Điều khiển và giám sát hệ thống ổn định áp suất nước sử dụng biến tần kết hợp thuật toán PID và điều khiển bằng PLC s7 1200

Điều khiển và giám sát hệ thống ổn định áp suất nước sử dụng biến tần kết hợp thuật toán PID và điều khiển bằng PLC s7 1200 Điều khiển và giám sát hệ thống ổn định áp suất nước sử dụng biến tần kết hợp thuật toán PID và điều khiển bằng PLC s7 1200 Điều khiển và giám sát hệ thống ổn định áp suất nước sử dụng biến tần kết hợp thuật toán PID và điều khiển bằng PLC s7 1200

MỤC LỤC PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN i NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ii MỤC LỤC iii DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ vii DANH SÁCH CÁC BẢNG x CHƯƠNG 1: LỜI MỞ ĐẦU 1.1 Lý chọn đề tài 1.2 Phương pháp nghiên cứu 1.3 Phạm vi nghiên cứu 1.4 Ý nghĩa khoa học đề tài CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ÁP SUẤT 2.1 Phương thức điều khiển bơm 2.2 Nguyên tắc điều khiển hệ thống 2.2.1 Mô tả hoạt động hệ thống 2.2.2 Những ưu điểm điều khiển tốc độ bơm thiết bị biến tần 2.3 Các hệ thống điều khiển áp suất giới CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.1 Tổng quan PLC S7-1200 3.1.1 Giới thiệu chung 3.1.2 Cấu tạo PLC S7-1200 3.1.3 Các bảng tín hiệu 11 3.1.4 Các module tín hiệu 12 3.1.5 Các module truyền thông 13 3.1.6 Ưu điểm PLC S7-1200 so với dòng PLC trước 13 3.1.6.1 Về phần cứng 13 3.1.6.2 Về kết nối, phần mềm 15 3.2 Giới thiệu biến tần Mitsubishi FR-D700 16 iii 3.2.1 Khái niệm biến tần 16 3.2.2 Vai trò biến tần 16 3.2.3 Nguyên lý hoạt động 17 3.2.4 Đấu nối thiết bị 17 3.2.5 Biến tần Mitsubishi FR-D700 22 3.2.5.1 Thông số kỹ thuật 22 3.2.5.2 Chức phím 23 3.3 Tổng quan bơm ghép bơm 24 3.3.1 Khái niệm phân loại bơm 24 3.3.1.1 Khái niệm 24 3.3.1.2 Phân loại 24 3.3.2 Ghép bơm 25 3.3.2.1 Ghép bơm song song 25 3.3.2.2 Ghép bơm nối tiếp 27 3.4 Tổng quan điều khiển PID 30 3.4.1 Tổng quan điều khiển PID 30 3.4.2 Tìm hiểu khối hàm PID_Compact Tia Portal 32 3.5 Mạng truyền thông công nghiệp – mạng RS 485 35 3.5.1 Khái niệm vai trị mạng truyền thơng cơng nghiệp 35 3.5.1.1 Khái niệm 35 3.5.1.2 Vai trò 35 3.5.2 Chuẩn truyền thông RS485 36 3.5.2.1 Tổng quan RS485 36 3.5.2.2 Đặc tính kỹ thuật 37 3.5.3 Board truyền thông CB 1241 RS485 38 3.6 Tổng quan phần mềm Tia Portal 40 3.6.1 Giới thiệu phần mềm Tia Portal 40 3.6.2 Cách tạo project 41 3.6.3 Làm việc với trạm PLC 46 iv 3.6.3.1 Quy định địa IP cho Module PLC 46 3.6.3.2 Đổ chương trình xuống CPU 47 3.6.3.3 Giám sát thực chương trình 49 3.6.3.4 Tag PLC 49 3.6.3.5 3.6.4 Hướng dẫn tạo PLC Tag 50 Kĩ thuật lập trình 50 3.6.4.1 Vòng quét chương trình 50 3.6.4.2 Khối Tổ Chức Ob – Oganization Blocks 52 3.6.4.3 Hàm chức – FUNCTION 53 3.7 Giới thiệu tổng quan phần mềm ứng dụng WinCC 54 3.7.1 Khái niệm 54 3.7.2 Chức 54 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ THI CƠNG VÀ LẬP TRÌNH 56 4.1 Mơ hình hệ thống 56 4.2 Lựa chọn thiết bị 58 4.2.1 PLC S7-1200 CPU 1212 (DC/DC/DC) 58 4.2.2 Bơm pha 62 4.2.3 Cảm biến áp suất nước 63 4.3 Thiết kế lắp đặt tủ điện 64 4.4 Chương trình lập trình Tia Portal cấu hình Module 70 4.4.1 Lưu đồ giải thuật 70 4.4.2 Chương trình xử lý tín hiệu Analog 71 4.4.3 Chương trình truyền thơng biến tần 74 4.4.3.1 Cấu hình biến tần FR-D700 75 4.4.3.2 Modbus-RTU biến tần FR-D700 75 4.4.3.3 Làm cáp truyền thông 77 4.4.3.4 Chương trình lập trình tia portal 79 4.4.4 4.4.4.1 Chương trình lập trình PID 83 Mơ hình hóa hệ thống, tính tốn thông số PID 83 v 4.4.4.2 Mô hệ thống Matlab 84 4.4.4.3 Chương trình PLC 86 4.4.5 Tạo giao diện điều khiển Win CC kết nối 94 4.4.5.1 Cấu hình kết nối 94 4.4.5.2 Thiết kế giao diện Win CC 97 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 99 5.1 Kết đạt 99 5.2 Hạn chế 99 5.3 Hướng phát triển đề tài 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO 100 vi DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Figure 2.2-1 Biểu đồ minh họa hoạt động điều khiển bơm Figure 2.3-1 Hệ thống tăng áp bơm tăng áp Figure 2.3-2 Biến tần cho bơm điều áp Figure 3.1-1 Thành phần PLC Figure 3.1-2 Các bảng tín hiệu PLC S7-1200 12 Figure 3.1-3 Các Module tín hiệu PLC S7-1200 12 Figure 3.1-4 Các Module truyền thông PLC S7-1200 13 Figure 3.1-5 PLC S7-1200 S7-200 14 Figure 3.2-1 Nguyên lý hoạt động biến tần 17 Figure 3.2-2 Đấu nối động lực biến tần 17 Figure 3.2-3 Sơ đồ đấu nối biến tần Mitshubishi FR-D700 18 Figure 3.2-4 Biến tàn Mitsubishi FR-D700 22 Figure 3.3-1 Hệ thống hai bơm (cùng đặc tính) ghép song song 25 Figure 3.3-2 Đặc tính làm việc song song hai bơm giống 26 Figure 3.3-3 Hệ thống bơm (cùng đặc tính) ghép nối tiếp 28 Figure 3.3-4 Đặc tính làm việc hai bơm ghép nối tiếp 29 Figure 3.3-5 Đặc tính làm việc hai bơm ghép nối tiếp 29 Figure 3.4-1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vịng kín 30 Figure 3.4-2 Sơ đồ khối PID 31 Figure 3.4-3 Khối PID Compact Tia Portal 32 Figure 3.5-1 Board truyền thông CB 1241 RS485 38 Figure 3.6-1 Kết cấu làm việc vói Tia Portal 41 Figure 3.6-2 Tạo Project 44 Figure 3.6-3 Thêm Module vào Project 45 Figure 3.6-4 Xóa Module 46 Figure 3.6-5 Địa IP PLC 47 Figure 3.6-6 Bảng Tag 50 Figure 3.6-7 Cấu trúc lập trình 51 Figure 3.6-8 Tạo khối Tia Portal 52 Figure 3.6-9 Chèn OB vào chương trình 52 vii Figure 4.1-1 Thiết kế mơ hình 3D 57 Figure 4.1-2 Mơ hình hệ thống thực tế 58 Figure 4.2-1 CPU 1212C DC/DC/DC 6ES7212-1AE31-0XB0 59 Figure 4.2-2 Sơ đồ kết nối 59 Figure 4.2-3 Bơm pha 62 Figure 4.2-4 Cảm biến áp suất 63 Figure 4.3-1 Bản vẽ bên tủ 65 Figure 4.3-2 Mặt trước mặt bên tủ 66 Figure 4.3-3 Mặt tủ thiết bị hoàn thành 67 Figure 4.3-4 Mặt cửa tủ hoàn thành 67 Figure 4.3-5 Mặt trước tủ hoàn thành 68 Figure 4.3-6 Sơ đồ đấu dây ngõ vào PLC 69 Figure 4.3-7 Sơ đồ đấu dây ngõ PLC 69 Figure 4.4-1 SCALE_X 71 Figure 4.4-2 NORM_X 71 Figure 4.4-3 Cấu hình phần cứng PLC 1212 DC/DC/DC 72 Figure 4.4-4 Cấu hình đầu vào analog 73 Figure 4.4-5 Xử lí Analog 74 Figure 4.4-6 Jack RJ-45 77 Figure 4.4-7 Cấu hình truyền thơng 79 Figure 4.4-8 Tạo chu kỳ quét, xử lý truyền thông 81 Figure 4.4-9 Khai báo truyền thông 81 Figure 4.4-10 Start, stop biến tần 82 Figure 4.4-11 Truyền tần số cho biến tần 82 Figure 4.4-12 Đặc tính động 83 Figure 4.4-13 Mơ hình Simulink-Matlab 85 Figure 4.4-14 Thông số PID 85 Figure 4.4-15 Kết mô PID 86 Figure 4.4-16 Tạo chương trình ngắt PLC 87 Figure 4.4-17 Chọn loại điều khiển PID PID compact 88 Figure 4.4-18 Chọn parameters ngõ vào, ngõ 88 Figure 4.4-19 PID Parameter 89 viii Figure 4.4-20 Chương trình PID Compact 89 Figure 4.4-21 Chương trình sửa lỗi PID Auto run 90 Figure 4.4-22 Tinh chỉnh PID 93 Figure 4.4-23 Start, stop lamp, RS-485 93 Figure 4.4-24 Kiểm tra setpoint run PID RS-485 94 Figure 4.4-25 Tạo WinCC RT 94 Figure 4.4-26 CP IE ( IE general) 95 Figure 4.4-27 Kiểm tra connect 95 Figure 4.4-28 Set PG/PC interface 96 Figure 4.4-29 IP WinCC PLC 96 Figure 4.4-30 Giao diện trang Home 97 Figure 4.4-31 Giao diện trang điều khiển 97 Figure 4.4-32 Giao diện PID 98 ix DANH SÁCH CÁC BẢNG Table 3.1-1 Thông số kĩ thuật PLC S7-1200 10 Table 3.1-2 Các Module mở rộng 11 Table 3.1-3 Bảng I/O PLC 14 Table 3.2-1 Cài đặt thông số biến tần 21 Table 3.2-2 Chức phím biến tần 23 Table 3.4-1 Ảnh hưởng thành phần Kp, Ki, Kd với hệ kín 31 Table 3.4-2 Thông số PID_Compact 34 Table 3.5-1 Đặc tính kỹ thuật chuẩn truyền RS485 37 Table 3.5-2 Thông số kỹ thuật Board truyền thông CB 1241 RS485 40 Table 4.2-1 Vị trí chân kết nối CPU 1212 DC/DC/DC 60 Table 4.2-2 Thông số kĩ thuật PLC 1212 DC/DC/DC 61 Table 4.2-3 Thông số kĩ thuật bơm pha 63 Table 4.2-4 Thông số kĩ thuật cảm biến áp suất 64 Table 4.4-1 Cài đặt chung thông số biến tần để truyền thông 74 Table 4.4-2 Cấu hình thơng số biến tần 75 Table 4.4-3 Bảng địa Modbus 77 Table 4.4-4 Sơ đồ chân vào biến tần 78 Table 4.4-5 Sơ đồ chân vào board truyền thông 78 x Khóa luận tốt nghiệp Trần Việt Hưng Đặng Huy Hoàng Thái Bá Hồng CHƯƠNG 1: LỜI MỞ ĐẦU 1.1 Lý chọn đề tài Nước có vai trị quan trọng hoạt động sinh hoạt hàng ngày Trong hệ thống cung cấp nước cho thành phố, khu đô thị, khu dân cư, nhà cao tầng,…nhu cầu sử dụng nước thay đổi theo thời điểm dẫn đến áp lực đường ống thay đổi Trong thấp điểm nhu cầu sử dụng nước ít, áp lực đường ống tăng phá vỡ đường ống, ngược lại cao điểm nhu cầu sử dụng nước nhiều làm áp lực hệ thống giảm dẫn đến ảnh hưởng đến lưu lượng hộ tiêu thụ đặc biệt hộ cuối nguồn khơng có nước để sử dụng Để giải vấn đề này, phương pháp cổ điển để thay đổi áp suất đóng mở bơm cấp nước tay Phương pháp đơn giản, dễ thực thiết bị đơn giản Nhưng nhược điểm lớn tiêu hao nhiều điện năng, tuổi thọ động giảm áp lực nước không ổn định Để khắc phục nhược điểm phương pháp cũ giải vấn đề trên, nhóm chúng em nghiên cứu xây dựng mơ hình Điều khiển giám sát hệ thống ổn định áp suất nước sử dụng biến tần kết hợp thuật toán PID điều khiển PLC S7-1200 1.2 Phương pháp nghiên cứu Đối với hệ thống bơm cấp nước thực tế, người ta sử dụng máy bơm công suất lớn, biến tần công suất lớn để bơm cấp nước cho khu dân cư, thành phố, cho khu công nghiệp Với đề tài này, chúng em Mơ hình hóa hệ thống nên sử dụng biến tần công suất nhỏ, bơm công suất nhỏ, PLC Siemens S7-1200 kết hợp thuật toán điều khiển PID để mô tả hoạt động hệ thống Một phần máy bơm ba pha thường to nặng kéo theo hệ thống không đơn giản, lý chi phí cho đồ án lớn với khả chúng em 1.3 Phạm vi nghiên cứu Từ kiến thức sở học trường thực tế, hạn chế kiến thức khả kinh tế thời gian có hạn nên chúng em xây Khóa luận tốt nghiệp Trần Việt Hưng Đặng Huy Hoàng Thái Bá Hồng dựng mơ hình mang tính chất mơ để thể quy trình hoạt động hệ thống cấp nước thực tế Trong đó, chúng em thực số cơng việc: - Lập trình PID PLC cho động hoạt động theo giá trị áp suất yêu cầu - Giao tiếp PLC với WinCC giám sát điều khiển hệ thống - Giao tiếp truyền thông PLC với biến tần - Thiết kế giao diện điều khiển tự động với WinCC 1.4 Ý nghĩa khoa học đề tài Đề tài cho thấy việc ứng dụng tự động hóa vào sống cần thiết, giúp ta tiết kiệm thời gian, cơng sức, tiền bạc mang lại hiệu kinh tế cao hoạt động ổn định Từ đề tài nghiên cứu Điều khiển giám sát ổn định áp suất nước PID cho đường ống nước, mở rộng cho hệ thống điều khiển ổn định nhiệt độ lò nhiệt, hệ thống điều hịa khơng khí,… Khóa luận tốt nghiệp Trần Việt Hưng Đặng Huy Hoàng Thái Bá Hồng Figure 4.4-15 Kết mô PID Với thông số PID tính trên, ta thấy hệ thống có thời gian đáp ứng khoảng 27s, khơng có vọt lố, sai số xác lập nhỏ 4.4.4.3 Chương trình PLC  Cấu hình khối PID Compact Trước tiên, tạo khối OB Cyclic (từ 30 trở đi), có chu kỳ ngắt 300ms, ngắt theo chu kì định trước Sau đó, tạo khối PID Compact V1.2 FC vừa tạo để lập trình 86 Khóa luận tốt nghiệp Trần Việt Hưng Đặng Huy Hồng Thái Bá Hồng Figure 4.4-16 Tạo chương trình ngắt PLC Tiếp theo, cấu hình cho khối PID compact Đầu tiên chọn loại muốn điều khiển PID, có loại như: nhiệt độ, áp suất, tần số, Ở đây, nhóm chọn tần số 87 Khóa luận tốt nghiệp Trần Việt Hưng Đặng Huy Hồng Thái Bá Hồng Figure 4.4-17 Chọn loại điều khiển PID PID compact Giá trị vào giá trị cảm biến analog, qua xử lí tín hiệu analog, vậy, ngõ vào input Ngõ tín hiệu số, truyền thơng qua biến tần, chọn tín hiệu ngõ Output per Figure 4.4-18 Chọn parameters ngõ vào, ngõ Điền giá trị tính tốn vào bảng PID Parameters Vì tính giá trị điều khiển PID, nên không cần chạy preturning fine turning 88 Khóa luận tốt nghiệp Trần Việt Hưng Đặng Huy Hoàng Thái Bá Hồng Figure 4.4-19 PID Parameter Chương trình lập trình PID Tia Portal V14 Figure 4.4-20 Chương trình PID Compact 89 Khóa luận tốt nghiệp Trần Việt Hưng Đặng Huy Hoàng Thái Bá Hồng Figure 4.4-21 Chương trình sửa lỗi PID Auto run Chương trình tinh chỉnh PID tay: Sẽ có nút nhấn hai tác động thiết kế WinCC Ở trạng thái đầu tiên, PID Compact sử dụng thơng số trực tiếp từ trương trình, khơng cho phép nhập Kp, Ti, Td từ hình WinCC vào vùng nhớ PID Compact Ở trạng thái thứ 2, người dùng tinh chỉnh thơng số Kp, Ti, Td hệ thống theo ý muốn 90 Khóa luận tốt nghiệp Trần Việt Hưng Đặng Huy Hồng Thái Bá Hồng 91 Khóa luận tốt nghiệp Trần Việt Hưng Đặng Huy Hồng Thái Bá Hồng 92 Khóa luận tốt nghiệp Trần Việt Hưng Đặng Huy Hoàng Thái Bá Hồng Figure 4.4-22 Tinh chỉnh PID Chương trình OB1: Figure 4.4-23 Start, stop lamp, RS-485 93 Khóa luận tốt nghiệp Trần Việt Hưng Đặng Huy Hoàng Thái Bá Hồng Figure 4.4-24 Kiểm tra setpoint run PID RS-485 4.4.5 Tạo giao diện điều khiển Win CC kết nối 4.4.5.1 Cấu hình kết nối Đầu tiên, tạo hình WinCC Runtime Pro Figure 4.4-25 Tạo WinCC RT Thêm module IE General vào tạo kết nối hình 94 Khóa luận tốt nghiệp Trần Việt Hưng Đặng Huy Hoàng Thái Bá Hồng Figure 4.4-26 CP IE ( IE general) Kiểm tra Connect WinCC PLC Đầu tiên, vào phần connect HMI, kiểm tra xem loại connect Figure 4.4-27 Kiểm tra connect Sau vào Control panel máy tính, mở phần mềm Set PG/PC interface cấu hình giống loại xem HMI connect Card mạng phải phù hợp với loại máy tính dùng Tia portal (ở đây, loại kết nối Cp_L2_1, Card mạng Wireless -AC 8260.TCPIP) 95 Khóa luận tốt nghiệp Trần Việt Hưng Đặng Huy Hoàng Thái Bá Hồng Figure 4.4-28 Set PG/PC interface Địa Ip WinCC RT Ip máy tính phải trùng Ip PLC WinCC RT phải NetWork khác Host Figure 4.4-29 IP WinCC PLC Tiến hành Run time, kiểm tra kết nối 96 Khóa luận tốt nghiệp Trần Việt Hưng Đặng Huy Hoàng Thái Bá Hồng 4.4.5.2 Thiết kế giao diện Win CC Giao diện Win CC nhóm thiết kế gồm trang - Trang 1: trang chủ, hiển thị tên đề tài, tên thành viên, giảng viên hướng dẫn,… - Trang 2: giao diện điều khiển - Trang 3: tinh chỉnh PID biểu đồ theo dõi Figure 4.4-30 Giao diện trang Home Figure 4.4-31 Giao diện trang điều khiển 97 Khóa luận tốt nghiệp Trần Việt Hưng Đặng Huy Hồng Thái Bá Hồng Figure 4.4-32 Giao diện PID 98 Khóa luận tốt nghiệp Trần Việt Hưng Đặng Huy Hoàng Thái Bá Hồng CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 5.1 Kết đạt - Thiết kế lắp ráp hồn chỉnh mơ hình - Hệ thống hoạt động với áp suất ln giữ ổn định theo giá trị đặt - Truyền thông PLC biến tần theo chuẩn RS485 - Thiết kế giao diện WinCC để giám sát điều khiển hệ thống máy tính 5.2 Hạn chế - Hệ thống sử dụng bơm ghép song song, áp suất nước đường ống cao, dẫn đến đóng van chiều gây triệt tiêu áp suất lẫn nhau, làm giảm áp suất đường ống - Chương trình điều khiển chưa tối ưu 5.3 Hướng phát triển đề tài - Khắc phục hạn chế việc ghép song song bơm - Sử dụng bơm nền, bơm chạy luân phiên với để tránh làm việc lâu làm giảm tuổi thọ động dự phòng hệ thống có bơm bị trục trặc - Phát triển Điều khiển giám sát hệ thống từ xa qua Internet 99 Khóa luận tốt nghiệp Trần Việt Hưng Đặng Huy Hoàng Thái Bá Hồng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Thị Phương Hà, Huỳnh Thái Hoàng Lý thuyết điều khiển tự động NXB DHQG, 2005 [2] Trần Thu Hà, Phạm Quang Huy Tự động hóa cơng nghiệp – Lập trình với S7 & WINCC NXB Hồng Đức, 2008 [3] S7-1200 Programmable controller 1548 System Manual, V4.2, 09/2016 [4] Hồng Minh Sơn Mạng truyền thơng cơng nghiệp NXB KH&KT Hà Nội, 2006 Tài liệu trích dẫn từ Internet: [5] Công ty Hệ thống điện Tự động hóa Xử lý tín hiệu Analog PLC S71200 http://www.fulle.com.vn/analog-voi-plc-siemens-s7-1200-n44.html 100 ... tháp nước cao nhà cao tầng sử dụng bể chứa nước tầng thượng Hiện có nhiều hệ thống điều khiển ổn định áp lực nước, gồm có hệ thống sử dụng biến tần điều khiển bơm kết hợp thuật toán PID, hệ thống. .. cao hoạt động ổn định Từ đề tài nghiên cứu Điều khiển giám sát ổn định áp suất nước PID cho đường ống nước, mở rộng cho hệ thống điều khiển ổn định nhiệt độ lò nhiệt, hệ thống điều hịa khơng... tần kết hợp thuật toán PID điều khiển PLC S7- 1200 1.2 Phương pháp nghiên cứu Đối với hệ thống bơm cấp nước thực tế, người ta sử dụng máy bơm công suất lớn, biến tần công suất lớn để bơm cấp nước