khi

biến

điều


khiển được thiết lập
Điều khiển PI

- Loại bỏ sai xác lập

- Vọt lố xảy ra.
- Thời gian yêu cầu dài
hơn P cho đến khi biến
điều khiển được thiết

Điều khiển PD

- Đáp ứng nhanh

lập .
- Điều

khiển

này

không thể thực hiện
một mình
- Sai số xác lập ln
Hiệu chỉnh PID

khác 0.
- Có thể điều khiển tốt - Đặt thông số PID là
nhất


cần thiết

So sánh các phương pháp điều khiển


So sánh đáp ứng của hệ thống so với các bộ điều khiển


CHƯƠNG II : GIỚI THIỆU PLC S1200
2.1 Giới thiệu PLC
2.1.1 Khái niệm về PLC

PLC viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lập trình được.
Cho phép thực hiện linh hoạt các thuật tốn điều khiển logic thơng qua một ngơn ngữ lập
trình. Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện.Các sự kiện
này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua các hoạt
động có trễ như thời gian định thì hay các sự kiện được đếm. Một khi sự kiện được kích hoạt
thật sự,nó bật ON hay OFF thiết bị điều khiển bên ngoài được gọi là thiết bị vật lý.Một bộ
điều khiển lập trình sẽ liên tục “lặp” trong chương trình đó “người sử dụng lập ra chờ tín
hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ ra tại các thời điểm đã lập trình.
Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối (bộ điều khiển bằng
Relay) người ta đã chế tạo ra bộ PLC nhằm thoả mãn những u cầu sau:
• Lập trình dễ dàng,ngơn ngự lập trình dễ học.
• Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa chữa.


• Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được nhựng chương trình phức tạp.
• Hồn tồn tin cậy trong mơi trường cơng nghiệp.
• Giao tiếp được với các thiết bị thơng minh khác như:máy tính,nối mạng,các Modul

mở rộng.
Giá cả có thể cạnh tranh được.
Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay thế cho các phần cứng Relay, dây nối và các logic
thời gian. Tuy nhiên, bên cạnh đó việc địi hỏi tăng cường dung lượng nhớ và tính dễ dàng
cho PLC mà vẫn đảm bảo tốc độ xử lý cũng như giá cả... Chính điều này đã gây ra sự quan
tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC trong cơng nghiệp. Các tập lệnh nhanh chóng đi từ các
lệnh logic đơn giản đến các lệnh đếm, định thời, thanh ghi dịch … Sau đó là các chức năng
làm toán trên các máy lớn … Sự phát triển các máy tính dẫn đến các bộ PLC
Có dung lượng lớn, số lượng I/O nhiều.
Trong PLC, phần cứng CPU và chương trình là đơn vị cơ bản cho quá trình điều khiển
hoặc xử lý hệ thống.Chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện sẽ được xác định bởi một
chương trình. Chương trình được nạp sẵn vào bộ nhớ của PLC,PLC sẽ thực hiện việc điều
khiển dựa vào chương trình này.Như vậy muốn thay đổi chức năng của quy trình cơng nghệ,
ta chỉ cần thay đổi chương trình bên trong bộ nhớ của PLC. Việc thay đổi hay mở rộng chức
năng sẽ được thực hiện một cách dễ dàng mà không cần một sự can thiệp vật lý nào so với
các bộ dây nối hay các Relay.
2.1.2 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của PLC
a. Cấu trúc
Tất cả các PLC đều có thành phần là:
Một bộ nhớ chương trình RAM bên trong(có thể mở rộng thêm một số bộ nhớ ngồi
EPROM)
Một bộ vi xử lý có cổng giao tiếp dùng cho việc kết nối PLC.
Các Modul vào/ra.
Bên cạnh đó, một bộ PLC hồn chỉnh cịn đi kèm theo một đơn vị lập trình bằng tay
hay bằng máy tính. Hầu hết các đơn vị lập trình đơn giản đều có đủ RAM để chứa đựng
chương trình dưới dạng hồn thiện hay bổ sung. Nếu đơn vị lập trình là xách tay, RAM


thường là loại CMOS có pin dự phịng, chỉ khi nào chương trình đã được kiểm tra và sẵn
sàng sử dụng thì nó mới truyền sang bộ nhớ PLC. Đồi với PLC lớn thường được lập trình

máy tính nhằm hỗ trợ cho việc viết đọc và kiểm tr chương trình.Các đơn vị lập trình nối với
PLC qua cổng RS232, RS422, RS458 …
b. Nguyên lý hoạt động của PLC
+ Đơn vị xử lý trung tâm
CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC. Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra chương
trình được chứa trong bộ nhớ,sau đó sẽ thực hiện từng lệnh trong chương trình, sẽ đóng hay
ngắt các đầu ra. Các trạng thái ngõ ra ấy được phát tới các thiết bị liên kết để thực thi. Và
toàn bộ các bộ phận thực thi đó đều phụ thuộc vào chương trình điều khiển được giữ trong
bộ nhớ.
+ Hệ thống bus
Hệ thống bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín hiệu song
song:
Address Bus: bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ tới các Modul khác nhau.
Data Bus: bus dùng để truyền dữ liệu.
Control Bus: bus điều khiển dùng để truyền các các tín hiệu định thì và điều khiển
đồng bộ trong PLC.
Trong PLC các số liệu được trao đổi giữa bộ vi xử lý và các Modul vào ra thông qua
Data Bus. Address Bus và Data Bus gồm 8 đường, ở cùng thời điểm cho phép truyền 8 bít
của 1 byte một cách đồng thời hoặc song song.
Nếu một Modul đầu vào nhận được địa chỉ của nó trên Address Bus, Modul đầu ra
tương ứng sẽ nhận được địa dữ liệu từ địa chỉ Data Bus. Control Bus sẽ chuyển các tín hiệu
vào theo dõi chu trình hoạt động của PLC.
Các địa chỉ và số liệu được chuyển lên các bus tương ứng trong một thời gian hạn chế.
Hệ thống bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O. Bên cạnh
đó, CPU được cấp một xung Clock có tần số từ 1 -:- 8 MHZ. Xung này quyết định tốc độ
hoạt động của PLC và cung cấp các yếu tố về định thời, đồng hồ của hệ thống.
+ Bộ nhớ


PLC thường yêu cầu bộ nhớ trong các trường hợp:

Làm bộ định thời cho các kênh trạng thái I/O.
Làm bộ đệm trạng thái trong PLC như định thời, đếm, ghi các Relay.
Mỗi lệnh của chương trình có một vị trí riêng trong bộ nhớ, tất cả các vị trí trong bộ
nhớ đều được đánh số, nhựng số này chính là địa chỉ trong bộ nhớ.
Địa chỉ của tường ô nhớ sẽ được trỏ đến bởi một bộ đếm địa chỉ ở bên trong bộ vi xử
lý. Bộ vi xử lý sẽ có giá trị trong bộ đếm này lên một trước khi xử lý lệnh tiếp theo. Với một
địa chỉ mới, nội dung của địa chỉ ô nhớ tương ứng sẽ xuất hiện ở đầu ra, quá trình này được
gọi là quá trình đọc.
Bộ nhớ bên trong PLC được tạo bởi các vi mạch bán dẫn, mỗi vi mạch này có khả năng
chứa từ 2000-:-16000 dịng lệnh, tuỳ theo loại vi mạch. Trong PLC các bộ nhớ RAM,
EPROM đều được sử dụng.
RAM(Random Access Memory) có thể nạp chương trình thay đổi hay xoá bỏ nội dung
bất kỳ lúc nào. Nội dung của RAM sẽ bị mất nếu nguồn nuôi bị mất. Để tránh những tình
trạng này các PLC được trang bị một pin khơ, có khả năng cung cấp ngăng lượng dự trữ cho
RAM từ vài tháng đến vài năm. Trong thực tế RAM được dùng để khởi tạo và kiểm tra
chương trình. Khuynh hướng hiện nay dùng CMOSRAM nhờ khả năng tiêu thụ thấp và tuổi
thọ lớn.
EPROM(Electricall Programmble Read Only Memory) bộ nhớ mà người sử dụng bình
thường chỉ có thể đọc chứ khơng ghi nội dung vào được. Nội dung của EPROM không bị
mất khi mất nguồn nuôi, nó được gắn sắn trong máy, đã được nhà sản xuất nạp và chữa hệ
điều hành sắn. Nếu người sử dụng khơng muốn mở rộng bộ nhớ thì chỉ dùng thêm EPROM
gắn bên trong PLC. Trên PG(progammer) có sắn chố ghi và xố EPROM.
Mơi trường ghi dữ liệu thứ ba là đĩa cứng hoặc đĩa mềm được sử dụng trong máy lập
trình. Đĩa cứng hoặc địa mềm có dung lượng lớn nên thường được dùng để lưu trữ những
chương trình lớn trong một thời gian dài.
+ Kích thước bộ nhớ:
• Các PLC loại nhỏ có thể chứa 300-:-1000 dịng lệnh tuỳ vào công nghệ chế tạo.


• Các PLC loại lớn có kích thước từ 1K-:-16K, có khả năng chứa từ 2000-:-16000

dịng lệnh.
Ngồi ra cịn cho phép gắn thêm bộ nhớ mở rộng như RAM, EPROM.
+ Các ngỏ vào ra I/O
Các đường tín hiệu từ bộ cảm biến được nối vào các Modul (các đầu vào của PLC)các
cơ cấu chấp hành được nối với các Modul ra (các đầu ra của PLC).
Hầu hết các PLC có điện áp hoạt động bên trong là 5V, tín hiệu xử lý là 12/24DVC
hoặc 100/240VAC.
Mỗi đơn vị I/O có duy nhất một địa chỉ, các hiển thị trạng thái của các kênh I/O được
cung cấp bởi các đèn LED trên PLC điều náy làm cho việc kiểm tra hoạt động nhập xuất trở
nên dệ dàng và đơn giản.
Bộ xử lý đọc và xác định các trạng thái đầu vào (ON,OFF) để thực hiện đóng hay ngắt
ở mạch đầu ra.
2.2 Khái niệm chung về PLC S7-1200
PLC S7-1200 là một dòng sản phẩm của Siemens được sản xuất năm 2009, ra đời với
mục đích thay thế cho thế hệ trước là PLC S7-200.
S7- 1200 mang lại tính linh hoạt và sức mạnh để điều khiển nhiều thiết bị đa dạng hỗ
các yêu cầu về điều khiển tự động. sự kết hợp giữa thiết kế thu gọn, cấu hình linh hoạt và tập
lệnh mạnh mẽ đã khiến cho S7-1200 trở thành một giải pháp hoàn hảo cho việc điều khiển
ứng dụng đa dạng khác nhau.


Các thành phần của PLC S7-1200:


3 bộ điều khiển nhỏ gọn với sự phân loại trong các phiên bản khác nhau giống như
điều khiển AC hoặc DC phạm vi rộng.



2 mạch tương tự và số mở rộng điều khiển modum trực tiếp trên CPU làm giảm chi

phí sản phẩm.



13 module tín hiệu số và tương tự khác nhau.



2 module giao tiếp RS232/RS485 để giao tiếp thông qua kết nối PTP.



Bổ sung 4 cổng Ethernet.



Module nguồn PS 1207 ổn định, dòng điện áp 115/230 VAC và điện áp 24VD.

2.3 Sơ đồ kết nối S7-1200

2.4 Module mềm PID
Bộ điều khiển PID thực chất là thiết bị điều khiển thực hiện luật điều khiển được mơ tả
bằng phương trình sau: