Thiết kế và xây dựng bộ pid để điều khiển mực nước trong bể chứa công nghiệp ứng dụng plc kết nối với biến tần

Cùng với sự phát triển của xã hội, đời sống người dân ngày càng được nâng cao, việc thay thế các hoạt động thủ công bằng các thiết bị tự động cũng được người dân ứng dụng nhiều trong công nghiệp cũng như trong sinh hoạt. Công nghệ tự động giám sát và điều khiển mức chất lỏng cũng được nhiều công ty, xí nghiệp cũng như các nhà máy ứng dụng nhiều nhằm thay thế việc giám sát và điều khiển mức chất lỏng bằng 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 một cách tin cậy mà không cần sự kiểm tra trực tiếp của con người. Công nghệ này được ứng dụng nhiều trong việc xứ lý nước thải, lọc hoá dầu, nhà máy nước, nhà máy nhiệt điện, thuỷ điện, điện hạt nhân, các bể nước, tháp nước tự động…

ỨNG DỤNG CỦA ĐỀ TÀI TRONG THỰC TIỄN

Đặt vấn đề

Tự động hoá đang trở thành xu hướng công nghệ hiện đại nhằm giảm sức lao động trong sản xuất và sinh hoạt hàng ngày Điều khiển tự động và tự động hóa là những phương hướng phát triển chủ yếu trong ngành công nghiệp sản xuất, giúp tối ưu hóa tiềm năng sẵn có và đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về trang thiết bị hiện đại Sự ứng dụng thành công của lý thuyết điều khiển tối ưu, công nghệ thông tin, công nghệ máy tính, và công nghệ điện điện tử trong những năm gần đây đã dẫn đến sự phát triển mạnh mẽ của thiết bị điều khiển lập trình PLC.

Công nghệ tự động điều khiển và giám sát mức chất lỏng đang được nhiều công ty và nhà máy áp dụng để thay thế phương pháp thủ công Công nghệ này đảm bảo kiểm soát và điều khiển lưu lượng chất lỏng, cũng như bơm và xả chất lỏng một cách tin cậy mà không cần sự can thiệp của con người Nó được ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải, lọc hóa dầu, nhà máy nước, nhà máy thủy điện, hệ thống làm mát nhiệt điện, hệ thống làm mát điện hạt nhân, và các bể nước, tháp nước tự động.

Ứng dụng thực tế

Quản lý hiệu quả các loại chất lỏng như nước, dầu mỏ, xăng và nước thải đang trở thành một vấn đề quan trọng trong thời đại hiện nay Đề tài “Điều khiển và xây dựng bộ PID để điều khiển mức nước trong bể chứa công nghiệp ứng dụng PLC kết nối biến tần” được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp và nông nghiệp Nó đóng vai trò thiết yếu trong việc giám sát và quản lý chất lỏng tại nhiều công ty, xí nghiệp và nhà máy.

Hiện nay, có nhiều phương pháp giám sát và quản lý chất lỏng, bao gồm cả phương pháp thủ công và tự động hóa Xu hướng hiện tại là tự động hóa quá trình này để giảm bớt sức lao động của con người Đặc biệt, đề tài "Điều khiển và xây dựng bộ PID để điều khiển mức nước trong bể chứa công nghiệp ứng dụng PLC kết nối biến tần" đang được nhiều cá nhân và tổ chức áp dụng.

Một số lĩnh vực ứng dụng công nghệ điều khiển và giám sát mức chất lỏng trong thực tế

a Lĩnh vực sản xuất Điện

Phần lớn việc quản lý và giám sát chất lỏng trong các nhà máy nhiệt điện tập trung vào hệ thống làm mát cho các bình ngưng

Hình 1.1: Hệ thống làm mát bình ngưng trong một nhà máy nhiệt điện

Trong nhà máy nhiệt điện đốt than sử dụng tuabin ngưng hơi, hệ thống tuần hoàn bình ngưng đóng vai trò quan trọng trong chu trình nhiệt, giúp thải khoảng 40 - 45% nhiệt lượng mà nước nhận từ lò hơi Mặc dù lượng nhiệt cần thải đi lớn, nhưng quá trình này phải diễn ra ở nhiệt độ gần với môi trường Do đó, hiệu quả thải nhiệt và hiệu suất chu trình của nhà máy nhiệt điện rất nhạy cảm với các yếu tố môi trường và điều kiện truyền nhiệt trong bình ngưng.

Công nghệ quán lý và giám sát mức nước cũng được ứng dụng nhiều trong các hệ thống làm mát ở các nhà máy nhiệt điện

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý một nhà máy điện hạt nhân

Thủy điện là nguồn năng lượng điện được tạo ra từ sức mạnh của nước, chủ yếu từ thế năng của nước được tích trữ tại các đập Năng lượng này được sử dụng để làm quay tuabin và máy phát điện, sản xuất ra điện năng.

Việc điều tiết nước trong sản xuất điện là rất quan trọng, yêu cầu sự tự động hóa để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả Các nhà máy thủy điện thường trang bị hệ thống tự động để đo và điều chỉnh lưu lượng nước, từ hồ chứa đến hệ thống điều khiển tuabin, nhằm tối ưu hóa quá trình phát điện Để đạt được hiệu quả cao trong sản xuất, thủy điện cần áp dụng các công nghệ tiên tiến trong việc quản lý và sử dụng nguồn nước.

Điều khiển và xây dựng bộ PID là một phương pháp quan trọng để quản lý mức nước trong bể chứa công nghiệp, đặc biệt khi ứng dụng PLC kết nối với biến tần Việc này không chỉ nâng cao hiệu quả sản xuất điện mà còn đóng góp tích cực trong lĩnh vực xử lý nước thải.

Nước thải có mặt ở khắp nơi, đặc biệt các khu công nghiệp, các nhà máy, xí nghiệp, bệnh viện…

Trong những năm gần đây, nhiều tổ chức và cơ quan đã áp dụng công nghệ vào xử lý nước thải nhằm thực hiện chiến lược bảo vệ môi trường Nước thải hiện diện rộng rãi, đặc biệt tại các khu công nghiệp, nhà máy, xí nghiệp và bệnh viện.

Trong những năm gần đây, nhiều tổ chức đã áp dụng công nghệ vào xử lý nước thải để thực hiện chiến lược bảo vệ môi trường hiệu quả Một ví dụ điển hình về hệ thống xử lý nước thải cho thấy sự tiến bộ trong việc quản lý và giảm thiểu ô nhiễm nguồn nước.

Hình 1.3: Quy trình công nghệ xử lý nước thải mực in

Quy trình liên kết các bể chứa nước thải một cách logic cho thấy tầm quan trọng của việc giám sát và điều khiển nước thải nhằm tối ưu hóa hiệu suất hệ thống và giảm chi phí vận hành Hệ thống này có thể áp dụng cho đề tài "Điều khiển và xây dựng bộ PID để điều khiển mức nước trong bể chứa công nghiệp ứng dụng PLC kết nối biến tần".

- Nhà máy cung cấp nước đô thị

Trong các thành phố, việc cung cấp nước sạch là rất quan trọng để đáp ứng đầy đủ nhu cầu sinh hoạt của người dân Hệ thống cấp nước cần phải đảm bảo luôn đáp ứng nhu cầu sử dụng, vì lượng nước tiêu thụ có thể biến động Do đó, cần thiết phải điều chỉnh hệ thống để duy trì áp suất bơm trong đường ống luôn ổn định.

Hình 1.4: Cấu trúc hệ thống điều khiển một nhà máy nước

Nhà máy sản xuất nước tinh khiết

Hầu hết các nhà máy sản xuất nước tinh khiết hiện nay đều áp dụng công nghệ giám sát mức chất lỏng để quản lý và điều khiển hệ thống sản xuất hiệu quả.

Nước được bơm từ nguồn vào hệ thống lọc, bao gồm bồn lọc lon, bồn lọc cơ học và bồn lọc than, sau đó trải qua quá trình khử trùng bằng tia cực tím trước khi được đưa ra sử dụng.

Hình 1.5: Công nghệ sản xuất nước tinh khiết

Trong chương 1, tôi đã nghiên cứu một số lĩnh vực liên quan đến việc điều khiển và giám sát mức nước trong hệ thống điện Việc này đặc biệt quan trọng trong sản xuất nước, giúp nâng cao hiệu suất sản xuất trong hệ thống điều khiển tự động hóa Dựa trên những kiến thức đã thu thập, tôi xin đề xuất nội dung cho phần chương tiếp theo.

2 sẽ đi nghiên cứu các thiết bị điều khiển và cơ cấu chấp hành trong hệ thống.

TÌM HIỂU CÁC THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN VÀ CƠ CẤU CHẤP HÀNH

Tổng quan về mô hình

Mô hình "Điều khiển mức chất lỏng bằng PLC" chủ yếu sử dụng các thiết bị điện với nguồn cung cấp xoay chiều ba pha và một pha Các thiết bị này được áp dụng rộng rãi trong thực tế.

- Đông cơ bơm KĐB 3 pha 0.75kW

- Van xả chất lỏng, ống nhựa phi 27

- Một bể kính đựng chất lỏng kích thước (20x20x25cm)

- Một bể kính cấp chất lỏng cho bể điều khiển kích thước (25x25x40cm)

Mô hình thiết kế trong đồ án cần có kích thước nhỏ hơn so với thực tế, và một số thiết bị trên mô hình có công suất thấp hơn nhiều, do đó chưa hoàn toàn phản ánh chính xác thực tế.

Tìm hiểu các thiết bị vận hành

Biến tần là thiết bị chuyển đổi dòng điện xoay chiều từ tần số này sang tần số khác, cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều Ngoài việc thay đổi tần số, biến tần còn có khả năng điều chỉnh điện áp đầu ra khác với điện áp đầu vào.

Biến tần thường chia làm hai loại:

- Biến tần gián tiếp a, Biến tần trực tiếp

Biến tần trực tiếp là thiết bị chuyển đổi tần số từ lưới điện xoay chiều mà không cần qua khâu trung gian một chiều, với tần số đầu ra điều chỉnh nhảy cấp và nhỏ hơn tần số lưới (f1 < flưới) Tuy nhiên, loại biến tần này hiện nay ít được sử dụng Ngược lại, biến tần gián tiếp cần thông qua một khâu trung gian một chiều để thực hiện quá trình biến đổi tần số, do đó được gọi là biến tần gián tiếp.

Tầm quan trọng của biến tần trong công nghiệp

Biến tần cho phép điều khiển tốc độ động cơ một cách linh hoạt, giúp người dùng dễ dàng điều chỉnh tốc độ theo nhu cầu và mục đích sử dụng.

Chức năng điều khiển tốc độ động cơ lên đến 16 cấp giúp kiểm soát gia tốc và giảm tốc hiệu quả, phù hợp với nhiều loại động cơ khác nhau Hệ thống bảo vệ quá tải, quá áp, thấp áp, quá dòng, thấp dòng và quá nhiệt động cơ đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành, giúp người vận hành yên tâm hơn khi sử dụng.

Biến tần tối ưu hóa hoạt động của dây chuyền sản xuất bằng cách tiết kiệm điện năng và đồng bộ hóa hoạt động của các thiết bị, đặc biệt là động cơ Điều này không chỉ giúp hệ thống hoạt động trơn tru mà còn thân thiện với người sử dụng và giảm thiểu chi phí bảo trì, bảo dưỡng.

Trong nhiều hoạt động công nghiệp, tốc độ động cơ điện đóng vai trò quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm và sự ổn định của hệ thống Chẳng hạn, trong các máy ép nhựa làm đế giày, cán thép hay hệ thống tự động pha trộn nguyên liệu, việc điều khiển và duy trì ổn định tốc độ động cơ là yếu tố then chốt cho hiệu quả hoạt động của các hệ thống điều khiển trong ngành công nghiệp.

Hình 2.1: Biến tần LS IC5

Biến tần IC5 nổi bật với công nghệ điều khiển theo vectơ không cảm biến, cho phép cải tiến khả năng điều chỉnh đặc tuyến momen và tốc độ trong các điều kiện tải không ổn định.

Thuật toán tự động dò thông số trong iC5 điều chỉnh các hệ số động cơ một cách tự động, giúp giảm thiểu các cản trở chính ở tốc độ thấp do sự biến đổi của tải và mô men, từ đó duy trì sự ổn định cho hệ thống.

Khó khăn trong đo lường động cơ không đổi

+ Các lỗi đầu vào do người sử dụng

+ Momen thấp ở tốc độ thấp

+ Tốc độ thấp do sự thay đổi tải

+ Cài đặt bởi chuyên gia

+ Cài đặt bởi người sử dụng

+ Momen được cải thiện ở tốc độ thấp

+ Tự động dò thông số động cơ

+ Điều khiển động cơ ổn định

IC5 chuyển đổi tín hiệu PNP và NPN cho các bộ điều khiển bên ngoài, hoạt động hiệu quả ở điện áp 24VDC mà không phụ thuộc vào dạng tín hiệu của PLC hay thiết bị khác.

Giao tiếp bề mặt Modbus-RTU do IC5 cung cấp là giải pháp phổ biến nhất cho việc điều khiển từ xa thông qua PLC hoặc các thiết bị khác.

Quy trình điều khiển PID trong iC5 cho phép điều chỉnh tốc độ nhanh chóng và chính xác, giúp kiểm soát hiệu quả các yếu tố như lưu lượng, nhiệt độ và áp suất, đồng thời giảm thiểu hiện tượng vọt lố và dao động.

Hình 2.2 Ý nghĩa tên của biến tần Ls

SV 008 IC5 1 Điện áp vào Tên sản phẩm Động cơ danh định (004: 0.4kW ~ 022:

Hình 2.3 Thông số biến tần IC5

Bảng 2.1 Đặc điểm kỹ thuật ( Mức200-230V)

FLA[A] Điện áp Tần số

0 đến 400Hz Đầu vào danh định Điện áp Tần số

Bảng 2.2 Điều khiển của biến tần

Phương thức điều khiển Điều khiển V/F, Điều khiển theo vectơ cảm biến

Cài đặt tần số Tham chiếu digital:

Tham chiếu analog: 0.06Hz/60Hz

Cài đặt tần số chính xác digital : 0.01% của tần số ra max digital : 0.1% của tần số ra max

Tỷ lệ V/F Thẳng, vuông, sử dụng

Khả năng chịu quá tải

1 phút ở 150%, 30s ở 200% ( Với đặc trưng đảo ngược) Tăng Momen Bằng tay ( Điều chỉnh 0 đến 15%), Tự động

Bảng 2.3 Hoạt động của biến tần

Tín hiệu vào Điều khiển hoạt động

Mở rộng thời gian tăng/ giảm tốc độ

Dừng khẩn Jog Reset lỗi

Bàn phím/ Từ xa/ Truyền thông

The RS485 communication protocol supports both forward and reverse functions, allowing for versatile connectivity options It offers up to eight adjustable speeds, ranging from 0.1 to 6000 seconds Additionally, users can utilize up to eight different configurations with the extended connectivity feature.

Người dùng có thể lựa chọn đặc tuyến tăng/giảm tốc với các hình dạng thẳng, U hoặc S Biến tần có chức năng ngắt đầu ra và hỗ trợ hoạt động Jog Ngoài ra, hệ thống cũng cho phép reset lỗi khi chức năng bảo vệ được kích hoạt.

Trạng thái hoạt động Đầu ra lỗi

Dò tần số và báo quá tải là các chức năng quan trọng trong hệ thống điều khiển Ngoài ra, việc xử lý các tình huống như kẹt, quá áp, và thấp áp là cần thiết để đảm bảo an toàn Quá nhiệt biến tần có thể dẫn đến hỏng hóc, vì vậy việc theo dõi tình trạng chạy, dừng, và tốc độ không đổi là rất quan trọng Dò tốc độ và phát hiện lỗi đầu ra, bao gồm đầu ra rơle và đầu ra không tiếp điểm, giúp nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

Chọn một dạng tín hiệu ra của tần số, dòng, điện áp và điện áp DC (Điện áp ra: 0~10V)

Hãm DC, Giới hạn tần số, Tần số nhảy, Chức năng thứ 2,

Bù vòng trượt, Chống đảo chiều, Tự động restart, Điều khiển PID

Sơ đồ mạch điện của biến tần

Hình 2.4 Sơ đồ khối biến tần IC5

+ 1.●●= Chân mạch động lực ○○ = Chân mạch điều khiển

+ 2 Điện áp đầu ra analog có thể điều chỉnh lên 12 V

+ 3 Lệnh chạy có thể đặt được bằng điện áp, dòng, điện áp+ dòng, bàn phím, bàn phím Knob + điện áp và bàn phím Knob+dòng

Hình 2.5 Đấu dây biến tần LS IC5

Bảng 2.4 Mô tả chân đấu L1, L2, U, V, W, P, P1, G

Chân đấu Tín hiệu Mô tả

L1, L2 Đầu vào AC Đầu vào 1pha AC

U, V, W Đầu ra Biến tần Đầu ra 3pha đến động cơ

P, P1 DC reactor Kết nối DC reactor

Bảng 2.5 Mô tả chân đấu P1, P2, P3, P4, P5, P24, VR, I, CM, AM-CM, 30A,30C, 30B, MO-EXTG

Chân đấu Tín hiệu Mô tả Đầu vào

P1, P2 Đầu vào đa chức năng Được sử dụng cho đa chức năng đầu vào thiết lập mặc định như sau:

P1 = FX, Forward P2 = RX, Reverse P3 = BX, Emergency stop

P5 PNP DC24V Đầu ra Cung cấp nguồn DC24V ở chế độ PNP

P24 Công suất cài đặt tần số

Công suất cho cài đặt tần số analog Đẩu ra max là +12V

VR Cài đặt tần số (Điện áp) Đầu vào DC 0 đến 10V để đặt tần số Điện trở vào là 20kΩ

I Cài đặt tần số (Dòng) Đầu vào DC 4 đến 20mA để đặt tần số Điện trở vào là

Chân chung cho tín hiệu cài đặt tần số analog và FM (cho màn hình)

Chân ra AM-CM Cho màn hình Đầu ra của Tần số ra, Dòng ra, Điện áp và điện áp DC ra

Mặc định của nhà máy là tần số ra Điện áp ra MAX=0 Dòng ra = 10mA

Ngắt đầu ra khi chức năng bảo vệ hoạt động hoặc tín hiệu đầu ra đa chức năng

Chân rơle đa chức năng : Max AC250V/1A, DC30V/1A

30B Chân đầu ra không tiếp điểm

Chân đầu ra không tiếp điểm: Max DC24V 50mA MO-

Bảng 2.6 Bàn phím biến tần LS IC5

Phím Chức năng Mô tả

RUN Phím chạy Làm biến tần hoạt động

STOP/RESET Phím Dừng/reset

Làm dừng hoạt động hay reset trong trường hợp có lỗi

● Chương trình/chọn Làm thay đổi thông số và lưu chúng

KNOB(Volume) Tần số Làm thay đổi tần số

NPN/PNP Lựa chọn Lựa chọn chế độ giữa

▲ Lên Tăng giá trị thông số

▼ Xuống Giảm giá trị thông số

◄ Trái Di chuyển con trỏ sang trái

► Phải Di chuyển con trỏ sang phải Đặt biến tần bằng nhóm chức năng Input/Output (I/O Group)

Bảng 2.7 Cài đặt biến tần bằng nhóm chức năng Input/Output (I/O Group)

1 Cấp nguồn điện AC cho biến tần

2 0.0 Khi màn hình hiển thị 0.0, hãy bấm phím Prog/Ent (●) một lần

3 0.0 - Chữ số thứ hai trong 0.0 sáng

4 00.0 - Khi màn hình hiển thị 0.0 và số 0 đầu tiên sáng

5 10.0 - 10.0 được cài Bấm phím Prog/Ent (●) một lần

- 10.0 nhấp nháy Bấm phím Prog/Ent (●) một lần

6 10.0 - Tần số chạy được cài đặt là 10.0 Hz khi dừng nhấp nháy

- Mở switch giữa P1(FX) và thiết bị đầu cuối CM

- FWD (FWD chạy) bắt đầu nháy và tần số tăng được hiển thị trên

- Khi mục tiêu tần số đạt tới 10 Hz, 10.0 được hiển thị

- Tắt switch giữa P1(FX) và thiết bị đầu cuối CM

- FWD (FWD chạy) bắt đầu nháy và tần số giảm được hiển thị trên LED

- Khi chạy tần số đạt 0 Hz, đèn FWD tắt và 10.0 được hiển thị

Hình 2.6 Các nhóm thông số biến tần IC5

Bảng 2.8 Nhóm chức năng biến tần LS IC5

Nhóm biến tần Các thông số cơ bản như lệnh tần số, thời gian tăng giảm tốc…

Nhóm chức năng 1 Các thông số chức năng cơ bản như tần số max, tăng momen…

Nhóm chức năng 2 Các thông số ứng dụng như tần số nhảy, giới hạn tần số max/min…

Nhóm Input/Output Các thông số dựng thành chuỗI như cài đặt khối đa chức năng, hoạt động tự động…

Nguyên lý hoạt động của động cơ bơm dựa vào chuyển động quay của động cơ điện, giúp hút chất lỏng từ đầu vào và đẩy ra đầu ra nhờ áp suất tạo ra từ chuyển động này Ngoài động cơ bơm chất lỏng một chiều, còn tồn tại các loại động cơ bơm hai chiều.

Mô hình sử dụng động cơ không đồng bộ 3 pha có thông số kỹ thuật cơ bản như sau

Tần số : 50 Hz Điện áp : 220V (Đấu tam giác), 380V (Đấu sao)

Cường độ dòng điện : 3.2 A (Đấu tam giác), 1.6 A (Đấu sao)

Hình 2.7 Động cơ bơm sử dụng trong mô hình

Phương pháp điều khiển PID

Bộ điều khiển PID là thiết bị quan trọng trong hệ thống điều khiển tự động, sử dụng kỹ thuật điều khiển vòng lặp có hồi tiếp Nó hoạt động bằng cách điều chỉnh sai lệch giữa tín hiệu đầu ra và đầu vào, từ đó phát tín hiệu điều khiển nhằm tối ưu hóa quá trình.

Hình 0.8: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vòng kín

Bộ điều khiển PID là một cơ chế điều khiển hồi tiếp phổ biến trong hệ thống điều khiển công nghiệp nhờ vào tính dễ sử dụng Nó hoạt động bằng cách điều chỉnh giá trị biến đo được so với giá trị mong muốn, thông qua việc tính toán và xuất ra một tín hiệu điều chỉnh nhanh chóng, nhằm giữ cho sai lệch ở mức tối thiểu.

Bộ điều khiển PID gồm 3 thông số riêng: Khâu tỷ lệ, khâu tích phân và khâu vi phân

Thành phần tỉ lệ Kp giúp tăng tốc độ phản hồi của hệ thống, đồng thời giảm thiểu sai số xác lập (steady-state error) mà không hoàn toàn loại bỏ chúng.

Thành phần tích phân Ki có tác dụng triệt tiêu sai số xác lập nhưng có thể làm giảm tốc độ đáp ứng của hệ

Thành phần vi phân Kd làm tăng độ ổn định hệ thống, giảm độ vọt

Bộ điều khiển PID gồm 3 thông số riêng: Tỷ lệ, Tích phân và Vi phân

Thành phần tỉ lệ (Kp) giúp tăng tốc độ đáp ứng của hệ thống, đồng thời làm giảm sai số xác lập (steady-state error) mà không hoàn toàn triệt tiêu nó.

Thành phần tích phân (Ki) có tác dụng triệt tiêu sai số xác lập nhưng có thể làm giảm tốc độ đáp ứng của hệ

Thành phần vi phân (Kd) làm tăng độ ổn định hệ thống, giảm độ vọt lố và cải thiện tốc độ đáp ứng của hệ

Khi thiết kế bộ PID cần phải theo các bước sau để có kết quả như mong muốn :

Hình 0.9 Thành phần bộ điều khiển PID

Tìm đáp ứng hệ hở và xác định thông số nào cần cải thiện

Thêm thành phần K P để cải thiện thời gian đáp ứng

Thêm thành phần K d để giảm độ vọt lố

Thêm thành phần K i để triệt tiêu sai số xác lập Điều chỉnh K P , K d , K i cho đến khi đáp ứng các thông số yêu cầu ban đầu

2.3.1 Phương pháp xác định các thông số hàm PID

Xác định được mô hình toán học của đối tượng, phải phù hợp với đối tượng cũng như thỏa mãn yêu cầu của bài toán thiết kế

Trong ngành điện – điện tử, bộ điều khiển PID được ứng dụng rộng rãi với hai loại thiết kế chính là điều khiển liên tục và điều khiển rời rạc Bài viết này trình bày mô phỏng hệ thống bồn nước đơn, thực hiện thông qua thực nghiệm sử dụng bộ điều khiển PLC, nhằm quan sát sự ổn định của hệ thống khi điều chỉnh các giá trị PID.

Phương trình vi phân mô tả hệ thống bồn nước đơn max min min max

Bảng 2.9 Đại lượng của phương trình mô hình toán

 Biến trạng thái u(t) Điện áp điều khiển máy bơm theo thời gian

0  u t ( ) 12  V h(t) Độ cao mực chất lỏng trong bồn theo thời gian cm

A(h) Tiết diện ngang bồn chứa cm 2 hmax Độ cao cực đại của bồn chứa cm

Tiết diện ngang cực đại và cực tiểu (cm²) có hệ số tỷ lệ với công suất máy bơm (cm³/sec), trong khi tiết diện van xả (cm²) và gia tốc trọng trường (cm²/sec) cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.

Phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai được áp dụng cho các hệ thống có khâu tích phân lý tưởng, chẳng hạn như mực chất lỏng trong bồn chứa và vị trí hệ truyền động sử dụng động cơ Phương pháp này cho phép đáp ứng quá độ của hệ hở tăng lên vô cùng Cách thực hiện phương pháp này bao gồm các bước cụ thể để tối ưu hóa hiệu suất hệ thống.

Xác định hằng số khuếch đại tới hạn

Thay bộ điều khiển PID trong hệ kín bằng bộ khuếch đại tới hạn

Tăng hệ số khuếch đại tới giá trị tới hạn để hệ kín ở chế độ biên ổn định, tức là hàm đầu ra có dạng dao động điều hòa

Xác định chu kì T_th của dao động Đáp ứng nấc của hệ kín khi k = k_th

Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai

Bộ điều khiển KP TN TV

Thông số của bộ điều khiển được cho

2.3.2 Ưu nhược điểm khi sử dụng bộ điều khiển PID

Chỉ số KP, KI, KD được xác định qua thực nghiệm và tính toán, đảm bảo độ chính xác cao cho giá trị đầu ra Cơ chế điều khiển vòng lặp giúp giảm thiểu độ vọt lố của giá trị đầu ra.

Bộ điều khiển nuôi tiến vòng hở kết hợp với bộ điều khiển PID vòng kín giúp tạo ra một hệ thống điều khiển có độ nhạy cao, ổn định và đáng tin cậy hơn.

Một vấn đề thường gặp với bộ PID lý tưởng là hiện tượng tích phân khởi động, xảy ra khi có sự thay đổi lớn ở điểm đặt Điều này dẫn đến việc khâu tích phân tích lũy một sai số đáng kể trong quá trình tăng, gây ra hiện tượng vọt lố và duy trì sai số tích lũy bị gián đoạn.

Các bộ điều khiển PID gặp vấn đề khi áp dụng cho các hệ phi tuyến do tính chất tuyến tính và đối xứng của chúng Trong điều khiển nhiệt độ, một ví dụ điển hình là quá trình nung nóng chủ động thông qua bộ nung, trong khi làm lạnh lại diễn ra một cách thụ động, chỉ ngừng cung cấp nhiệt mà không có cơ chế làm lạnh chủ động Điều này dẫn đến việc loại trừ quá độ một cách chậm chạp, không thể thực hiện ép buộc hiệu quả.

Một vấn đề với khâu vi phân là một lượng nhỏ đại lượng đo lường hoặc xử lý nhiễu có thể gây ra các thay đổi lớn ở đầu ra.

Bộ Điều Khiển PLC S7-1200

Bộ điều khiển logic khả trình (PLC) S7-1200 cung cấp tính linh hoạt và sức mạnh vượt trội trong việc điều khiển nhiều thiết bị khác nhau, đáp ứng các yêu cầu tự động hóa Với thiết kế nhỏ gọn, cấu hình linh hoạt và tập lệnh mạnh mẽ, S7-1200 trở thành giải pháp lý tưởng cho nhiều ứng dụng đa dạng.

Bằng cách tích hợp bộ vi xử lý, bộ nguồn và các mạch ngõ vào, ngõ ra trong một thiết kế nhỏ gọn, CPU trong S7-1200 đã tạo ra một PLC mạnh mẽ Sau khi tải chương trình, CPU sẽ lưu trữ mạch logic cần thiết để giám sát và điều khiển thiết bị trong ứng dụng Nó giám sát các ngõ vào và điều chỉnh ngõ ra dựa trên logic của chương trình, có thể thực hiện các hoạt động như logic Boolean, đếm, định thì, các phép toán phức tạp và giao tiếp với các thiết bị thông minh khác.

Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ việc truy xuất đến cả CPU và chương trình điều khiển:

 Mỗi CPU cung cấp một sự bảo vệ bằng mật khẩu cho phép người dùng cấu hình việc truy xuất đến các chức năng của CPU

 Người dùng có thể sử dụng chức năng “know-how protection” để ẩn mã nằm trong một khối xác định

CPU có cổng PROFINET cho phép giao tiếp qua mạng PROFINET, trong khi các module truyền thông hỗ trợ kết nối qua các mạng RS232 và RS485.

2.4.1 Cấu trúc chung của PLC

PLC được sản xuất bởi nhiều hãng khác nhau, mỗi hãng cung cấp nhiều dòng sản phẩm và phiên bản với tính năng và giá thành đa dạng, phù hợp với các bài toán từ đơn giản đến phức tạp Các bộ ghép mở rộng cho phép kết nối nhiều PLC nhỏ, giúp thực hiện các chức năng phức tạp và giao tiếp với máy tính để tạo thành một mạng tích hợp, từ đó theo dõi, kiểm tra và điều khiển quy trình công nghệ phức tạp hoặc toàn bộ phân xưởng sản xuất Dù sử dụng loại PLC nào, hệ thống điều khiển vẫn có cấu trúc chung.

Ngõ vào dạng số có hai trạng thái chính là ON và OFF Khi ngõ vào ở trạng thái ON, nó được xem như ở mức logic 1 hoặc mức logic cao Ngược lại, khi ngõ vào ở trạng thái OFF, nó tương đương với mức logic 0 hoặc mức logic thấp.

- Ngõ ra số: Gồm hai trạng thái ON và OFF Các ngõ ra này thường được nối ra để điều khiển các cuộn dây contactor, đèn tín hiệu,…

- Thiết bị đầu vào: Các thiết bị tạo ra tín hiệu điều khiển thường là nút nhấn, cảm biến

- Thiết bị chấp hành(Autuator): Là thiết bị biến đổi tín hiệu điện từ PLC thành một tác động vật lý Autuator được nối với ngõ ra của PLC

Chương trình điều khiển là tập hợp các lệnh được thiết kế để thực hiện nhiệm vụ cụ thể trên PLC Việc lập trình PLC thường sử dụng ngôn ngữ lập trình hình thang (LAD) hoặc dạng câu lệnh (STL) Chương trình này xác định cách thay đổi tín hiệu đầu ra của PLC dựa trên tín hiệu đầu vào theo yêu cầu Sau khi lập trình, phần mềm điều khiển sẽ được chạy trên máy tính PC và nạp vào PLC thông qua cáp kết nối giữa PLC và PC.

+ Thiết bị lập trình (PG/PC): Chương trình viết trong thiết bị lập trình và truyền xuống PLC

+ Cáp kết nối (cáp PPI): Thiết bị cần thiết để truyền dữ liệu từ thiết bị lập trình xuống PLC

PLC đều có thành phần chính là: Một bộ nhớ chương trình RAM bên trong (có thể mở rộng thêm một số bộ nhớ ngoài EPROM)

Bảng tín hiệu (SB) cho phép người dùng mở rộng khả năng I/O cho CPU bằng cách thêm vào các tín hiệu số hoặc tương tự SB được kết nối trực tiếp vào phía trước của CPU, tạo điều kiện thuận lợi cho việc quản lý và xử lý dữ liệu.

 SB với 4 I/O kiểu số (ngõ vào 2 x DC và ngõ ra 2 x DC)  SB với 1 ngõ ra kiểu tương tự

1 Các LED trạng thái trên SB

2 Bộ phận kết nối nối dây của người dùng có thể tháo ra

Người dùng có thể sử dụng các module tín hiệu để thêm vào CPU các chức năng Các module tín hiệu kết nối vào phía bên phải của CPU

1 Các LED trạng thái dành cho I/O của module tín hiệu

2 Bộ phận kết nối đường dẫn

3 Bộ phận kết nối nối dây của người dùng có thể tháo ra

Họ S7-1200 cung cấp các module truyền thông (CM) dành cho các tính năng bổ sung vào hệ thống Có 2 module truyền thông: RS232 và RS485

 CPU hỗ trợ tối đa 3 module truyền thông

 Mỗi CM kết nối vào phía bên trái của CPU (hay về phía bên trái của một CM khác)

1 Các LED trạng thái dành cho module truyền thông

Bộ phận kết nối truyền thông

Phần mên lập trình TIA Portal V14

Phần mềm SIMATIC TIA Portal STEP7 Basic chạy hệ điều hành Windows, phần mềm làm nhiệm vụ trung gian giữa người lập trình và PLC

 Để lập trình SIMATIC S7-1200 từ PC hay Laptop cần một kết nối TCP/IP

 Để PC và SIMATIC S7-1200 có thể giao tiếp với nhau, điều quan trọng là các địa chỉ

IP của cả hai thiết bị phải phù hợp với nhau Sau đây là cách tạo một project trên

 Một số thao tác cơ bản khi làm quen với phần mềm

Bước 1: Từ màn hình desktop nhấp đúp chọn biểu tượng Tia Portal V14

Hình 2.11 Biểu tượng của phần mềm

Bước 2: Click chuột vào Create new project để tạo dự án

Hình 2.12 Giao diện taok Project

Bước 3: Nhập tên dự án vào Project name sau đó nhấn create new project

Bước 5: Chọn add new device

Bước 6: Chọn loại CPU PLC sau đó chọn add

Hình 2.16 Chọn loại CPU PLC sau đó chọn add

Bước 7: Project mới được hiện ra

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC

Sơ đồ khối của hệ thống

Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống

Sơ đồ khối của hệ thống a Chương trình đã soạn thảo

Là chương trình(code) đã được soạn thảo trên phần mền hỗ trợ lập trình PLC S7-1200 TIA Portal và dc nạp xuống khối sử lý trung tâm

Hình 3.2 Giao diện soạn thảo b Khối sử lý trung tâm

Gồm có PLC S7-1200 CPU 1211C AC/DC/RLY để điều khiển vận hành toàn bộ hệ thống

Hình 3.3 Cấu hình PLC S7_1200 c Khối chấp hành

 Động cơ bơm d Khối giám sát

Là khối chứa giao diện đã thiết kế trên WinCC để giám sát

Hình 3.4 Giao diện giám sát

Nguyên lý hoạt động của hệ thống

Khi chưa nhấn Start hệ thống đèn báo đỏ báo hệ thống k hoạt động

Nhấn Start đèn báo Start sang báo hệ thống hoạt động Có 2 chế độ :

Chế độ Auto cho phép người dùng nhấn nút Auto để kích hoạt đèn báo, sau đó nhập giá trị SetPoint mong muốn Hệ thống PLC sẽ tự động xử lý và đưa ra tần số cho động cơ Đồng thời, cảm biến thể tích chất lỏng sẽ gửi thông tin về thể tích chất lỏng đến bộ điều khiển PID.

+Chế độ Manual: Nhấn nút Manual đèn Manual sáng Nhấn nút On bật động cơ bơm Off tắt động cơ bơm

Cảm biến áp suất trong đường ống có nhiệm vụ gửi thông tin về giá trị áp suất hiện tại Khi áp suất vượt quá giới hạn an toàn của đường ống, hệ thống sẽ tự động thông báo sự cố, yêu cầu kỹ thuật viên can thiệp sửa chữa Sau khi khắc phục, kỹ thuật viên sẽ nhấn nút để khôi phục hoạt động bình thường cho hệ thống.

Lưu đồ thuật toán

Hình 3.5 Lưu đồ thuật toán của hệ thống

Trong chương 3, tôi đã thiết kế sơ đồ khối cho hệ thống điều khiển mức nước sử dụng bộ điều khiển PLC S7_1200 Tiếp theo, tôi xác định các đầu vào và đầu ra của bộ điều khiển lập trình Dựa trên yêu cầu công nghệ, tôi đã xây dựng lưu đồ thuật toán để giải quyết bài toán Cuối cùng, tôi thực hiện lập trình điều khiển và thiết kế giao diện giám sát trên phần mềm WinCC.