nghiên cứu, thiết kế phần mềm mô phỏng các quá trình sản xuất tự động...
Post on 29-Jul-2015
223 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011
VCCA-2011
Nghiên cứu, thiết kế phần mềm mô phỏng các quá trình sản xuất tự động
phục vụ trong giảng dạy và nghiên cứu khoa học
Ngô Đình Thanh, Đoàn Quang Vinh, Trần Thái Anh Âu
Trường ĐHBK Đà Nẵng
e-Mail: ndthanh2005@yahoo.com, dqvinh@dut.edu.vn, tranthaianhau2001@yahoo.com
Tóm tắt AUTOSIM là sự kết hợp linh hoạt giữa phần mềm
mô phỏng tự viết và thiết bị ảo PLCSIM [2] của hãng
Siemens đã biến máy tính thành một bàn thí nghiệm
ảo hoàn toàn và có thể thay thế bàn thí nghiệm đào
tạo về PLC S7-300 của Siemens. AUTOSIM tích hợp
một thư viện các bài tập về điều khiển, giám sát quá
trình tự động từ đơn giản đến phức tạp như: hệ thống
làm mát, thông gió; cửa tự động; giám sát các xilô
chứa liệu; hệ thống đèn giao thông thành phố.... và dễ
dàng mở rộng thêm các bài tập.
Abstract: AUTOSIM is a software which can
connect with virtual PLCSIM of Siemens in a flexible
manner to make a computer work as a virtual machine
for training PLC S7-300. This is a solution to replace
PLC S7-300 trainning Kit of Siemens. AUTOSIM
integrate a library of exercises about control,
supervisor of processing control from easy to difficult
way. There are cooling systems, auto door, supervisor
of silo, traffic light in a city … and easy to develop
the library.
1. Đặt vấn đề Ngày nay khó có thể tìm thấy lĩnh vực nào mà không
sử dụng công cụ mô phỏng và mô hình hoá dưới
nhiều góc độ khác nhau. Đặc biệt là trong lĩnh vực kỹ
thuật bởi suy cho cùng quá trình điều khiển là quá
trình thu nhận thông tin từ hệ thống, phân tích, nhận
dạng hệ thống để chọn lựa giải pháp điều khiển thích
hợp, tương thích với hệ thống ấy. Có lẽ chính vì thế,
mô phỏng và mô hình hoá đã trở thành công cụ đắc
lực cho các cán bộ nghiên cứu, cán bộ kỹ thuật để giải
các bài toán kỹ sư.
Nắm bắt được xu thế đó, nhiều phần mềm mô phỏng
của nước ngoài đã ra đời như : LADSIM (Ladder
Logic Editor and Programmable Logic Controller
Simulator) của hãng Bytronic; SIMSCRIPT với nhiều
phiên bản khác nhau; SIMPLE ++ (Simulation
Production Logistics Engineering Design) và các
ngôn ngữ mô phỏng khác như SIGMA, SLAM,
MODSIM, AUTOMOD ... Hiện nay, những nhà máy
lớn như nhà máy điện, lọc dầu, xi măng đều có các
phần mềm mô phỏng đi kèm với thiết bị mô phỏng
dùng trong huấn luyện vận hành cũng như tìm lờigiải
của bài toán chế độ vận hành tối ưu. Trong lĩnh vực
giao thông vận tải cũng có các phần mềm mô hình
hoá hệ thống lái máy bay, tàu thuỷ, ôtô .... Có rất
nhiều phần mềm mô phỏng như thế đã đem lại như
nhiều lợi ích đáng kể như : tiết kiệm được thời gian và
nguồn kinh phí khổng lồ cho việc nghiên cứu, thiết
kế, chế tạo cũng như công tác đào tạo huấn luyện vận
hành hệ thống. Có thể nói so với hệ thực thì phần
mềm mô phỏng là kinh tế hơn nhiều, nhưng đối với
một trường đại học ở Việt Nam thì việc mua một phần
mềm mô phỏng một dây chuyền sản xuất tự động
trang bị cho nhiều máy tính thì có vẻ như không khả
thi bởi giá thành quá lớn. Vậy tại sao, chúng ta không
tự viết phần mềm với tính năng tương đương trong
khi chúng ta có thể làm được điều đó.
2. Quá trình nghiên cứu bằng phương
pháp mô phỏng Hiện nay, tại phòng thí nghiệm Tự động hoá-Đo
lường – Trường ĐHBK Đà Nẵng có hai bàn thí
nghiệm đào tạo PLC S7-300, với số lượng như thế thì
không thể đáp ứng được yêu cầu thí nghiệm của hơn
500 sinh viên với mỗi khoá của khoa Điện. Xuất phát
từ thực tế đó, phần mềm AUTOSIM (viết trên ngôn
ngữ lập trình hướng đối tượng Delphi[4]) đã ra đời
nhằm phục vụ tốt hơn trong công tác nghiên cứu và
đào tạo của khoa Điện.
Khi nghiên cứu trên hệ thống thực gặp khó khăn do
nhiều nguyên nhân gây ra như :
Giá thành nghiên cứu hệ thống thực quá đắt.
H. 1 Bàn thí nghiệm đào tạo lập trình PLC S7-300
của SIEMENS
633
Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011
VCCA-2011
Nghiên cứu trên hệ thực đòi hỏi thời gian quá
dài
Nghiên cứu trên hệ thống thực ảnh hưởng đến
sản xuất hoặc gây nguy hiểm cho người và thiết
bị.
Trong một số trường hợp không cho phép làm
thực nghiệm trên hệ thống thực.
Bên cạnh những lợi ích về kinh tế mà phần mềm mô
phỏng mang lại thì nó còn có những ưu điểm:
Phương pháp mô hình hoá cho phép đánh giá độ
nhạy của hệ thống khi thay đổi thông số hay cấu
trúc của hệ thống cũng như đánh giá phản ứng
của hệ thống khi thay đổi tín hiệu điều khiển.
Phương pháp mô hình hoá hệ thống cho phép
nghiên cứu trên hệ thống ngay cả khi chưa có hệ
thống thực.
Trên cơ sở hệ thống thực ta tiến hành mô hình hoá đối
tượng tức là xây dựng mô hình mô phỏng. Khi có mô
hình mô phỏng sẽ tiến hành làm các thực nghiệm để
thu được kết quả mô phỏng. Thông thường kết quả
mô phỏng có tính trừu tượng của toán học nên phải
thông qua xử lý kết quả mô phỏng chúng ta mới thu
được các thông tin, kết luận về hệ thực. Sau đó dùng
các thông tin và kết luận trên để hiệu chỉnh hệ thực
theo mục đích nghiên cứu đề ra ban đầu. Quá trình
nghiên cứu có thể tổng quát hoá qua sơ đồ sau:
3. Giới thiệu về S7 - PLC SIM Chương trình S7-PLC SIM (PLC-SIMULATION:
chương trình mô phỏng cho thiết bị điều khiển khả
trình PLC) là một phần mềm dùng để hỗ trợ mô
phỏng cho SIMATIC S7 do hãng SIEMENS AG
(CHLB Đức) sản xuất. Đây là một chương trình hỗ
trợ luôn đi kèm với chương trình SIMATIAC S7 vì
trên thực tế giá thành của một bộ SIMATIC S7 khá
cao nên không phải người sử dụng nào quan tâm đến
thiết bị điều khiển khả trình PLC cũng có khả năng tự
trang bị. Điều này gây khó khăn không nhỏ đối với
người sử dụng, bởi vì người sử dụng chỉ có thể sử
dụng chương trình SIMATIC S7 trên máy tính cá
nhân nhưng trên thực tế đôi khi còn nhiều trở ngại.
Do đó, để khắc phục những khó khăn trên thì hãng
SIEMEMS AG đã sản xuất và đưa ra thị trường phần
mềm S7-PLC SIM[2] nhằm mục đích hỗ trợ cho
người sử dụng chương trình SIMATIC S7 có điều
kiện thuận lợi trong việc thực hiện các chương trình
PLC và có thể quan sát sự mô phỏng trên S7-PLC
SIM. Điều này giúp cho người sử dụng có thể kiểm
tra được chương trình PLC đã viết và có thể hình
dung được chương trình trên thực tế.
Chương trình phần mềm S7-PLC SIM cho phép người
sử dụng chạy và kiểm tra chương trình của họ trên mô
phỏng của thiết bị điều khiển khả trình PLC,mà
chương trình đó có trong máy tính cá nhân hay là
chương trình được thiết kế (như là trên PG 740).
Người sử dụng không cần có sự kết nối với phần cứng
S7 (CPU hay các ngõ vào/ra) bởi vì chương trình mô
phỏng có đầy đủ trong phần mềm STEP 7. Với
chương trình mô phỏng S7-PLC SIM, người sử dụng
có thể kiểm tra và tháo gỡ các chương trình của cả S7-
300 , S7-400.
S7-PLC SIM cung cấp các cửa sổ quan sát đơn giản
và cho phép thay đổi các thông số khác nhau của
chương trình (như là các ngõ vào tắt hay bật). Người
sử dụng có thể sử dụng các sự kết nối khác nhau của
phần mềm STEP 7 trong khi đang chạy chương trình
của họ trên mô phỏng PLC. Nó cho phép người sử
dụng dùng các công cụ như là cho phép chọn các cửa
sổ quan sát và thay đổi các cách quan sát khác.
4. Giới thiệu phần mềm AUTOSIM Phần mềm AUTOSIM được viết trên ngôn ngữ
Delphi phiên bản 7.0 là công cụ để mô phỏng các hệ
thống tự động trong đời sống và trong công nghiệp.
Việc tạo giao diện mô hình hoá hệ hệ thống tự động
bằng các hình ảnh động 3D trực quan, thể hiện đúng
mô hình thực tế, tạo cảm giác cho người sử dụng như
đang làm việc trên một hệ thống thực.
Phần mềm liên kết chặt chẽ với chương trình mô
phỏng cho thiết bị điều khiển khả trình PLC : S7-PLC
SIM của Siemens, cộng hoà liên bang Đức sản xuất.
Người sử dụng có thể đồng thời điều khiển,quan sát
được quá trình hoạt động của thiết bị trên AUTOSIM
và kiểm chứng kết quả trên thiết bị ảo S7-PLC SIM
rất tiện lợi.
Cửa sổ giao diện này được xem như trung tâm điều
khiển của chương trình AUTOSIM và được chia làm
3 phần nhỏ: trình đơn, thanh toolbar và thanh tình
trạng.
Tương tự như các trình ứng dụng Windows khác, bạn
sử dụng trình đơn để kết nối, ngắt nối và thoát; trình
đơn bài tập để chọn các bài tập; hay trình đơn trợ giúp
để xem tài liệu hướng dẫn.
Thanh toolbar là nơi chứa các nút nhấn tắt thay thế
cho những mục chọn ở trên trình đơn chương trình,
bài tập, và trợ giúp. Khi bạn di chuyển chuột lên từng
nút nhấn, Delphi sẽ hiển thị một thông điệp nhỏ gọi là
ToolTip cho biết chức năng cụ thể của nút nhấn.
Thanh tình trạng hiển thị thông báo tình trạng hay lỗi
kết nối với thiết bị ảo S7-PLCSIM và hiển thị giờ hệ
thống.
H. 2 Quá trình nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng
634
Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011
VCCA-2011
H. 3 Giao diện bài tập điều khiển cửa tự động
Các bước để thực hiện một bài tập mô phỏng
Bước 1: bạn phải mở chương trình SIMATIC
manager, sau đó soạn thảo bài tập trên trình soạn
thảo LAD/STL/FBD:
Sau khi viết xong bài tập yêu cầu ( như đèn giao
thông, điều khiển cửa tự động, trạm trộn ...), bạn tải
bài tập xuống thiết bị PLC ảo (để PLC ảo ở chế độ
Stop).
Bước 2: bật PLC ảo sang chế độ Run rồi chạy
chương trình AUTOSIM và làm theo trình tự sau :
1. Chọn nút nhấn Kết nối trên thanh Toolbar hay
chọn trình đơn Chương trình chọn kết nối.
Nếu kết nối thành công thì hiển thị thông báo
và đèn xanh trên thanh Toobar sẽ sáng và nếu
kết nối không thành công thì đèn đỏ.
2. Chọn bài tập mô phỏng tương ứng với bài tập
logic đã làm ở bước 1.
Thực hiện điều khiển xem việc lập trình logic ở
bước 1 có đúng không, nếu đúng thì xem như đã
hoàn thành bài tập và tiếp tục với bài tập khác.
5. Giới thiệu các bài tập mô phỏng
635
Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011
VCCA-2011
Bài 1 : Điều khiển cửa tự động
Mô hình mô phỏng:
Nguyên lý hoạt động:
Nhấn nút lên thì cửa đi lên khi đến cảm biến giới
hạn trên thì cho dừng cửa, nếu cửa vượt quá cảm
biến giới hạn trên thì sẽ nguy hiểm cho động cơ.
Nhấn nút xuống thì cửa đi xuống khi đến cảm biến
giới hạn dưới thì cho dừng cửa, nếu cửa vượt quá
cảm biến giới hạn dưới thì sẽ nguy hiểm cho động
cơ.
Có thể dừng cửa ở bất kì vị trí yêu cầu nào trong
khoảng giới hạn bởi hai cảm biến trên và dưới.
Nút dừng cũng đồng thời là nút nhấn reset hệ thống.
Khi cửa đang đi lên thì không thể chuyển đột ngột
sang chế độ đi xuống mà phải nhấn nút dừng rồi
mới thay đổi hướng chuyển động của cửa.
- Lập giản đồ thời gian
- Phân công vào ra
- Soạn thảo chương trình điều khiển cho PLC
S7-300
Bài 2: Điều khiển đèn giao thông
Nguyên lý hoạt động:
Công tắc Tắt/Mở dùng để đóng ngắt mạch điện.
Công tắc Ngày/Đêm dùng để lựa chọn một trong
hai chế độ :
Ngày: ví dụ hoạt động theo sơ đồ thời gian
0 25 30 50
ÑEØN VAØNG 1
ÑEØN ÑOÛ 1
ÑEØN XANH 1
t/s
ÑEØN XANH 2
ÑEØN VAØNG 2
ÑEØN ÑOÛ 2
55
Đèn Xanh tuyến 1 và tuyến 2 sáng trong 25s.
Đèn Vàng của 2 tuyến sáng trong 5s.
Đèn Đỏ của 2 tuyến sáng trong 30s.
b. Đêm: các đèn Xanh và Đỏ của cả hai tuyến đều
tắt,đèn Vàng hai tuyến sáng nhấp nháy.
Mô hình mô phỏng:
Bài 3 : Điều khiển quạt
Mô hình mô phỏng :
Nguyên lý hoạt động :
Quạt được điều khiển theo 3 cấp tốc độ khác nhau
Việc điều khiển giống như quạt điện (Các nút nhấn
có 2 trạng thái).
Hiển thị được chiều quay của quạt : quay cùng
chiều kim đồng hồ hay ngược chiều kim đồng hồ.
Có thể thay đổi chiều quay của quạt khi đang hoạt
động.
Lập giản đồ thời gian
Phân công vào ra
Soạn thảo chương trình điều khiển cho PLC S7-300
Bài 4: Điều khiển, giám sát Xilô chứa liệu
636
Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011
VCCA-2011
Mô hình mô phỏng:
Nguyên lý hoạt động:
Hệ thống chỉ được phép hoạt động nhấn nút ON
/OFF
Xilô 2 chi hoạt động sau khi người vận hành cho
liệu vào Xilô 1
Yêu cầu phải kiểm tra mức liệu từng xilô.
Lập giản đồ thời gian
Phân công vào ra
Soạn thảo chương trình điều khiển cho PLC S7-
300.
6. Khả năng ứng dụng và hướng phát
triển của phần mềm AUTOSIM Có hai con đường để nghiên cứu hệ thống: nghiên
cứu trên hệ thực và nghiên cứu trên mô hình thay
thế của nó. Rõ ràng rằng nghiên cứu trên hệ thực
cho ta kết quả trung thực và khách quan. Tuy nhiên
trong nhiều trường hợp tiến hành nghiên cứu trên
hệ thực gặp nhiều khó khăn, phương pháp tốt nhất
là nghiên cứu trên mô hình của nó. Chính vì vậy
phương pháp mô hình hoá rất được chú ý nghiên
cứu và phát triển.
Phần mềm AUTOSIM này có thể ứng dụng phục
vụ nghiên cứu khoa học và giảng dạy môn học mô
hình hoá và mô phỏng tại khoa Điện - Trường Đại
học Bách Khoa Đà Nẵng. Đặc biệt với chương trình
mô phỏng và mô hình hoá AUTOSIM, cùng lúc có
thể cho nhiều nhóm sinh viên thí nghiệm trên nhiều
máy tính có phần mềm AUTOSIM. Thời gian thực
hiện các bài tập nhanh hơn vì không phải tốn thời
gian cho việc kết nối thiết bị, do đó tăng khối lượng
bài tập thí nghiệm trong cùng một thời gian so với
khi làm trên ‘Bàn thí nghiệm đào tạo lập trình PLC
S7-300 của SIEMENS’. Và đặc biệt là sinh viên có
thể làm thí nghiệm tại nhà với phần mềm
AUTOSIM.
Trong xu hướng công nghiệp hoá, hiện đại hoá
nhiều nhà máy, xí nghiệp ở Việt Nam đang nhập
những dây chuyền công nghiệp hiện đại và kèm
theo đó là các hệ thống điều khiển được phát triển
từ các thiết bị được chế tạo theo công nghệ cao và
các công cụ phần mềm hiện đại. Vậy làm thế nào
trong thời gian ngắn có thể đào tạo các cử nhân kỹ
thuật, các kỹ sư am hiểu hệ thống công nghệ và có
khả năng vận hành, hiệu chỉnh và bảo dưỡng hệ
thống điều khiển trên dây chuyền tự động hoá. Con
đường nhanh nhất chính là sử dụng các công cụ
phần mềm mô phỏng, bằng chứng là các nhà máy
lớn đều có các phần mềm mô phỏng hệ thống và
thiết bị mô phỏng đi kèm.
Với mong muốn phần mềm AUTOSIM sẽ được áp
dụng trong đào tạo vận hành, bảo dưỡng ở nhà máy
thì cần phải bổ sung thêm thư viện bài tập. Điều đó
sẽ được thực hiện dễ dàng bởi phần mềm
AUTOSIM được thiết kế theo môđun thuận tiện
cho việc mở rộng và hiệu chỉnh.
H. 4 Giao diện HMI các bài tập mở rộng
Kết luận
Tóm lại, mô hình hoá là một phương pháp nghiên
cứu khoa học đang phát triển và rất có triển vọng. Ở
giai đoạn thiết kế hệ thống, mô hình hoá giúp người
thiết kế lựa chọn cấu trúc, các thông số của hệ
thống để tổng hợp hệ thống. Ở giai đoạn chế tạo,
mô hình hoá giúp cho việc lựa chọn vật liệu và
công nghệ chế tạo. Ở giai đoạn vận hành hệ thống,
mô hình hoá giúp cho người điều khiển dự đoán các
trạng thái của hệ thống, giải các bài toán điều khiển
tối ưu. Đặc biệt trong trường hợp kết hợp hệ chuyên
gia với mô hình hoá người ta có thể giải quyết được
nhiều bài toán điều khiển, tiết kiệm được thời gian
cũng như chi phí về vật chất và tài chính.
Đề tài được viết dựa trên ngôn ngữ lập trình hướng
đối tượng Delphi đã tạo được giao diện người dùng
thân thiện (bằng tiếng Việt), mô hình hoá 3D sinh
động, trực quan làm cho người sử dụng có cảm giác
như đang làm việc với hệ thống thực. Qua việc
chạy thử cho thấy chương trình đã đáp ứng được
yêu cầu kỹ thuật đặt ra. Điều đó khẳng định rằng
phần mềm tự viết có thể thay thế phần mềm nước
ngoài vừa đắt tiền mà giao diện thì hoàn toàn bằng
tiếng Anh.
Tài liệu tham khảo [1] [1] Siemens: SIMATIC NET – Industrial
Communication Networks, Siemens AG 1998
[2] [2] Siemens: Simatic Software for S7 –
300/400 Program Design, Siemens AG 1998
[3] [3] OPC Taskforce, OLE for Process Control
– Data Access Specification, Version
2.0A,1998
637
Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011
VCCA-2011
[4] [4] Lê Phương Lan; Hoàng Đức Hải: Giáo
Trình Lý Thuyết Và Bài Tập Delphi. NXB
GIÁO DỤC, Hồ Chí Minh 2000
[5] [5] Hoàng Minh Sơn: Mạng Truyền Thông
Công Nghiệp. NXB KH&KT, Hà Nội 2001
[6] [6] Ngô Diên Tập: Đo Lường Và Điều Khiển
Bằng Máy Tính. NXB KH&KT, Hà Nội 2001
[7] [7] Nguyễn Công Hiền: Mô hình hoá hệ thống
và mô phỏng. Hà Nội 2003
PGS. TS Đoàn Quang
Vinh, Trường Đại học Bách
Khoa – Đại học Đà Nẵng.
Tốt nghiệp đại học ngành
Kỹ thuật Điện năm 1986 tại
trường Đại học Điện – Máy
Plzen, Tiệp Khắc. Nhận
bằng Tiến sỹ ngành Kỹ thuật
Điện năm 1996 tại trường
Đại học Tây Tiệp, Cộng hòa Séc. Từ năm 1987 đến
nay: Cán bộ trường Đại học Bách khoa - Đại học
Đà Nẵng.
ThS. Ngô Đình Thanh,
giảng viên Trường Đại học
Bách Khoa – Đại học Đà
Nẵng. Tốt nghiệp đại học
ngành Kỹ thuật Điện năm
2004 tại trường Đại học Bách
Khoa – Đại học Đà Nẵng.
Nhận bằng Thạc sỹ ngành
Điện và Khoa Học Máy Tính năm 2010 tại trường
Đại học Quốc gia Thành Công, Đài Loan. Hướng
nghiên cứu chính về mạng truyền thông công
nghiệp, SCADA và hệ thống nhúng.
Ths Trần Thái Anh Âu,
Trường Đại học Bách Khoa –
Đại học Đà Nẵng. Tốt nghiệp
đại học ngành Tin học công
nghiệp năm 2004 tại trường
Đại học Bách khoa Hà Nội.
Nhận bằng Thạc sỹ ngành Đo
lường & hệ thống điều khiển
năm 2007 tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Từ
năm 2007 đến nay: Cán bộ trường Đại học Bách
khoa - Đại học Đà Nẵng.
638
top related