NCKH diều khiển tốc dộ tuabin thủy lực sử dụng PLC s7 1200

MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Khái niệm điều khiển 1.2 Bộ điều khiển PID .2 1.3 Phương pháp mơ hình hóa đối tượng điều khiển 1.3.1 Đặt toán tổng hợp hệ thống điều khiển bền vững 1.3.2 Phương pháp mơ hình hóa .5 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 2.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu 2.2 Tuabin thủy lực 2.2.1 Khái niệm 2.2.2 Mục đích sử dụng .8 2.2.3 Nhà cung cấp 2.2.4 Yêu cầu điều khiển tốc độ tuabin 2.3 Tổng quan mơ hình thí nghiệm 2.3.1 Nguyên lý hoạt động mơ hình 2.3.2 Các thiết bị 10 2.3.3 Sơ đồ kết nối thiết bị .13 CHƯƠNG III: PHƯƠNG PHÁP LẤY SỐ LIỆU VÀ NHẬN DẠNG ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN 17 3.1 Phương pháp lấy số liệu 17 3.2 Nhận dạng đối tượng điều khiển tốc độ phần mềm vcascad .19 CHƯƠNG IV: LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 23 4.1 Phần mềm điều khiển .23 4.2 Giao diện vận hành 27 KẾT LUẬN .28 TÀI LIỆU THAM KHẢO .29 LỜI MỞ ĐẦU Hiện thị trường có nhiều loại tuabin siêu nhỏ sản xuất để đáp ứng nhu cầu sử dụng hộ gia đình nơi xa xôi kéo điện lưới quốc gia, chi phí truyền tải điện cao nơi gần nguồn thủy có tiềm sử dụng cao Nhưng loại tuabin chưa có điều tốc kèm sử dụng cho mục đích thắp sáng tuabin có tích hợp thêm điều tốc giá thành cao người tiêu dùng khó tiếp cận Vì chúng em lựa chọn nghiên cứu đề tài: “ Điều khiển bền vững tốc độ tuabin thủy lực công suất nhỏ 1KW ” Bằng cố gắng nổ lực nhóm đặc biệt giúp đỡ tận tình, chu đáo thầy hướng dẫn Th.s Đỗ Cao Trung, Th.s Nguyễn Mạnh Đức chúng em hoàn thành đề tài cho sản phẩm cuối Do kiến thức trình độ hiểu biết cịn nhiều hạn chế nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót Chúng em mong nhận đóng góp ý kiến thầy giáo bạn sinh viên để đề tài hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Khái niệm điều khiển Điều khiển tác động lên đối tượng để làm việc theo mục đích Hệ thống điều khiển tập hợp thành phần vật lý có liên hệ tác động qua lại với để huy hiệu chỉnh thân đối tượng hay hệ thống khác Lý thuyết điều khiển gồm hai nhiệm vụ chính:  Phân tích hệ thống: xác điịnh đặc tính đầu hệ sau đem so sánh với tiêu yêu cầu để đánh giá chất lượng điều khiển hệ thống  Tổng hợp hệ thống: xác định thông số cấu trúc thiết bị điều khiển thiết kế hệ thống điều khiển Điều khiển bền vững: hệ thống điều khiển bền vững làm cho chất lượng sản phẩm ổn định, không phụ thuộc vào thay đổi đối tượng nhiễu tác động lên hệ thống Mục đích điều khiển bền vững chất lượng vịng kín trì có thay đổi đối tượng 1.2 Bộ điều khiển PID PID điều khiển tỷ lệ - tích phân – vi phân (Proportional- IntegralDerivative) Bộ điều khiển PID sử dụng rộng rãi để điều khiển đối tượng SISO theo nguyên tắc sai lệch: Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc điều khiển đối tượng công nghiệp Nếu e(t) lớn thơng qua thành phần tỷ lệ làm cho x(t) lớn (vai trò khâuP) Nếu e(t) chưa khơng thơng qua thành phần tích phân, PID tạo tín hiệu điều chỉnh (vai trị khâu I) Nếu e(t) thay đổi lớn thơng qua thành phần vi phân, phản ứng thích hợp x(t) nhanh ( vai trị khâu D) 1.3 Phương pháp mơ hình hóa đối tượng điều khiển 1.3.1 Đặt tốn tổng hợp hệ thống điều khiển bền vững Để giải toán, trước hết ta thiết kế hệ thống vòng điều khiển cho đối tượng, bao gồm đối tượng điều chỉnh, hình vẽ: λ ε z μ y R O − Hình 1.2: Sơ đồ cấu trúc điều khiển z: giá trị đặt y: đại lượng điều chỉnh – đầu hệ thống μ: tác động điều chỉnh – đầu điểu chỉnh ε = z – y: sai số điểu chỉnh, đầu vào điều chỉnh λ: nhiễu trình tác động vào đầu vào đối tượng Khi có thay đổi mạng điện tốc độ trục quay thay đổi có sai khác so với tốc độ định trước Cảm biến đo tốc độ đua liệu điều khiển Bộ điều khiển xử lý số liệu đưa tín hiệu tới phận chấp hành van khơng trục điều khiển mức độ đóng mở van để tăng giảm lưu lượng nước qua van đưa tốc độ tuabin ổn định Đối tượng tĩnh đối tượng có đường đặc tính q độ tiến tới giá trị hữu hạn tức đặc tính độ tiệm cận ngang, triệt bỏ xung đầu vào đại lượng quay giá trị ban đầu Các đối tượng tĩnh có khả tự thiết lập trạng thái cân tương ứng với độ lớn xung đầu vào, nên có tên gọi đối tượng có tự cân Khả tự cân lớn với xung bậc thang đầu vào, giá trị xác lập đầu sai lệch so với giá trị ban đầu Đối tượng tốc độ tuabin đối tượng có tự cân tăng lưu lượng nước tốc độ tuabin tăng dần tiến tới giá trị định tăng Điểm đặc trưng đối tượng cơng nghiệp có trễ vận tải có qn tính lớn Trễ vận tải thời gian kể từ thời điểm xuất xung đầu vào ( khác ) đến đại lượng bắt đầu thay đổi so với gái trị xác lập ban đầu Độ quán tính đối tượng phản ánh mức độ phản ứng chậm nó, kể từ đại lượng bắt đầu thay đổi Do có qn tính lớn trễ vận tải lên hầu hết cá đối tượng điều khiển công nghiệp đồng thời hệ thống điều khiển tương ứng lọc tần số thấp Do ta nhận thấy hàm truyền đối tượng tốc độ tuabin dạng qn tính bậc hai có trễ Dạng hàm truyền là: Trong đó: K – hệ số truyền; – số qn tính; – thời gian trễ Hình 1.3: Đặc tính q độ đối tượng có tự cân Nhiệm vụ điều chỉnh giữ cho đại lượng điều chỉnh đầu tốc độ tua bin không thay đổi đảm bảo tần số dòng điện ổn định mức 50Hz ( tương đương với tốc độ 1000 vịng/phút) Vì cần xây dựng điều khiển bền vững tối ưu A( s) Bộ điều khiển bền vững tối ưu có dạng: R(s) =  sB ( s ) Vì đối tượng tuabin có dạng qn tính bậc có trễ nên bậc B(s) cịn bậc A(s) bậc 2, điều chỉnh bền vững có dạng PID Hàm truyền điều chỉnh PID có dạng: Trong đó: – hệ số truyền; – số tích phân; – số vi phân 1.3.2 Phương pháp mơ hình hóa 1.3.2.1 Phương pháp kẻ tiếp tuyến Trên đồ thị đáp ứng độ, kẻ đường tiệm cận với đường cong trạng thái xác lập giúp xác định hệ số khuếch đại tính k Tiếp theo kẻ đường tiếp tuyến điểm mà đường cong có độ dốc lớn ( điểm uốn khâu quán tính bậc cao điểm xuất phát lên sau thới gian trễ với khâu quán tính bậc nhất) Giao điểm tiếp tuyến với đường trục thời gian cho ta thời gian trễ xấp xỉ Thực chất phương pháp sử dụng điểm quy chiếu Hình 1.4: Đặc tính q độ đối tượng tự cân bằng, có điểm uốn U(tu,hu) 1.3.2.2 Phương pháp dùng phần mềm CASCAD CASCAD tổ hợp chương trình phục vụ thiết kế hệ thống điều khiển bền vững tối ưu, phổ biến q trình cơng nghiệp Có thể dùng để mô hệ thống, cải tiến phận, thiết kế hệ thống CASCAD cho phép nhận dạng mơ hình hố đối tượng bất định, tổng hợp cấu trúc hệ thống, tổng hợp điều chỉnh khử nhiễu, giải toán tối ưu hoá tham số hệ thống phương pháp “vượt khe” CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 2.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu Ngồi nước: - Chưa có cơng trình nghiên cứu chế tạo loại điều khiển tuabin nước sử dụng van không trục - Trên thị trường, số nhà cung cấp Trung Quốc bán thiết bị tuabin nước cơng suất nhỏ (300÷500)W chất lượng thiết bị thấp, dễ gây hư hỏng cho thiết bị tải [4] - Một số cơng trình nghiên cứu mơ điều khiển tuabin nước cơng suất nhỏ, trình bầy kết nghiên cứu mơ hình hóa lý thuyết chưa có kết sản xuất thực tế [5] Trong nước: - Cơ sở tảng để nghiên cứu, thiết kế, chế tạo điều tốc kiểu van điều khiển không trục [1] - Bộ điều khiển tốc độ tuabin nước, ứng dụng đề cập Bộ mơn Tự động hóa cơng nghiệp, Viện điện (SEE), ĐH Bách Khoa Hà Nội Đây ứng dụng hướng nghiên cứu “Hệ điều khiển nhúng” kết hợp công nghệ Vi điều khiển, Điện tử cơng suất Cơ khí xác, theo cơng bố Bộ môn (http://see.hust.edu.vn/dv04-cac-huong-nghien-cuu) dùng cấu chấp hành truyền thống Hiện Bộ môn chưa công bố cơng trình hay thiết bị điều khiển tuabin thủy lực 2.2 Tuabin thủy lực 2.2.1 Khái niệm Tuabin thủy lực thiết bị động lực biến đổi lượng dòng nước (thủy năng) thành thông qua trục nối với máy phát điện để biến lượng nước thành điện 2.2.2 Mục đích sử dụng Tận dụng thủy suối sông nhỏ để tạo điện cung cho hộ gia đình gần ngồn thủy khu dân cư xa xôi nơi mà điện lưới quốc gia cấp tới Hiện trạng lượng nguồn tài nguyên than, đầu dần cạn kiệt tương lai khó đáp ứng nhu cầu lượng Vì cần đẩy nhanh nghiên cứu nguồn lượng tái tạo, thủy điện nhỏ, siêu nhỏ có tiềm chi phí xây dựng lắp đặt, bảo dưỡng thấp, hiệu cao, ảnh hưởng đến mơi trường an tồn Phục vụ mục tiêu điện khí hóa nơng thơn giảm chi phí đầu tư chuyển từ dùng PLC sang vi xử lý để điều khiển 2.2.3 Nhà cung cấp Trên thị trường chủ yếu loại tuabin máy phát có xuất xứ từ Trung Quốc với công suất siêu nhỏ (từ 1KW), với độ cao từ 4-5m sử dụng tuabin để phát điện, chi phí đầu tư thấp Ngồi có thêm loại tuabin xuất xứ từ nước châu Âu công suất siêu nhỏ loại siêu nhỏ (từ 10KW) chí phí đầu tư cao 2.2.4 Yêu cầu điều khiển tốc độ tuabin Mục đích sử dụng tuabin siêu nhỏ nhằm phát điện cấp cho hộ gia đình sử dụng, để cấp điện u cầu tần số phải ổn định Ở hộ gia đình ln có thời điểm tiêu thụ điện khác từ làm thay đổi tốc độ tuabin cần có điều tốc để giữ cho tốc độ tuabin ổn định Như sử dụng điện chiếu sáng sử dụng cho thiết bị điện khác mục đích sử dụng khác nâng cao hiệu đầu tư kinh tế cổng 2M, chân 10 cực dương nối vào AI PLC để cấp tín hiệu tốc độ cho PLC Khi có thay đổi tốc độ quay tuabin PLC nhận tín hiệu cho vào PID để điều chỉnh độ mở van xuất tín hiệu qua cổng DO 0, tín hiệu vào mạch opto để điều chỉnh độ mở van không trục thay dổi lưu lượng nước qua van Mạch opto sử dụng tlp 250 có nhiệm vụ cách ly khối điều khiển với khối công suất tạo xung cho chân PWM servo để thay đổi độ mở van không trục 16 CHƯƠNG III: PHƯƠNG PHÁP LẤY SỐ LIỆU VÀ NHẬN DẠNG ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN 3.1 Phương pháp lấy số liệu Bước 1: Khởi động hệ thống, hệ thống hoạt động ổn định với thông số sau: Công suất P = 400W, điện áp 220V Tốc độ tuabin 1000 vịng/phút Hình 3.1: Khi hệ thống hoạt động công suất 400W Bước 2: Thay đổi phụ tải cách tắt bớt bóng đèn mắc nối tiếp, cơng suất từ 400W giảm xuống 300W 17 Hình 3.2: Khi hệ thống hoạt động công suất 300W Bước 3: Khi phụ tải giảm xuống tốc độ tuabin tăng lên, số liệu tốc độ tuabin ghi lại phần mềm điều khiển theo dạng đồ thị Hình 3.3: Đồ thị thay đổi tốc độ tuabin theo thời gian Bước 4: Từ đồ thị liệu ta thu bảng số liệu sau 18 3.2 Nhận dạng đối tượng điều khiển tốc độ phần mềm vcascad Nhập số liệu vào phần mềm vscascad ta đường thực nghiệm hình sau Hình 3.4: Đường cong thực nghiệm Thực bước mơ hình hóa đối tượng ta thu hàm truyền đối tượng đường đặc tính sau 19 Hàm truyền: Hình 3.5: Đường cong sau nhận dạng Ta dễ dàng thấy đường cong sau nhận dạng với đường cong thực có sai lệch, nguyên nhân việc lấy số liệu chưa nhiều, thực nghiệm nhiều lần, dựng nhiều đường cong thực nghiệm dùng phương pháp thống kê từ dựng đường cong cách gần xác Sau thực thiết kế tổng hợp điều chỉnh vcascad thu hàm truyền điều chỉnh 20 Hình 3.6: Tổng hợp điều khiển vcascad Đáp ứng hệ thống theo kênh điều khiển: Hình 3.7: Đáp ứng đầu theo kênh điều khiển Nhận thấy độ điều chỉnh cao nên ta giảm hệ số khuếch đại xuống khoảng 15% thu đáp ứng đầu theo kênh điều khiển sau 21 Hình 3.8: Đáp ứng đầu theo kênh điều khiển sau hiệu chỉnh 22 Nhận thấy sau giảm hệ số khuếch đại độ điều chỉnh giảm xuống thời gian điều chỉnh tăng lên Ta thu đưuọc điiều chỉnh sau: CHƯƠNG IV: LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 4.1 Phần mềm điều khiển Lưu đồ thuật tốn 23 Hình 4.1: Lưu đồ thuật tốn điều Lập trình PLC ta cần khai báo biến sau: Từ thông số PID tổng hợp vcascad ta đưa vào điều khiển PID PLC 24 Khi hệ thống vận hành với điều khiển chưa hiệu chỉnh ta có đường đặc tính sau: 25 Từ đồ thị nhận thấy giảm phụ tải tốc độ tuabin tăng lên 1170 vòng/phút, thời gian điều chỉnh tốc độ tuabin lại mức giá trị đặt ban đầu 2,9s Hình 4.2: Tốc độ thực tế tuabin thay đổi chưa hiệu chỉnh lại điều khiển Ta thấy chưa có hiệu chỉnh lại điều khiển, tốc độ tua bin thực tế 1201 vòng/phút phù hợp với giá trị điều chỉnh Khi hệ thống vận hành với điều khiển hiệu chỉnh ta có đường đặc tính sau: 26 Từ đồ thị nhận thấy giảm phụ tải tốc độ tuabin tăng lên 1110 vòng phút, thời gian điều chỉnh tốc độ tuabin lại mứ giá trị đặt ban đầu 3,4s Hình 4.3: Tốc độ thực tế tuabin thay đổi hiệu chỉnh lại điều khiển Ta thấy hiệu chỉnh lại điều khiển tốc độ thực tế tuabin 1161 vòng/phút phù hợp với giá trị 27 4.2 Giao diện vận hành Giao diện vận hành thiết kế phần mềm WinCC, với thông số hiển thị tốc độ tuabin tức thời biểu đồ tốc độ tuabin theo thời gian thực Ta dễ dàng nhận thay đổi tốc độ tuabin thay đổi tải hình hiển thị 28 KẾT LUẬN Đề tài hoàn thành việc điều khiển tốc độ tuabin công suất siêu nhỏ với van không trục Nhận thấy kết tính tốn phần mềm vscascad kết thực nghiệm điều khiển hệ thống gần giống Hệ thống điều khiển sử dụng PLC s7 1200, van không trục phần mềm điều khiển hoàn toàn phù hợp để thiết kế, xây dựng mơ hình định chỉnh cho sinh viên thực thí nghiệm q trình học tập Từ triết lý thiết kế ứng dụng vào thực tế thiết kế điều khiển với vi xử lý thiết bị đo nhỏ gọn, giảm bớt thiết bị hiển thị không cần thiết Hướng nghiên cứu tiếp theo, nghiên cứu hệ thống thay đổi phụ tải khác để kiểm tra tính bền vững hệ thống Nghiên cứu hệ thống với công suất lớn 1KW để kiểm tra độ làm việc van không trục, nghiên cứu hệ thống làm việc với vi xử lý để hướng đến áp dụng vào thực tế chế tạo … 29 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1) Đề tài NCKH cấp Bộ: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo cấu chấp hành van điều chỉnh không trục”, mã số B-2008-01-203 PGS TSKH Nguyễn Văn Mạnh, nghiệm thu năm 2010 2) Do Cao Trung, A method tuning thermal process control system in startup period, MATEC Web of Conferences 54, 04001 (2016) https://doi.org/10.1051/matecconf/20165404001 3) Shahidur R Khandker, Douglas F Barnes, Hussain Samad, Nguyen Huu Minh: “Welfare Impacts of Rural Electrification: Evidence from Vietnam”, World Bank September, 2008 4) Emil pop, Monica leba, Camelia tabacaru-barbu, Maria pop: “Modeling, Simulation and Control of Pico-hydro Power Plant”, 4th WSEAS/IASME International Conference on DYNAMICAL SYSTEMS and CONTROL (CONTROL'08) Corfu, Greece, October 26-28, 2008 5) Camelia barbu, Adrian dinoiu, Petre vamvu: “Modeling and Simulation of Pico-Hydro Power Plant Case Study in Southern Carpathians”, Latest Trends in Renewable Energy and Environmental Informatics 6) Nguyễn Văn Mạnh: “Bài giảng Lý thuyết điều chỉnh trình nhiệt” 30 ... công bố cơng trình hay thiết bị điều khiển tuabin thủy lực 2.2 Tuabin thủy lực 2.2.1 Khái niệm Tuabin thủy lực thiết bị động lực biến đổi lượng dòng nước (thủy năng) thành thông qua trục nối với... đình sử dụng, để cấp điện u cầu tần số phải ổn định Ở hộ gia đình ln có thời điểm tiêu thụ điện khác từ làm thay đổi tốc độ tuabin cần có điều tốc để giữ cho tốc độ tuabin ổn định Như sử dụng. .. kết nối với ngõ vào AI PLC s7 – 1200 Chân cực âm nối vào 15 cổng 2M, chân 10 cực dương nối vào AI PLC để cấp tín hiệu tốc độ cho PLC Khi có thay đổi tốc độ quay tuabin PLC nhận tín hiệu cho vào