HD1 phan đình hiếu thiết kế hệ thống điều khiển ổn định mức chất lỏng trong bồn chứa

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI  NGUYỄN BÁ KHOA NGUYỄN NHƯ TRÌNH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KĨ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH MỨC CHẤT LỎNG TRONG BÌNH CHỨA HÀ NỘI - 2022 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KĨ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH MỨC CHẤT LỎNG TRONG BÌNH CHỨA Giáo viên hướng dẫn : TS Phan Đình Hiếu Lớp, khóa, ngành : 2018DHCODT04-K13 Họ tên thành viên : Nguyễn Bá Khoa Nguyễn Như Trình HÀ NỘI - 2022 LỜI CẢM ƠN Để có kiến thức kết thực tế ngày hôm nay, trước hết chúng em xin cảm ơn thầy giáo Khoa Cơ khí Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội trang bị cho chúng em kiến thức Cảm ơn thầy cô cho chúng em thấy tầm quan trọng việc nghiên cứu phát triển hệ thống liên quan đến điện tử lời khun, đóng góp bổ ích cho đồ án tốt nghiệp Đặc biệt, chúng em xin chân thành cảm ơn tới TS Phan Đình Hiếu - người tận tình hướng dẫn, góp ý tạo điều kiện để chúng em hoàn thành đồ án Trong trình nghiên cứu làm đồ án, cịn thiếu nhiều kinh nghiệm thực tế nên khơng tránh khỏi thiếu sót Chúng em mong nhận đóng góp bảo thầy để đồ án tốt nghiệp chúng em hoàn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực Nguyễn Bá Khoa Nguyễn Như Trình LỜI MỞ ĐẦU Cùng với phát triển xã hội, đời sống người dân ngày nâng cao, việc thay hoạt động thủ công thiết bị tự động người dân ứng dụng nhiều công nghiệp sinh hoạt Công nghệ tự động giám sát điều khiển mức chất lỏng nhiều cơng ty, xí nghiệp nhà máy ứng dụng nhiều nhằm thay việc giám sát điều khiển mức chất lỏng phương pháp thủ công, công nghệ tự động giám sát mức chất lỏng đảm bảo việc kiểm soát, điều khiển lưu lượng chất lỏng sử dụng, bơm, xả chất lỏng cách tin cậy mà không cần kiểm tra trực tiếp người Công nghệ ứng dụng nhiều việc xử lý nước thải, lọc hoá dầu, nhà máy nước, nhà máy nhiệt điện, thuỷ điện, điện hạt nhân, bể nước, tháp nước tự động… Vấn đề quản lý loại chất lỏng như: Nước, dầu mỏ, xăng, nước thải, cho hiệu vấn đề nhiều người, nhiều tổ chức quan tâm thời đại Đề tài “Điều khiển giám sát mức nước” ứng dụng nhiều lĩnh vực cơng nghiệp, nơng nghiệp, nhiều cơng ty, xí nghiệp nhà máy, đóng vai trị quan trọng lĩnh vực giám sát quản lý chất lỏng nhiều lĩnh vực khác Có nhiều phương pháp để giám sát quản lý chất lỏng, kể đến có phương pháp thủ công ứng dụng điều khiển tự động, ngày phương pháp giám sát quản lý chất lỏng phần lớn tự động hóa nhằm giảm bớt sức lao động người việc điều khiển giám sát mức bể chứa PLC nhiều cá nhân tổ chức ứng dụng Từ vấn đề đặt yêu cầu dùng phương pháp để giám sát điều khiển mức chất lỏng cách hợp lý chi phí, độ tin cậy, khả linh hoạt, dễ vận hành sử dụng Trong thực tế có nhiều phương pháp tự động điều khiển mức chất lỏng, phần chúng em thực đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển ổn định mức chất lỏng bình chứa” MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI MỞ ĐẦU MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG BIỂU CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Tổng quan hệ thống ổn định mức chất lỏng 1.2 Các vấn đề đặt 1.3 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 1.4 Mục tiêu nghiên cứu đề tài 1.5 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.6 Phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH ỔN ĐỊNH MỨC CHẤT LỎNG 2.1 Ngun lý mơ hình ổn định mức chất lỏng 2.2 Đặc tính mơ hình ổn định mức chất lỏng 2.3 Phương pháp tối ưu mơ hình ổn định mức chất lỏng 25 CHƯƠNG TÍNH TỐN THIẾT KẾ MƠ HÌNH ỔN ĐỊNH MỨC CHẤT LỎNG 28 3.1 Mơ hình hóa hệ thống ổn định mức chất lỏng 28 3.2 Thiết kế hệ thống khí 31 3.3 Tính tốn lựa chọn thành phần hệ thống 34 3.4 Thiết kế hệ thống điều khiển 45 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN 46 4.1 Kết đạt 47 4.2 Định hướng phát triển 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 PHỤ LỤC 51 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Hệ thống ổn định cân mức chất lỏng bể bơi Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống Hình 2.2 Mơ hình hóa hệ thống Hình 2.3 Đặc tuyến chung Q-H bơm ly tâm 13 Hình 2.4 Đường đặc tuyến bơm 14 Hình 2.5 Cảm biến siêu âm 14 Hình 2.6 Một số loại cảm biến siêu âm 15 Hình 2.7 Biểu đồ nguyên tắc TOF 16 Hình 2.8 Nguyên lý tầm quét cảm biến 16 Hình 2.9 Bộ điều khiển PID 17 Hình 2.10 Biểu đồ hệ số khuếch đại 18 Hình 2.11 Biểu đồ PI 18 Hình 2.12 Biểu đồ PD 19 Hình 2.13 Cấu trúc chung PLC 20 Hình 2.14 Sơ đồ điều khiển mờ 26 Hình 3.1 Sơ đồ khối hàm truyền 28 Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ thống 29 Hình 3.3 Nhập thơng số tính tốn Matlab/Simulink 29 Hình 3.4 Quá trình hoạt động hệ thống Khi Kp=1, Ki=0.1, Kd=0 30 Hình 3.5 Quá trình hoạt động hệ thống Khi Kp=5, Ki=0.1, Kd=0 30 Hình 3.6 Mơ hình tổng thể hệ thống 31 Hình 3.7 Bể điều khiển 32 Hình 3.8 Bể chứa 33 Hình 3.9 Hệ thống giá đỡ 33 Hình 3.10 Tủ điện 34 Hình 3.11 Rích cắm cảm biến 34 Hình 3.12 Máy bơm 36 Hình 3.13 Cấu tạo Board PLC Mitsubishi FX3U 38 Hình 3.14 Board PLC Mitsubishi FX3U 38 Hình 3.15 Biến tần Mitsubishi FR-D720-0.4kW 40 Hình 3.16 Đấu dây biến tần Mitsubishi FR-D720-0.4kW Error! Bookmark not defined Hình 3.17 Cảm biến siêu âm Banner T30UXUA 42 Hình 3.18 Sơ đồ nguyên lý nguồn 42 Hình 3.19 Bộ nguồn 24v AC 43 Hình 3.20 Màn hình HMI proface 44 Hình 3.21 Sơ đồ đấu nối nguồn cảm biến Error! Bookmark not defined Hình 3.22 Sơ đồ đấu nối PLC module analog Error! Bookmark not defined Hình 3.23 Sơ đồ đấu nối biến tần động Error! Bookmark not defined Hình 3.24 Lưu đồ thuật toán 46 Hình 4.1 Mơ hình tổng thể 48 Cài đặt bảo vệ tải: Ở hình tần số, nhấn mũi tên phải => đến F0 => nhấn Lên / Xuống => F51 => nhấn Enter (nút tròn giữa) => Chỉnh Lên / Xuống thay đổi giá trị (Thay đổi vị trí trỏ phím Lùi / Tới) => nhấn Enter => Số chớp nháy=>nhấn Enter lần xác nhận Cài đặt lệnh chạy bàn phím, chỉnh tần số bàn phím: Lệnh chạy: Ở hình tần số, nhấn mũi tên Lên / Xuống => đến DRV => nhấn Enter (nút tròn giữa) => Chỉnh Lên / Xuống thay đổi giá trị = => nhấn Enter => Số chớp nháy =>nhấn Enter lần xác nhận Lệnh tần số: Ở hình tần số, nhấn mũi tên Lên / Xuống => đến Frq => nhấn Enter (nút tròn giữa) => Chỉnh Lên / Xuống thay đổi giá trị => nhấn Enter => Số chớp nháy =>nhấn Enter lần xác nhận Cài đặt lệnh chạy cơng tắc ngồi, chỉnh tần số biến trở ngồi: Lệnh chạy: Ở hình tần số, nhấn mũi tên Lên / Xuống => đến DRV => nhấn Enter (nút tròn giữa) => Chỉnh Lên / Xuống thay đổi giá trị = => nhấn Enter => Số chớp nháy =>nhấn Enter lần xác nhận Lệnh tần số: Ở hình tần số, nhấn mũi tên Lên / Xuống => đến Frq => nhấn Enter (nút tròn giữa) => Chỉnh Lên / Xuống thay đổi giá trị = => nhấn Enter => Số chớp nháy =>nhấn Enter lần xác nhận 3.3.4 Cảm biến siêu âm Do thiết kế mơ hình với dải mực nước bồn điều khiển từ đến 50cm dụng PID điều khiển nên phải sử dụng cảm biến có tín hiệu đầu analog để đảm bảo hệ thống có độ xác cao Vì ta chọn cảm biến siêu âm dùng đề tài cảm biến siêu âm Banner T30UXUA – 3080463 Thông số kỹ thuật: Tên sản phẩm: Cảm biến siêu âm Banner T30UXUA – 3080463 41 Loại (Type): T30UXUA Mã sản phẩm (Model): 3080463 Mô tả sản phẩm: T30UX Series w/ Analog Output; Range: 100 mm to m; Input: 12 to 30V dc; Analog Output: to 10V dc; m (6.5 ft) Cable Hãng sản xuất: Banner Thời gian bảo hành: Theo quy định nhà sản xuất Hình 3.16 Cảm biến siêu âm Banner T30UXUA 3.3.5 Bộ nguồn chiều Nguồn chiều có nhiệm vụ cung cấp lượng cho mạch thiết bị điện tử hoạt động, lượng chiều tổng quát lấy từ nguồn xoay chiều thơng qua q trình biến đổi nguồn chiều Hình 3.17 Sơ đồ nguyên lý nguồn 42 Điện áp xoay chiều đưa vào máy biến áp, máy biến áp có nhiệm vụ biến đổi cấp điện áp xoay chiều sang cấp điện áp khác phù hợp với yêu cầu loại mạch, điện áp sau qua biến áp đưa vào mạch chỉnh lưu biến điện áp xoay chiều thành điện áp chiều, điện áp đầu chỉnh lưu chứa nhiều thành phần nhiễu nên đưa qua lọc để khử nhiễu, sau đưa vào ổn áp (ổn dịng) để ổn định điện áp dòng điện nhằm đảm bảo tính tin cậy đầu (điện áp ln ổn định) cung cấp cho mạch thiết bị điện tử Trên thực tế có nhiều loại nguồn chiều khác nhau, cấp điện áp khác như: 2,5V, 5V, 12V, 24V, 48V …Ngồi nguồn có cấp điện áp cịn có loại nguồn chiều đa năng, nguồn có nhiều ngõ tương ứng nhiều cấp điện áp Hình 3.18 Bộ nguồn 24v AC 3.3.6 Màn hình HMI proface Do số lý nên phần hình mơ hình máy tính, với hiển thị giống hình HMI proface 43 Hình 3.19 Màn hình HMI proface 44 3.4 Thiết kế hệ thống điều khiển - Sơ đồ đấu nối điện Hình 3.20 Sơ đồ đấu nối điện 45 Lưu đồ thuật toán hệ thống: Begin Nhập giá trị mực nước, Kp, Ki, Kd Nút start Van xả S Mực nước < giá trị cài đặt Nút Stop Đ Biến tần S S Mực nước = giá trị cài đặt Đ Stop 46 tốn Hình 3.21 Lưu đồ thuật CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN 4.1 Kết đạt Trong tháng thực đề tài với nhiều cố gắng nỗ lực nhóm với hướng dẫn nhiệt tình TS Phan Đình Hiếu, đồ án chúng em hoàn thành thời gian yêu cầu đặt Các nội dung mà nhóm thực thiết kế, thi cơng mơ hình hệ thống điều khiển ổn định mức chất lỏng bồn chứa Đưa vẽ 3D, vẽ chi tiết, vẽ lắp, vẽ điện sơ đồ đấu nối Thiết kế mô hệ thống phần mềm MPLAB Trong trình làm đồ án, chúng em rút nhiều kinh nghiệm để tạo sản phẩm hoàn thiện như: Đầu tư thời gian, hiểu biết linh kiện, thiết kế bo mạch, lập trình hệ thống Sau thời gian làm việc, nhóm thu kết hai khía cạnh là: kết nghiên cứu kết thi công 4.1.1 Kết nghiên cứu Trong vòng tháng làm đồ án tốt nghiệp, nhóm nghiên cứu đạt kết quả: - Nghiên cứu sâu Board PLC Mitsubishi FX3U - Nghiên cứu thêm cảm biến siêu âm - Nghiên cứu thêm biến tần DIRISE ES11-2S-0R1G - Nghiên cứu số mơ hình, sản phẩm thực tế, dự án có hệ thống điều khiển ổn định mức chất lỏng - Tìm hiểu sử dụng phần mềm như: Matlab, CAD, GX WORD2, GT DESIGNER2 47 4.1.2 Kết thực nghiệm Qua trình thiết kế phần cứng, lựa chọn linh kiện, nhóm thực kiểm tra kết nối module, linh kiện với cho mơ hình “Thiết kế hệ thống điều khiển ổn định mức chất lỏng bồn chứa” Hình 4.1 Mơ hình tổng thể 4.2 Định hướng phát triển Trong thời gian nghiên cứu thiết kế mơ hình cho đề tài khơng thể tránh khỏi có sai sót sai số, nên nhóm có định hướng phát triển thêm để hoàn thiện đề tài Một số định hướng phát triển để hoàn thiện đề tài: 48 - Cải thiện hồn thiện mặt tính tốn tối ưu thiết kế khí - Tiếp tục sâu nghiên cứu tiếp mở rộng hệ thống điều khiển ổn định mức chất lỏng - Áp dụng điều khiển mờ thay cho điều khiển PID - Có thể kết nối với web giám sát hệ thống - Tăng hiệu suất cho hệ thống - Có thể đề xuất đề tài thành dự án lớn 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Châu Đức Chí, Kỹ Thuật Điều Khiển Lập Trình PLC mitsubishi, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2008 [2] Nguyễn Bin, Các trình, thiết bị cơng nghệ hóa chất thực phẩm, Tập 1, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2007 [3] Nguyễn Trọng Hiệp, Chi tiết máy, NXB Giáo dục, 2007 [4] Phạm Công Ngô, Lý thuyết điều khiển tự động, Tập 1, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2001 [5] SỔ TAY LẬP TRÌNH - Tài liệu hướng dẫn & Ứng dụng - Bộ điều khiển lập trình FX3U/FX3UC [6] Trần Văn Địch, Công nghệ chế tạo máy, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2003 [7] Trịnh Chất - Lê Văn Uyển, Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí, NXB Giáo dục, 2003 50 PHỤ LỤC Bản vẽ tổng thể 51 Code PLC 52 53 54 55 ... điều khiển mức chất lỏng hệ thống chứa - Thiết kế hệ thống điều khiển mức chất lỏng bình chứa - Hiểu cấu tạo nguyên lý hệ thống - Hiểu nắm bắt cấu tạo thành phần hệ thống - Điều khiển mức nước bình... CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH ỔN ĐỊNH MỨC CHẤT LỎNG 2.1 Ngun lý mơ hình ổn định mức chất lỏng 2.2 Đặc tính mơ hình ổn định mức chất lỏng 2.3 Phương pháp tối ưu mơ hình ổn định mức chất lỏng. .. TỐN THIẾT KẾ MƠ HÌNH ỔN ĐỊNH MỨC CHẤT LỎNG 28 3.1 Mơ hình hóa hệ thống ổn định mức chất lỏng 28 3.2 Thiết kế hệ thống khí 31 3.3 Tính tốn lựa chọn thành phần hệ thống