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