BỘ CÔNG THƯƠNG

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
------

ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG MODBUS TCP THU
THẬP TÍN HIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN
NHIỆT ĐỘ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2020


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................

.............................................................................................................................................

Người nhận xét
(Kí tên và ghi rõ họ tên)


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................

Người nhận xét
(Kí tên và ghi rõ họ tên)



MỤC LỤC
Chương 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI.............................................................................1
1.1. Lý do chọn đề tài.....................................................................................................1
1.2. Mục tiêu..................................................................................................................1
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT...............................................................................2
2.1. Giới thiệu sơ lược về bộ điều khiển và hệ thống tự động hoá..................................2
2.2. Bộ điều khiển ON/OFF...........................................................................................3
2.2.1.

Giới thiệu bộ điều khiển......................................................................................3

2.2.2.

Thuật tốn điều khiển..........................................................................................4

2.3. Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (PID)......................................................................5
2.3.1.

Các thông số bộ điều khiển PID..........................................................................6

2.3.2.

Điều chỉnh vịng lặp............................................................................................8

2.4. Bộ điều khiển logic khả trình PLC........................................................................12
2.4.1.

Giới thiệu về PLC S7-1200...............................................................................12


2.4.1.1. Các thông số cơ bản PLC Siemens S7-1200...................................................13
2.4.1.2. Các bảng tín hiệu............................................................................................15
2.4.1.3. Các module tín hiệu........................................................................................15
2.4.1.4. Các module truyền thông................................................................................16
2.4.1.5. Nguyên lý hoạt động PLC S7-1200................................................................16
2.5. Các chuẩn mạng truyền thông trong công nghiệp phổ biến...................................17
2.5.1.

Truyền thông nối tiếp........................................................................................17

2.5.2.

HART................................................................................................................ 18

2.5.3.

DeviceNet.........................................................................................................20

2.5.4.

Modbus.............................................................................................................21

2.5.5.

Profibus............................................................................................................. 22

2.6. Cảm biến nhiệt độ.................................................................................................23
2.6.1.

Nhiệt điện trở (Resitance temperature detector-RTD).......................................23


2.6.2.

Cặp nhiệt điện (Thermocouple).........................................................................24

2.6.3.

Cảm biến vi mạch bán dẫn đo nhiệt độ.............................................................25

Chương 3. CẤU TRÚC PHẦN CỨNG CỦA HỆ THỐNG....................................27
3.1. Sơ đồ khối hệ thống...............................................................................................27
3.2. Bộ điều khiển........................................................................................................27
3.2.1.

Cấu hình chi tiết................................................................................................28

3.2.2.

Tính năng nổi bật..............................................................................................28

3.3. Khối cảm biến.......................................................................................................29


3.4. Khối điều khiển SSR.............................................................................................31
3.5. Khối điện trở nhiệt................................................................................................32
3.6. Switch TP – LINK TL – SF1005D........................................................................33
3.7. Sơ đồ kết nối phần cứng PLC................................................................................35
3.8. Sơ đồ kết nối 2 PLC với PC..................................................................................36
Chương 4. PHẦN MỀM CỦA HỆ THỐNG............................................................37
4.1. Lập trình cho PLC S7-1200...................................................................................37

4.1.1.

Giới thiệu phần mềm lập trình..........................................................................37

4.1.2.

Cách cài đặt phần mềm.....................................................................................37

4.1.3.

Cách tạo một Project.........................................................................................37

4.2. Cách giao thức Modbus TCP/IP trong TIA Portal S7-1200...................................39
4.3. Chương trình của hệ thống....................................................................................51
4.3.1.

Chương trình CLIENT (CPU 1211 DC/DC/DC)..............................................51

4.3.2.

Chương trình SERVER (CPU 1211 DC/DC/DC)..............................................53

Chương 5. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI.....................56
5.1. Kết quả đạt được...................................................................................................56
5.1.1.

Hình ảnh mơ hình thực tế..................................................................................56

5.1.2.


Giao diện WinCC..............................................................................................56

5.1.3.

Kết quả thực nghiệm.........................................................................................57

5.2. Nhận xét và đánh giá.............................................................................................57
5.3. Kết luận................................................................................................................. 57
5.4. Hướng phát triển...................................................................................................58
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................59


MỤC LỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1. Cánh tay Robot – một ứng dụng của tự động hố..........................................2
Hình 2.2. Một sơ đồ điều khiển vịng hở........................................................................3
Hình 2.3. Bộ điều khiển vịng kín..................................................................................3
Hình 2.4. Xung PWM với các chu kì khác nhau............................................................4
Hình 2.5. Phương pháp điều khiển theo kiểu PWM.......................................................5
Hình 2.6. Cấu trúc bộ điều khiển PID............................................................................6
Hình 2.7. Khâu tỉ lệ bộ điều khiển PID..........................................................................7
Hình 2.8. Khâu tích phân bộ điều khiển PID.................................................................7
Hình 2.9. Khâu vi phân bộ điều khiển PID....................................................................8
Hình 2.10. Các bộ phận của PLC.................................................................................13
Hình 2.11. Board mở rộng SB......................................................................................15
Hình 2.12. Module tín hiệu..........................................................................................15
Hình 2.13. Module truyền thơng..................................................................................16
Hình 2.14. Chu kỳ quét của một PLC..........................................................................17
Hình 2.15. Hệ thống điều khiển dùng truyền thơng nối tiếp........................................18
Hình 2.16. Truyền thơng song song và nối tiếp............................................................18
Hình 2.17. Máy chủ Hart cầm tay................................................................................19

Hình 2.18. Liên kết điểm – điểm.................................................................................20
Hình 2.19. Liên kết đa điểm.........................................................................................20
Hình 2.20.Truyền thơng mạng Profibus.......................................................................22
Hình 2.21. Nhiệt điện trở.............................................................................................23
Hình 2.22. Cặp nhiệt điện............................................................................................24
Hình 2.23. Cảm biến vi mạch bán dẫn.........................................................................25
Hình 2.24. Sơ đồ mạch IC đo nhiệt..............................................................................25
Hình 3.1. Sơ đồ khối hệ thống.....................................................................................27
Hình 3.2. Bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 1212C DC/DC/DC...........................28
Hình 3.3. Cảm biến LM35...........................................................................................30
Hình 3.4. Relay bán dẫn (SSR)....................................................................................31
Hình 3.5. Điện trở nhiệt...............................................................................................32
Hình 3.6. Swith TP - LINK TL – SF1005D.................................................................33
Hình 3.7. Sơ đồ kết nối PLC........................................................................................35
Hình 3.8. Mạch động lực SSR.....................................................................................35
Hình 3.9. Sơ đồ kết nối 2 PLC với PC.........................................................................36


Hình 4.1. Giao diện tạo project mới.............................................................................38
Hình 4.2. Giao diện Main (OB1) lập trình chương trình..............................................38
Hình 4.3. Giao diện thiết kế WinCC............................................................................39


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Bảng lựa chọn phương pháp điều chỉnh.......................................................10
Bảng 2.2. Bảng tác động của việc tăng một thông số độc lập......................................11
Bảng 2.3. Phương pháp Ziegler–Nichols.....................................................................11
Bảng 2.4. Các module mở rộng PLC S7-1200.............................................................14
Bảng 4.1. Ghi chức năng dữ liệu..................................................................................39
Bảng 4.2. Đọc chức năng dữ liệu.................................................................................39

Bảng 4.3. Các thuộc tính trong khối hàm MB_CLIENT..............................................42
Bảng 4.4. Chức năng MB_MODE...............................................................................44
Bảng 4.5. Các thuộc tính trong khối hàm MB_SERVER.............................................47
Bảng 4.6. Các địa chỉ Modbus vào hình ảnh quá trình.................................................48
Bảng 4.7. Kiểu dữ liệu hệ thống TCON_IP_V4 để kết nối với các trạm IPV4............49


Chương 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1.1. Lý do chọn đề tài
Với sự phát triển không ngừng của các nền công nghiệp trên thế giới mà nổi bật là
công nghiệp luyện kim, công nghiệp thực phẩm,… Cốt yếu của các ngành cơng nghiệp
này là làm thế nào để có thể điều khiển được lò nhiệt, lò hơi hay lò nung đạt được
nhiệt độ mong muốn ban đầu để tối ưu hoá sản phẩm đầu ra. Bởi chỉ cần sơ suất nhỏ
trong việc điều khiển hệ thống nhiệt độ là có thể gây ra thiệt hại cực kỳ lớn đối với cơ
sở sản xuất hay công ty. Từ những phương pháp điều khiển sơ khai ban đầu không
đảm bảo được nhiệt độ đầu ra, thì các phương pháp điều khiển cấp cao hơn ra đời mà
nổi bật là điều khiển ON/OFF và đặc biệt là điều khiển bám (PID). Từ đó, trên thị
trường xuất hiện nhiều sản phẩm điều khiển dành riêng cho nhiệt độ như bộ điều khiển
nhiệt độ. Tuy nhiên, với đáp ứng của bộ điều khiển nhiệt độ vẫn chưa đạt được yêu cầu
của người sử dụng, vì vậy việc điều khiển bằng bộ điều khiển logic khả trình PLC là
một sự lựa chọn hợp lý với nhiều ưu điểm nổi bật và được sử dụng rộng rãi trong hầu
hết các ngành công nghiệp trên thế giới bởi sự tiện lợi, ngơn ngữ lập trình đơn giản, dễ
dàng lắp đặt và có nhiều sự lựa chọn cho các ngành công nghiệp khác nhau.
Chỉ điều khiển thôi là chưa đủ, không thể chắc chắn là hệ thống luôn luôn hoạt động
ổn định. Ngoài ra, việc tiếp xúc với nơi làm việc nhiệt độ cao sẽ gây ra những ảnh
hưởng nhất định đến người điều khiển. Do đó, một hệ thống giám sát là điều cần thiết
lúc này với nhiều phương pháp giám sát khác nhau như màn hình HMI, giao diện giám
sát trên máy tính,…
Một điều thuận lợi là càng ngày càng có nhiều thiết bị chấp hành, hoặc thiết bị điều
khiển như PLC, biến tần,…được tích hợp các giao thức mạng như: Profibus, Can,

Modbus,…Từ những giao thức mạng tích hợp có sẵn trên các thiết bị trên. Do đó, đề
tài “Ứng dụng Modbus TCP thu thập tín hiệu và điều khiển nhiệt độ” được em lựa
chọn.
1.2. Mục tiêu
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài “Ứng dụng Modbus TCP thu thập tín hiệu và điều
khiển nhiệt độ” là nắm rõ nguyên lí hoạt động của Modbus TCP, PLC, làm quen với
ngơn ngữ lập trình Tia Portal V15.
1


Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1. Giới thiệu sơ lược về bộ điều khiển và hệ thống tự động hoá
Tự động hóa hoặc điều khiển tự động, là việc sử dụng nhiều hệ thống điều khiển
cho các thiết bị hoạt động như máy móc, xử lý tại các nhà máy, nồi hơi, lò xử lý nhiệt,
chuyển mạch trong mạng điện thoại, chỉ đạo và ổn định của tàu, máy bay và các ứng
dụng khác với con người can thiệp tối thiểu hoặc giảm. Một số quy trình đã được hồn
tồn tự động.
Lợi ích lớn nhất của tự động hóa là nó tiết kiệm lao động, tuy nhiên, nó cũng được
sử dụng để tiết kiệm năng lượng và nguyên vật liệu và nâng cao chất lượng với độ
chính xác cao.
Thuật ngữ "tự động hóa", lấy cảm hứng từ các máy tự động, chưa được sử dụng
rộng rãi trước năm 1947, khi Ford thành lập một bộ phận tự động hóa. Trong thời gian
này ngành công nghiệp đã được áp dụng nhanh chóng điều khiển phản hồi, mà đã
được giới thiệu trong những năm 1930.

Hình 2.1. Cánh tay Robot – một ứng dụng của tự động hố

Tự động hóa đã được thực hiện bằng phương tiện khác nhau bao gồm cơ khí, thủy
lực, khí nén, điện, điện tử và máy tính, thường kết hợp. Các hệ thống phức tạp, chẳng

hạn như các nhà máy hiện đại, máy bay và tàu thường sử dụng tất cả những kỹ thuật
kết hợp.
Về cơ bản trong tự động hóa có 2 kiểu điều khiển vịng lặp: vịng lặp mở (open
loop) và vịng lặp kín (closed loop).
2


Với bộ điều khiển vòng lặp mở, các lệnh từ bộ điều khiển độc lập với đầu ra. ví dụ
dễ hiểu như: Để giữ ấm nhiệt độ trong một tòa nhà, ngườ ta lắp một cái lò sưởi ở trung
tâm, được điều khiển bởi 1 bộ timer. Bộ timer này sẽ điều khiển bật/ tắt lò sưởi theo
thời gian định sẵn lặp đi lặp lại mà không cần biết nhiệt độ trong phịng đang là nóng
hay lạnh.

r 2.2. Một sơ đồ điều khiển vịng hở
Hình

c

Với bộ điều khiển vịng lặp kín, các lệnh từ bộ điều khiển ln phụ thuộc vào giá

Giá trị mong muốn

Giá trị thực tế

trị ở đầu ra. Trong trường hợp lò sưởi bên trên, để giữ nhiệt độ trong phịng ln ổn
định, người ta lắp thêm một cảm biến nhiệt độ. nhờ có phản hồi (feedback) từ cảm
biến mà bộ điều khiển có thể cảm nhận được nhiệt độ trong phịng, từ đó so sánh giữa
nhiệt độ trong phòng và nhiệt độ cần tăng giúp nhiệt độ trong phịng ln ở mức cố
định. Do đó, bộ điều khiển vịng lặp kín, ln có một vịng của tín hiệu phản hồi để
đảm bảo đầu ra theo đúng giá trị đã thiết lập (Set point) còn gọi là giá trị tham chiếu

đầu vào (Reference input). vậy nên, bộ điều khiển vong lặp kín cịn được gọi là bộ
điều khiển có phản hồi.

B
ộCH
điảệ
Sa
GềumNthN
ốn
Hình 2.3. Bộ điều khiển vịng kín
biig
iákh
gõ
iểgõ ON/OFF
2.2. Bộ điều khiển
trịsốến
và
thđnora bộ điều khiển
2.2.1. Giới thiệu
aohệ
hệ
Với nhữngmth
th thống, dây truyền điều khiển hiện nay vẫn chủ yếu là sử dụng phương
đhệ
pháp điều khiển
chốn
ưố ON-OFF. Đây là phương pháp điều khiển đơn giản nhất, tiết kiệm chi
iếợcgn
3
ug



phí nhất, được ứng dụng cho những đối tượng khơng yêu cầu cao về chất lượng điều
khiển. Ví dụ như điều khiển đóng mở trực tiếp các động cơ điện, các van thủy lực, khí
nén, lị nhiệt.
Phương pháp điều khiển theo kiểu ON-OFF chỉ là đóng và ngắt thiết bị tiêu thụ điện
ra khỏi lưới điện. Ví dụ trong một hệ thống ổn định nhiệt độ của một lò nhiệt, sử dụng
phương pháp điều khiển ON-OFF. Khi khởi động hệ thống lò nhiệt, điều khiển lò nhiệt
sang trạng thái ON, sau một thời gian nhiệt độ trong lò nhiệt đạt đến mức ngưỡng. Lúc
đó, chuyển sang trạng thái OFF để cắt nguồn cấp cho lị nhiệt, vì có tính chất trễ nên
sau một khồng thời gian nhiệt độ trong lị giảm xuống, mạch điều khiển chuyến sang
trạng thái ON và cứ tiếp tục q trình như vậy.
Đầu ra sẽ ln ON/OFF và dựa theo giá trị đặt để nhiệt độ điều khiển khơng đổi.
Khi đó cơng suất cấp cho sợi đốt cũng chỉ có 2 giá trị (nghĩa là 100% hoặc 0%). Cho
nên bộ điều khiển tác động ON/OFF còn gọi là bộ điều khiển tác động 2 vị trí.
2.2.2. Thuật toán điều khiển
Đối tượng áp dụng cho phương pháp điều khiển theo kiểu ON-OFF là các động cơ
công suất nhỏ và yêu câu về chất lượng không cao. Các bộ điều khiển logic hiện nay
như các dòng vi điều khiển, các dòng PLC chủ yếu điều khiển theo phương pháp này.
Phương pháp điều khiển theo PWM là phương pháp điều khiển dựa trên nguyên lý
của điều khiển ON-OFF. Điểm khác biệt ở đây là việc đóng mở ON-OFF có chủ định
và tần suất đóng mở trong một chu kỳ rất lớn. Có thể điều chỉnh độ rộng xung theo
cơng thức sau:

TON
�100%
T

T
ON

OFF
Giá trị điều khiển =
.

Hình 2.4. Xung PWM với các chu kì khác nhau

4


Chu kỳ điều khiển trong phương pháp này sẽ là thời gian TON + TOFF, phương pháp
giống như phương pháp điều khiển tỉ lệ.
Khi hoạt động, giá trị đầu vào thấp hơn và nằm ngoài dải tỷ lệ, đầu ra điều khiển sẽ
được ON 100%. Nếu giá trị đầu vào nằm trong dải tỷ lệ, đầu ra điều khiển sẽ tăng
hoặc giảm từ từ tuyến tính với độ sai lệch đầu vào. Nếu độ sai lệch bằng 0 (đầu vào
= SV) thì đầu ra điều khiển sẽ ON 50%. Nếu giá trị đầu vào cao hơn và nằm ngoài
dải tỷ lệ, đầu ra sẽ OFF(ứng với giá trị 0%).

Hình 2.5. Phương pháp điều khiển theo kiểu PWM

2.3. Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (PID)
Bộ điều khiển PID tên tiếng anh là (Proportional Integral Derivative Controller) hay
còn gọi là với tên là điều khiển vi tích phân tỉ lệ, là một bộ điều khiển vịng kín được
sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Sử dụng bộ điều khiển PID để điều chỉnh sai lệch
giữa giá trị đo được của hệ thống (process variable) với giá trị đặt (set point) bằng cách
tính tốn và điều chỉnh giá trị điều khiển ở ngõ ra.
PID là một trong những lý thuyết cổ điển dùng cho điều khiển tuy nhiên nó vẫn
ứng dụng rộng rãi cho đến ngày nay. Hệ điều khiển liên tục rất thường sử dụng bộ điều
khiển PID để điều khiển nhiều loại đối tượng khác nhau chẳng hạn như: nhiệt độ lò
nhiệt, tốc độ động cơ, mực chất lỏng trong bồn chứa… Do nó có khả năng làm triệt
tiêu sai số xác lập, tăng tốc độ đáp ứng quá độ, giảm độ vọt lố nếu các thông số của bộ

điều khiển được lựa chọn thích hợp.

5


Hình 2.6. Cấu trúc bộ điều khiển PID

Cơng thức bộ điều khiển PID:
U=KP.e(t) + KI.(ʃ e(t)dt) + KD[de(t)/dt]

(1)

Trong đó:
 Setpoint: tín hiệu đặt (tín hiệu mong muốn đạt được).
 Error: sai số giảm tín hiệu thực tế và tín hiệu đặt.
 Output: ngõ ra hệ thống
2.3.1. Các thông số bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID sẽ bao gồm ba khâu tương ứng với ba thơng số chính:
- Khâu tỉ lệ (Proportional) KP.
- Khâu tích phân (Integration) KI.
- Khâu vi phân (Derivative) KD.
Nếu chọn các thông số này phù hợp (tín hiệu đặt và tín hiệu thực tế trùng nhau) thì
hệ thống sẽ hoạt động tốt, ổn định.
 Khâu tỉ lệ (Proportional)

Hàm truyền: K(s) = KP.
Đặt tính thời gian: Y(s) = KP.G(s).E(s)
Sai số hệ thống: E(s) = R(s)/[1+G(s).H(s).KP]

6



r(t)

e(t)

u(t) khiển PID
Hình 2.7. Khâu tỉ lệ bộ điều

y(t)

Chú ý:
-

càng lớn thì tốc độ đáp ứng càng nhanh.

-

càng lớn thì sai số xác lập càng nhỏ (nhưng không thể triệt tiêu).

-

càng lớn thì các cực của hệ thống có xu hướng di chuyển ra xa trục thực

=> Hệ thống càng dao động và độ vọt lố càng cao.
Nếu tăng quá giá trị giới hạn thì hệ thống sẽ mất ổn định.
 Khâu tích phân (Integration)
Hàm truyền: K(s) =KI/s
Đặt tính thời gian: Y(s) = KI.G(s).E(s)/s.
Sai số hệ thống: E(s) = s.R(s)/[s+G(s).H(s).KI]


r(t)

e(t)

y(t)

u(t)bộ điều khiển PID
Hình 2.8. Khâu tích phân

Chú ý:
- Tín hiệu ngõ ra được xác định bởi sai số.
-

càng lớn thì đáp ứng quá độ càng chậm.

-

càng lớn thì sai số xác lập càng nhỏ. Hệ số khuếch đại của khâu tích phân sẽ

bằng vơ cùng khi tần số bằng 0 => triệt tiêu sai số xác lập với hàm nấc.
7


-

càng lớn thì độ vọt lố càng cao

 Khâu vi phân (Derivative)
Hàm truyền: K(s) =KD.s

Đặt tính thời gian: Y(s) =KD.G(s).E(s).s.
Sai số hệ thống: E(s) = R(s)/[s+G(s).H(s).KD]

r(t)

e(t)

u(t)khiển PID
Hình 2.9. Khâu vi phân bộ điều

y(t)

Chú ý:
- KD càng lớn thì đáp ứng quá độ càng nhanh.
- KD càng lớn thì độ vọt lố càng nhỏ.
Hệ số khuếch đại tần số cao là vô cùng lớn nên khâu hiệu chỉnh D rất nhạy với
nhiễu tần số cao.
 Các phương pháp tìm thơng số PID (KP, KI, KD)
- Có rất nhiều phương pháp để tìm thơng số PID như:
 Phương pháp Ziegler – Nichols.
 Phương pháp Cohen – Coon.
 Phương pháp Tyreus – Luyben.
 Phương pháp Autotune.
Và phương pháp phổ biến nhất để chọn được thông số cho các bộ điều khiển PID
hiện nay đó là phương pháp Ziegler – Nichols.
2.3.2. Điều chỉnh vịng lặp
Điều chỉnh một vòng điều khiển là điều chỉnh các thơng số điều khiển của nó (độ
lợi/dải tỉ lệ, độ lợi tích phân/reset, độ lợi vi phân/tốc độ) tới giá trị đáp ứng điều khiển
tối ưu. Độ ổn định (dao động biên) là một yêu cầu căn bản, nhưng ngoài ra, các hệ
thống khác nhau, có những hành vi khác nhau, những ứng dụng khác nhau có những

yêu cầu khác nhau, và vài yêu cầu lại mâu thuẫn với nhau. Hơn nữa, vài q trình có
8


một mức độ phi tuyến nào đấy khiến các thông số làm việc tốt ở điều kiện đầy tải sẽ
không làm việc khi q trình khởi động từ khơng tải; điều này có thể khắc phục
bằng chương trình độ lợi (sử dụng các thông số khác nhau cho những khu vực hoạt
động khác nhau). Các bộ điều khiển PID thường cung cấp các điều khiển có thể chấp
nhận được thậm chí khơng cần điều chỉnh, nhưng kết quả nói chung có thể được cải
thiện bằng cách điều chỉnh kỹ lưỡng, và kết quả có thể khơng chấp nhận được nếu điều
chỉnh kém.
Điều chỉnh PID là một bài tốn khó, ngay cả khi chỉ có 3 thơng số và về ngun tắc
là dễ miêu tả, bởi vì nó phải thỏa mãn các tiêu chuẩn phức tạp nằm trong những hạn
chế của điều khiển PID. Vì vậy có nhiều phương pháp khác nhau để điều chỉnh vòng
lặp, và các kỹ thuật phức tạp hơn là đề tài cho nhiều phát minh sáng chế; phần này
miêu tả vài phương pháp thủ công truyền thống để điều chỉnh vòng lặp.
- Độ ổn định:
Nếu các thông số của bộ điều khiển PID (độ lợi của khâu tỉ lệ, tích phân và vi phân)
được chọn sai, đầu vào q trình điều khiển có thể mất ổn định, vì các khác biệt đầu ra
của nó, có hoặc khơng có dao động và được giới hạn chỉ bởi sự bảo hịa hoặc đứt gãy
cơ khí. Sự khơng ổn định được gây ra bởi sự dư thừa độ lợi, nhất là khi xuất hiện độ
trễ lớn.
Nói chung, độ ổn định của đáp ứng (ngược với độ bất định) phải thỏa mãn và q
trình phải khơng được dao động vì bất kỳ sự kết hợp nào giữa các điều khiện q trình
và điểm đặt, mặc dù đơi khi ổn định biên có thể được chấp nhận hoặc yêu cầu.
- Tổng quan các phương pháp:
Có nhiều phương pháp khác nhau để điều chỉnh vòng lặp PID. Những phương pháp
hữu hiệu nhất thường bao gồm những triển khai của vài dạng mô hình xử lý, sau đó
chọn P, I, và D dựa trên các thơng số của mơ hình động học. Các phương pháp điều
chỉnh thủ công tương đối không hiệu quả lắm, đặc biệt nếu vịng lặp có thời gian đáp

ứng được tính bằng phút hoặc lâu hơn.
Lựa chọn phương pháp thích hợp sẽ phụ thuộc phần lớn vào việc có hay khơng
vịng lặp có thể điều chỉnh "offline", và đáp ứng thời gian của hệ thống. Nếu hệ thống
có thể thực hiện offline, phương pháp điều chỉnh tốt nhất thường bao gồm bắt hệ thống
thay đổi đầu vào từng bước, tín hiệu đo lường đầu ra là một hàm thời gian, sử dụng
đáp ứng này để xác định các thông số điều khiển.
9


Bảng 2.1. Bảng lựa chọn phương pháp điều chỉnh
Phương pháp
Điều chỉnh thủ
cơng

Ziegler–Nichols

Ưu điểm

Khuyết điểm

Khơng cần hiểu biết về tốn.

u cầu nhân viên có kinh

Phương pháp online.

nghiệm.

Phương pháp chứng minh.
Phương pháp online.


làm rối loạn quá trình, một số
thử nghiệm và lỗi, phải điều
chỉnh nhiều lần

Điều chỉnh chắc chắn. Phương
pháp online hoặc offline. Có
Các cơng cụ
phần mềm

thể bao gồm phân tích các van
và cảm biến. Cho phép mô

Giá cả cao, và phải huấn luyện.

phỏng trước khi tải xuống để
thực thi.
Cohen-Coon

Xử lý các mơ hình tốt.

u cầu kiến thức tốn học.
Phương pháp offline. Chỉ tốt
đối với các quá trình bậc một.

- Điều chỉnh thủ cơng:
Nếu hệ thống phải duy trì trạng thái online, một phương pháp điều chỉnh là thiết đặt
giá trị đầu tiên của KI và KD bằng không. Tăng dần KP cho đến khi đầu ra của vòng điều
khiển dao động, sau đó KP có thể được đặt tới xấp xỉ một nửa giá trị đó để đạp đạt được
đáp ứng "1/4 giá trị suy giảm biên độ". Sau đó tăng KI đến giá trị phù hợp sao cho đủ

thời gian xử lý. Tuy nhiên, KI quá lớn sẽ gây mất ổn định. Cuối cùng, tăng K D , nếu cần
thiết, cho đến khi vịng điều khiển nhanh có thể chấp nhận được nhanh chóng lấy lại
được giá trị đặt sau khi bị nhiễu. Tuy nhiên, KD quá lớn sẽ gây đáp ứng dư và vọt lố.Một
điều chỉnh cấp tốc của vịng điều khiển PID thường hơi q lố một ít khi tiến tới điểm
đặt nhanh chóng; tuy nhiên, vài hệ thống không chấp nhận xảy ra vọt lố, trong trường
hợp đó, ta cần một hệ thống vịng kín giảm lố, thiết đặt một giá trị KP nhỏ hơn một nửa
giá trị KP gây ra dao động.
Bảng 2.2. Bảng tác động của việc tăng một thông số độc lập
Thông số

Thời gian

Quá độ

Thời gian

Sai số ổn định

Độ ổn
10


khởi động

xác lập
Thay đổi

KP

Giảm


Tăng

KI

Giảm

Tăng

Tăng

KD

Giảm ít

Giảm ít

Giảm ít

nhỏ

định
Giảm

Giảm cấp

Giảm đáng kể

Giảm cấp


Về lý thuyết không

Cải thiện

tác động

nếu nhỏ

- Phương pháp Ziegler–Nichols:
Một phương pháp điều chỉnh theo kinh nghiệm khác là phương pháp Ziegler Nichols, được đưa ra bởi John G. Ziegler và Nathaniel B. Nichols vào những năm
1940. Giống phương pháp trên, độ lợi KI và KD lúc đầu được gán bằng khơng. Độ
lợi P được tăng cho đến khi nó tiến tới độ lợi tới hạn, Ku, ở đầu ra của vòng điều khiển
bắt đầu dao động. và thời gian dao động được dùng để gán độ lợi như sau:
Bảng 2.3. Phương pháp Ziegler–Nichols
Dạng điều khiển
P
PI
PID

0.5 .Ku
0.45 . Ku
0.6 . Ku

1.2 Kp/Pu
0.5 Kp/Pu

KpPu/ 8

- Phần mềm điều chỉnh PID:
Hầu hết các ứng dụng cơng nghiệp hiện đại khơng cịn điều chỉnh vịng điều khiển

sử dụng các phương pháp tính tốn thủ cơng như trên nữa. Thay vào đó, phần mềm
điều chỉnh PID và tối ưu hóa vịng lặp được dùng để đảm báo kết quả chắc chắn.
Những gói phần mềm này sẽ tập hợp dữ liệu, phát triển các mô hình xử lý, và đề xuất
phương pháp điều chỉnh tối ưu. Vài gói phần mềm thậm chí cịn có thể phát triển việc
điều chỉnh bằng cách thu thập dữ liệu từ các thay đổi tham khảo.
Điều chỉnh PID bằng toán học tạo ra một xung trong hệ thống, và sau đó sử dụng
đáp ứng tần số của hệ thống điều khiển để thiết kế các giá trị của vòng điều khiển PID.
Trong những vịng lặp có thời gian đáp ứng kéo dài nhiều phút, nên chọn điều chỉnh
bằng toán học, bởi vì việc thử sai thực tế có thể kéo dài nhiều ngày để tìm điểm ổn
định cho vịng lặp. Giá trị tối ưu thì khó tìm hơn. Vài bộ điều khiển số cịn có chức
năng tự điều chỉnh, trong đó những thay đổi rất nhỏ của điểm đặt cũng được gửi tới
quá trình, cho phép bộ điều khiển tự mình tính tốn giá trị điều chỉnh tối ưu.

11


Các dạng điều chỉnh khác cũng được dùng tùy theo tiêu chuẩn đánh giá kết quả
khác nhau. Nhiều phát minh hiện nay đã được nhúng sẵn vào trong các module phần
mềm và phần cứng để điều chỉnh PID.
2.4. Bộ điều khiển logic khả trình PLC
2.4.1. Giới thiệu về PLC S7-1200
Bộ điều khiển logic khả trình (PLC) S7-1200 mang lại tính linh hoạt và sức
mạnh để điều khiển nhiều thiết bị đa dạng hỗ trợ 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 S71200 trở thành một giải pháp hoàn hảo dành cho việc điều khiển nhiều ứng dụng đa
dạng khác nhau.
Kết hợp một bộ vi xử lý, một bộ nguồn tích hợp, các mạch ngõ vào và mạch
ngõ ra trong một kết cấu thu gọn, CPU trong S7-1200 đã tạo ra một PLC mạnh mẽ.
Sau khi người dùng tải xuống một chương trình, CPU sẽ chứa mạch logic được yêu
cầu để giám sát và điều khiển các thiết bị nằm trong ứng dụng. CPU giám sát các ngõ
vào và làm thay đổi ngõ ra theo logic của chương trình người dùng, có thể bao gồm

các hoạt động như logic Boolean, việc đếm, định thì, các phép tốn phức hợp và việc
truyền thơng với các thiết bị thơng minh khác.
Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ việc truy xuất đến cả CPU và chương
trình điều khiển:
- Mỗi CPU cung cấp một sự bảo vệ bằng mật khẩu cho phép người dùng cấu hình
việc truy xuất đến các chức năng của CPU.
- Người dùng có thể sử dụng chức năng “know-how protection” để ẩn mã nằm
trong một khối xác định. CPU cung cấp một cổng PROFINET để giao tiếp qua một
mạng PROFINET các mạng RS232 hay RS485.

12


Hình 2.10. Các bộ phận của PLC

 Bộ phận kết nối nguồn.
 Các bộ phận kết nối nối dây của người dùng có thể tháo được (phía sau các
nắp che) và khe cắm thẻ nhớ nằm dưới cửa phía trên .
 Các LED trạng thái dành cho I/O tích hợp.
 Bộ phận kết nối PROFINET (phía trên của CPU. Các kiểu CPU khác nhau
cung cấp một sự đa dạng các tính năng và dung lượng giúp cho người dùng tạo
ra các giải pháp có hiệu quả cho nhiều ứng dụng khác nhau.
2.4.1.1. Các thông số cơ bản PLC Siemens S7-1200
Bảng 2.4 Bảng thơng số PLC Siemens s7-1200
Chức năng
Kích thước vật lý (mm)

CPU 1211C

CPU 1212C


CPU 1214C

90 x 100 x 75

110 x 100 x 75

Bộ nhớ làm việc

25 kB

50 kB

Bộ nhớ nạp

1 MB

2 MB

Bộ nhớ giữ lại

2 kB

2 kB

6 ngõ vào/4 ngõ ra 8 ngõ vào/6 ngõ ra

14 ngõ vào/

Bộ nhớ người dùng:


I/O tích hợp cục bộ
Kiểu số

10 ngõ ra
Kiểu tương tự
Kích thước ảnh tiến trình

2 ngõ ra

2 ngõ ra

2 ngõ ra

1024 byte ngõ vào (I) và 1024 byte ngõ ra (Q)

13


Bộ nhớ bit (M)

4096 byte

Độ mở rộng các module
tín hiệu

Khơng

8192 byte
2


8

Bảng tín hiệu

1

Các module truyền thơng

3 (mở rộng về bên trái)

Các bộ đếm tốc độ cao
Đơn pha

Vuông pha

3

4

6

3 tại 100 kHz

3 tại 100 kHz

3 tại 100 kHz

1 tại 30 kHz


3 tại 30 kHz

3 tại 80 kHz
1 tại 20 kHz

3 tại 80 kHz
3 tại 20 kHz

3 tại 80 kHz

Các ngõ ra xung

2

Thẻ nhớ

Thẻ nhớ SIMATIC (tùy chọn)

Thời gian lưu giữ đồng
hồ

Thông thường 10 ngày / ít nhất 6 ngày tại 400C

thời gian thực
PROFINET

1 cổng truyền thơng Ethernet

Tốc độ thực thi tính toán
thực


18 μs/lệnh

Tốc độ thực thi Boolean

0,1 μs/lệnh

Họ S7-1200 cung cấp một số lượng lớn các module tín hiệu và bảng tín hiệu để mở
rộng dung lượng của CPU. Người dùng cịn có thể lắp đặt thêm các module truyền
thơng để hỗ trợ các giao thức truyền thông khác.
Bảng 2.4. Các module mở rộng PLC S7-1200

Module
Module
tín hiệu
(SM)

Kiểu số

Chỉ ngõ vào
8 x DC In

16 x DC In

Chỉ ngõ ra

Kết hợp In/Out

8 x DC Out


8 x DC In / 8 x DC Out

8 x Relay Out

8 x DC In / 8 x Relay Out

16 x DC Out

16 x DC In / 16 x DC Out

16 x Relay Out

16 x DC In / 16 x Relay Out

14


Kiểu tương 4 x Analog In 2 x Analog In
tự
Bảng tín
hiệu
(SB)

Kiểu số

4 x Analog In / 2 x Analog

8 x Analog In

4 x Analog In


Out

_

_

2 x DC In / 2 x DC Out

1 x Analog In

_

Kiểu tương
_
tự

Module truyền thơng (CM)
•

RS485

•

RS232

2.4.1.2. Các bảng tín hiệu
Một bảng tín hiệu (SB) cho phép người dùng thêm vào I/O cho CPU. Người dùng
có thể thêm một SB với cả I/O kiểu số hay kiểu tương tự. SB kết nối vào phía trước
của CPU. SB với 4 I/O kiểu số (ngõ vào 2 x DC và ngõ ra 2 x DC), SB với 1 ngõ ra

kiểu tương tự.

Hình 2.11. Board mở rộng SB

 Các LED trạng thái trên SB
 Bộ phận kết nối nối dây của người dùng có thể tháo ra.
2.4.1.3. Các module tín hiệu
Người dùng có thể sử dụng các module tín hiệu để thêm vào CPU các chức năng.
Các module tín hiệu kết nối vào phía bên phải của CPU.

15


Hình 2.12. Module tín hiệu

 Các LED trạng thái dành cho I/O của module tín hiệu
 Bộ phận kết nối đường dẫn
 Bộ phận kết nối nối dây của người dùng có thể tháo ra
2.4.1.4. Các module truyền thơng
Họ S7-1200 cung cấp các module truyền thông (CM) dành cho các tính năng bổ
sung vào hệ thống. Có 2 module truyền thông: RS232 và RS485.
CPU hỗ trợ tối đa 3 module truyền thơng.Mỗi CM kết nối vào phía bên trái của
CPU (hay về phía bên trái của một CM khác).

Hình 2.13. Module truyền thông

 Các LED trạng thái dành cho module truyền thông
 Bộ phận kết nối truyền thông
2.4.1.5. Nguyên lý hoạt động PLC S7-1200
Bộ vi xử lý sẽ lần lượt quét các trạng thái của đầu vào và các thiết bị phụ trợ, thực

hiện điều khiển logic được đặt ra bởi chương trình ứng dụng, thực hiện các tính tốn
và điều khiển các đầu ra tương ứng của PLC. Các PLC thế hệ cuối cho phép thực hiện

16


các phép tính số học và các phép tính logic, bộ nhớ lớn hơn, tốc độ xử lý cao hơn và
có trang bị giao diện với máy tính, với mạng nội bộ,…
Bộ vi xử lý điều khiển chu kỳ làm việc của chương trình. Chu kỳ này được gọi là
chu kỳ quét của PLC, tức là khoảng thời gian thực hiện xong một vịng các lệnh của
chương trình điều khiển. Chu kỳ quét được minh họa ở hình sau:

Hình 2.14. Chu kỳ quét của một PLC

Khi thực hiện quét các đầu vào, PLC kiểm tra tín hiệu từ các thiết bị vào như cơng
tắt, cảm biến,…Trạng thái của tín hiệu vào được lưu tạm thời vào một mảng nhớ.
Trong thời gian quét chương trình, bộ xử lý quét lần lượt các lệnh của chương trình
điều khiển, sử dụng các trạng thái của tín hiệu vào trong mảng nhớ để xác định các đầu
ra đáp ứng hay không. Kết quả là các trạng thái của đầu ra được ghi vào mảng nhớ,
PLC sẽ cấp hoặc ngắt điện cho các mạch ra để điều khiển các thiết bị ngoại vi. Chu kỳ
quét của PLC có thể kéo dài từ 1 đến 25ms. Thời gian quét đầu vào và đầu ra thường
ngắn so với chu kỳ quét của PLC.
2.5. Các chuẩn mạng truyền thông trong công nghiệp phổ biến
2.5.1. Truyền thông nối tiếp
Trong viễn thông và truyền dữ liệu, truyền thông nối tiếp (tiếng Anh: serial
communication) là quá trình gử dữ liệu tuần tự theo từng bit, qua một kênh truyền
thông hoặc bus máy tính. Q trình truyền thơng nối tiếp trái ngược với truyền thơng
song song, trong đó một số bit được gửi toàn bộ và cùng lúc, trên một liên kết gồm
nhiều kênh song song. Truyền thông nối tiếp được sử dụng cho tất cả truyền thông
đường dài và là hệ thống giao tiếp cơ bản cho mọi bộ điều khiển như PLC. Giao thức

17