Thiết kế và thi công mô hình ổn định mức nước

MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN ii BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iii CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Nội dụng đề tài 1.4 Giới hạn đề tài 1.5 Phƣơng pháp, đối tƣợng nghiên cứu 1.5.1 Phƣơng pháp nghiên cứu 1.5.2 Đối tƣợng nghiên cứu CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Bộ điều khiển 2.1.1 Giới thiệu chung PLC hãng SIEMENS 2.1.2 PLC SIMATIC S7-200 CPU 224 2.1.3 Module chuyên dụng EM231 2.1.4 Module chuyên dụng EM232 10 2.1.5 Cổng truyền thông 12 2.1.6 Thực chƣơng trình 13 2.1.7 Cấu trúc chƣơng trình 13 2.1.8 Các vùng nhớ S7-200 14 2.2 Lý thuyết giải thuật điều khiển PID 15 2.2.1 Thuật toán điều khiển PID 15 2.2.2 Chức khâu điều khiển PID 16 2.2.3 Phƣơng pháp tính tốn thơng số điều khiển PID 19 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 22 iii 3.1 Yêu cầu thiết kế 22 3.2 Thiết bị thiết kế hệ thống 23 3.2.1 Khối nguồn cung cấp 23 3.2.2 Khối tín hiệu ngõ vào 23 3.2.3 Khối cấu chấp hành 25 3.2.4 Khối điều khiển 33 3.2.5 Khối PLC 34 3.2.6 Các thiết bị khác 35 3.2.7Sơ đồ kết nối mơ hình với PLC 36 3.2.8 Sơ đồ mạch động lực 38 3.3 Yêu cầu hoạt động hệ thống 38 3.4 Lƣu đồ chƣơng trình 39 3.5 Cách lựa chọn thông số PID cho đề tài 40 CHƢƠNG 4: THIẾT KẾ GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT VÀ THU THẬP DỮ LIỆU 41 4.1 Yêu cầu điều khiển giám sát HMI 41 4.2 Cách kết nối với PLC 41 4.3 Cách thiết kế giao diện giám sát, điều khiển dùng HMI 42 4.3.1 Giới thiệu phần mềm thiết kế giao diện HMI 42 4.3.2 Cách sử dụng phần mềm DOPSOFT 42 4.3.3 Thiết kế giao diện HMI cho đối tƣợng 47 CHƢƠNG 5: KẾT QUẢ, THƢ̣C NGHIỆM, PHÂN TÍCH, TỞNG HỢP 54 5.1 Kết mơ hình khí 54 5.2 Kết mơ hình hệ thống điện 57 5.3 Vận hành 57 5.4 Kết điều khiển, giám sát với PLC S7-200 HMI 58 CHƢƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 63 iv 6.1 Kết luận 63 6.2 Hƣớng phát triển 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 v DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ SƠ ĐỒ Hình 2.1: Cấu trúc PLC Hình 2.2:PLC S7-200 CPU 224 Hình 2.3: Module EM231 Hình 2.4: Cấu trúc bên Module EM231 Hình 2.5: Module EM232 Hình 2.6: Cấu trúc bên Module EM232 Hình 2.7: Vịng qt S7-200 Hình 2.8: Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng khâu tỉ lệ Hình 2.9: Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng khâu tích phân Hình 2.10: Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng khâu vi phân Hình 2.11: Đồ thị đáp ứng nấc hệ hở có dạng S Hình 2.12: Đồ thị đáp ứng hệ kín Hình 3.1: Cảm biến siêu âm Hình 3.2: Biến tần Delta VFD-EL Hình 3.3: Cấu trúc bên ngồi biến tần Delta VFD-EL Hình 3.4: Ý nghĩa chân cổng giao tiếp RS-485 Hình 3.5: Relay 24VDC Hình 3.6: HMI Delta Model B07S411 Hình 3.7: CPU 224 Hình 3.8: Lƣu đồ hệ thống bơm, lọc sản phẩm Hình 4.1: Các COM hình HMI Hình 4.2: Giao diện Hình 4.3: Chọn Model HMI Hình 4.4: Chọn cổng giao tiếp chuẩn kết nối Hình 4.5: Trang giao diện thiết kế Hình 4.6: Trang nhập liệu Hình 4.7: Numberic Display Hình 4.8: Chọn Module sử dụng Hình 4.9: Chọn loại PLC sử dụng Hình 4.10: Bắt đầu thiết kế Hình 4.11: Tạo khối nút nhấn Hình 4.12: Chọn hình ảnh nút nhấn Hình 4.13: Chọn địa nút nhấn Hình 4.14: Đặt tên hình ảnh cụ thể cho nút nhấn Hình 4.15: Phát thảo hình điều khiển Hình 4.16: Mơ hình hồn chỉnh HMI Hình 4.17: Màn hình giới thiệu hệ thống i 10 11 13 16 17 18 19 20 24 26 28 32 32 33 35 39 41 43 43 44 45 45 46 47 48 48 49 49 50 50 51 52 53 Hình 4.18: Màn hình điều khiển Hình 5.1: Mơ hình hệ thống Hình 5.2: Mơ hình điều khiển, giám sát Hình 5.3: Mơ hình bồn chứa với cảm biến siêu âm Hình 5.4: Mơ hình bồn chứa dƣới với van xả từ bồn chứa Hình 5.5: Động đƣờng ống dẫn nƣớc Hình 5.6: Tủ điện Hình 5.7: Quá trình điều khiển điều khiển PID PLC Hình 5.8: Mức nƣớc ổn định 7cm Hình 5.9: Kết điều khiển với H = 14cm Hình 5.10: Mức nƣớc ổn định 14cm Hình 5.11: Kết điều khiển van xả thay đổi Hình 5.12: Bồn chứa ổn định sau thời gian van xả thay đổi Hình 5.13: Màn hình HMI với giá trị đặt 14cm 53 54 55 55 56 56 57 58 59 59 60 60 61 61 Sơ đồ 2.1:Sơ đồ khối PLC Sơ đồ 2.2: Các cổng vào PLC Sơ đồ 2.3: Sơ đồ nối dây EM231 Sơ đồ 2.4: Sơ đồ nối dây EM232 Sơ đồ 2.5: Sơ đồi khối điều khiển PID Sơ đồ 2.6: Sơ đồ khối hệ hở Sơ đồ 2.7: Sơ đồ khối hệ kín có tỉ lệ P Sơ đồ 3.1: Sơ đồ khối hệ thống Sơ đồ 3.2: Sơ đồ dây cảm biến siêu âm Sơ đồ 3.3: Sơ đồ kết nối từ bên vào biến tần Sơ đồ 3.4: Sơ đồ chân vào biến tần Sơ đồ 3.5: Sơ đồ kết thiết bị với PLC S7-200 CPU 224 Sơ đồ 3.6: Sơ đồ kết cảm biến với Modul chuyên dụng EM231 Sơ đồ 3.7: Sơ đồ kết nối biến tần Delta với Module EM232 CPU 224 Sơ đồ 3.8: Sơ đồ động lực máy bơm kết nối với biến tần 12 15 19 20 22 24 30 30 36 37 37 38 ii DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Bảng chế độ hoạt động Module EM231 Bảng 2.2: Tên chức RS232 Bảng 2.3: Ảnh hƣởng hệ thống tăng thông số Bảng 2.4: Các tham số PID theo phƣơng pháp Ziegler-Nichols thứ Bảng 2.5: Các tham số PID theo phƣơng pháp Ziegler-Nichols thứ hai Bảng 3.1: Kí hiệu chân biến tần Delta iii 10 12-13 19 20 21 31 DANH MỤC VIẾT TẮT PLC CPU AC DC VAC VDC CB IN OUT HMI RAM ROM Programable logic controller Center processor unit Alternating current Direct current Voltage alternating current Voltage direct current Circuit breaker Input Output Human machine interface Random access memory Real only memory iv CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Hiện nay, nghiệp cơng nghiệp hóa đại hóa ngày phát triển mạnh mẽ, tiến khoa học kỹ thuật, kỹ thuật điều khiển tự động góp phần lớn tạo điều kiện để nâng cao hiệu trình sản xuất Vì tự động hóa q trình cơng nghệ thực phát triển ứng dụng mạnh mẽ công nghiệp, lựa chọn tối ƣu lĩnh vực nhằm tạo sản phẩm chất lƣợng cao, tiết kiệm chi phí sản xuất tạo khả cạnh tranh mạnh mẽ thị trƣờng Trong ngành công nghiệpsản xuất chất lỏng nhƣ hóa chất, nƣớc uống đóng chai, sữa, nƣớc mắm, dầu ăn…vấn đề cần điều khiển mức, lƣu lƣợng dòng chảy cần đáp ứng với độ xác cao để phục vụ q trình sản xuất đạt hiệu tốt hơn, đảm bảo trình sản xuất chất lỏng không bị gián đoạn, tăng tuổi thọ thiết bị Ngƣời vận hành không cần phải trực tiếp kiểm tra bồn chứa đóng mở bơm liên tục, vấn đề bị cạn hay tràn bồn chứa chất lỏng hoàn toàn đƣợc khắc phục cho dù đầu thay đổi Chính vậy, chúng em chọn đề tài ―Thiết kế thi cơng mơ hình ổn định mức nƣớc‖ Với yêu cầu ứng dụng thực tế trên, đối tƣợng đề tài thực hệ thống bồn chất lỏng, hệ thống bồn chất lỏng đƣợc hình thành với hệ thống bơm xả chất lỏng nhƣngluôn giữ ổn định giá trị mức đặt trƣớc, mức chất lỏng bồn đƣợc trì ổn định,để làm đƣợc điều địi hỏi ta phải điều khiển lƣu lƣợng chất lỏng từ máy bơm vào hệ thống bồn nƣớc, làm mức chất lỏng bồn giữ giá trị không đổi giá trị đặt trƣớc Việc điều khiển hệ thống để giữ mức chất lỏng bồn ổn định tƣơng đối khó, cần phải có đáp ứng nhanh để điều khiển máy bơm lƣu lƣợng nƣớc từ van xã thay đổi, cần phải có điều khiển đại, xác đáng tin cậy PLC lựa chọn tốt cho ứng dụng cơng nghiệp với độ xác, ổn định độ tin cậy cao Với phát triển kỹ thuật điều khiển tự động có nhiều cách để điều khiển mức chất lỏng hệ thống bồn nƣớc, nhƣng chúng em sử dụng PLC S7-200 để điều khiển, sử dụng phần mềm DOPSOFT giao tiếp hiển thị 1.2 Mục tiêu đề tài Sau xác định đƣợc đối tƣợng, chủ thể giới hạn phạm vi nghiên cứu, việc xác định mục tiêu bƣớc quan trọng nhằm định hƣớng đắn cho quy trình thực đề tài Mục tiêu đề tài cụ thể đƣợc thể nhƣ sau:  Thiết kế, thi công hệ thống phần cứng gồm mối quan hệ bồn nƣớc, chất lỏng, cảm biến, hệ thống PLC, biến tần,bơm hình giao tiếp HMI  Lựa chọn thiết bị cho mơ hình  Giải thuật cho PLC theo yêu cầu đề tài, điều khiển bơm theo thông số cài đặt mức chất lỏng  Sử dụng phần mềm DOPSOFT để điều khiển giám sát hệ thống điều khiển hoạt động hệ thống 1.3 Nội dụng đề tài Hệ thống gồm bồn (bồn bồn dƣới) đặt song song Bồn có vancơđể thay đổi lƣu lƣợng chất lỏng xả từ bồn xuống bồn dƣới Bồn dƣới có 1lỗ nối với ống nƣớc dẻo để dẫn chất lỏng từ bồn dƣới vào máy bơm Mức nƣớc bồn đƣợc đo cảm biến siêu âm với ngõ analog Chất lỏng đƣợc bơm lên bồn động máy bơm đƣợc điều khiển biến tần DELTA điều khiển PLC S7-200 Mức chất lỏng đƣợc đặt theo yêu cầu ngƣời vận hành, sau hệ thống đƣợc cho phép hoạt động nút nhấn START hình HMI Bơm bắt đầu hoạt động bơm chất lỏng từ bồn dƣớilên biến tần điều khiển với điện áp có tần số lớn 60Hz tần số giảm dầnđến mực chất lỏng bồn giá trị mực chất lỏng đƣợc đặt, mực chất lỏng ổn định tần số đƣợc điều khiển biến tần thay đổi lƣu lƣợng nƣớc từ van xã thay đổi Hệ thống hoạt động liên tục nhƣ ta ấn nút STOP hệ thống dừng lại 1.4 Giới hạn đề tài  Hệ thống đƣợc thực mơ hình đơn giản  Đề tài tập trung vào việc ổn định mức chất lỏng  Chất lỏng cung cấp cho hệ thống nƣớc 1.5 Phƣơng pháp, đối tƣợng nghiên cứu 1.5.1 Phƣơng pháp nghiên cứu Để thực đề tài nhóm tham tài liệu sách, internet dựa hệ thống,u cầu thực tế để xây dựng lại mơ hình đáp ứng đƣợc yêu cầu Các bƣớc nhóm thực hiện:  Đề mục tiêu hƣớng cụ thể  Thiết kế hệ thống đáp ứng đƣợc yêu cầu đề  Nghiên cứu tài liệu liên quan  Hoàn thành thành phần riêng lẻ  Tích hợp thành hệ thống hồn chỉnh  Viết chƣơng trình điều khiển, giám sát 1.5.2 Đối tƣợng nghiên cứu  PLC S7-200 Siemens  Biến tần DELTA  Màn hình HMI DELTA BO7S411 với phần mềm DOPSOFT  Các thiết bị cảm biến siêu âm Carlo gavezzi, máy bơm nƣớc ly tâm pha  Tại Main -> Read Adress ta định địa cho nút nhấn để điều khiển PLC thơng qua hình HMI Ví dụ nút ON đƣợc kết nối với PLC qua ngõ vào I0.0 PLC nút ON HMI muốn thay chức ta phải định địa với địa PLC I0.0 Adress value với Device Type I 0.0 Hình 4.13: Chọn địa nút nhấn  Bên cạnh ta cịn đặt tên thay đổi hình ảnh cho nút nhấn cách chọn Text Picture Đối với Picture ta chọn ứng với State tƣơng ứng Hình 4.14: Đặt tên hình ảnh cụ thể cho nút nhấn  Nhấn OK để hồn thành q trình tạo định cấu hình cho nút nhấn  Tạo Multistate Indicator 50 Thiết kế hình điều khiển nhƣ hình:        Hình 4.15: Phát thảo hình điều khiển Chọn ElementIndicatorMultistate indicator.Tại tã vẽ ống nƣớc, bơm, van xã, đèn báo Chọn Element ButtonMomentary Tại tã vẽ nút Start Stop Chọn Element ButtonGoto Screen Tại tã vẽ nút chuyển kênh Chọn Element Pipe Pipe(1) Tại tã vẽ hai bồn chứa Chọn Element Display Numberic Display Tại tã vẽ ô hiển thị giá trị đo Chọn Element Input Numberic Entry Tại tã vẽ ô hiển thị giá trị đặt Chọn Element Drawing Text Tại tã vẽ ô hiển thị daỹ chữ ―giá trị đo‖ ―giá trị đặt‖  Tiếp theo ta định cấu hình, ví dụ cấu hình cho Multistate indicator, nhấp đúp chuột vào Multistate indicator chọn Read andress->None->Device Type (chọn Q)-> Address/Value -> Enter ( bƣớc làm tƣơng tự nhƣ tạo nút nhấn) Sau ta tao hình ảnh cho Multistate indicator tƣơng ứng với mơ hình thực tế  Đối với Multistate Indicator 2, ta nhấp chọn Picture  Picture bank  pump.pid (Tùy chỉnh hình ảnh với State tƣơng ứng) 51  Đối với Multistate Indicator 3, ta nhấp chọn PicturePicture bank  Pipe.pid (Tùy chỉnh hình ảnh với State tƣơng ứng)  Nhấn OK để kết thúc việc tạo định cấu hình cho Multistate Indicator Kết ta đƣợc nhƣ sau: Trạng thái Trạng thái Hình 4.16: Mơ hình hồn chỉnh HMI 52 Giao diện sau thiết kế hệ thống: Hình 4.17: Màn hình giới thiệu hệ thống Hình 4.18: Màn hình điều khiển 53 CHƢƠNG 5: KẾT QUẢ, THƢ̣C NGHIỆM, PHÂN TÍCH, TỔNG HỢP 5.1 Kết mơ hình khí Mơ hình tổng quan: Hình 5.1: Mơ hình hệ thống 54 Hình 5.2: Mơ hình điều khiển, giám sát Hình 5.3: Mơ hình bồn chứa với cảm biến siêu âm 55 Hình 5.4: Mơ hình bồn chứa dƣới với van xả từ bồn chứa Hình 5.5: Động đƣờng ống dẫn nƣớc 56 5.2 Kết mơ hình hệ thống điện Hình 5.6: Tủ điện 5.3Vận hành Kiểm tra CB cấp nguồn cho hệ thống: 220 VAC cho nguồn 24V đèn báo; 380VAC cho biến tần Kiểm tra hình HMI, đèn báo để đảm bảo nguồn đƣơc cấp, kiểm tra lƣợng nƣớc bồn chứa dƣới đủ để hệ thống hoạt động ỏn định, kiểm tra van đầu Out máy bơm để đảm bảo đƣợc mở hết Ống dẫn đặt vị trí xã vào bồn chứa trên, hai van điều chỉnh lƣu lƣợng nƣớc xã đƣợc mở theo yêu cầu ngƣời điều khiển Cài đặt giá trị mức nƣớc cần ổn định vào khung giá trị đặt hình HMI, sau nhấn nút Start Sau nhấn nút Start, bơm hoạt động với công suất lớn giảm dần đến giá trị mức nƣớc đo đƣợc giá trị đặt ổn định Khi mức nƣớc ổn định ,bơm thay đổi công suất ngƣời điều khiển thay đổi lƣu lƣợng nƣớc van 57 Khi nhấn nút Stop, động dừng hoạt động Khi vặn nút nguồn vị trí OFF tồn nguồn 220 VAC cấp cho hệ thống ngắt 5.4Kết điều khiển, giám sát với PLC S7-200 HMI Giao diện hình phần điều khiển PID với giá trị đặt mức nƣớc (tạm gọi: H)H = 7cm, hệ số Kp = 35, Ki = 0.2, Kd =0, thời gian lấy mẫu 1s ta đƣợc kết nhƣ hình 5.7:  Thời gian đáp ứng: khoảng 30s  Vọt lố: khơng có Hình 5.7: Quá trình điều khiển điều khiển PID PLC Trong đó: Tín hiệu điều khiển ngõ Tín hiệu hồi tiếp đọc đƣợc từ cảm biến ngõ vào Giá trị đặt Trong hình điều khiển, có cách để điều chỉnh thơng số PID cho hệ thống:  Auto Tune (tự động): cho hệ thống hoạt động sau chọn Start Auto Tune điều khiển tự động dị thơng số thích hợp hiển thị giá trị P, I, D dị đƣợc  Manual (bằng tay): với thơng số ngƣời dùng tự cài đặt, hệ thống hoạt động ta nhập lần lƣợt thông số vào ô bảng điều khiển tƣơng ứng nhƣ sau:  Nhập Kp vào ô Gain 58  Nhập Ki vào ô Integral Time  Nhập Kd vào ô Derivative Time Sau trình điều khiển, mức nƣớc ổn định giá trị đặt nhƣ hình 5.8 Hình 5.8: Mức nƣớc ổn định 7cm Tƣơng tự, với giá trị đặt mức nƣớc mong muốn H = 14cm, ta đƣợc kết điều khiển nhƣ hình 5.9 5.10 Hình 5.9: Kết điều khiển với H = 14cm 59 Hình 5.10: Mức nƣớc ổn định 14cm Khi mức nƣớc bồn ổn định 14cm van xả nƣớc thay đổi điều khiển PID dựa vào thay đổi mức nƣớc điều khiển lại công suất bơm để mức nƣớc đạtgiá trị đặt trƣớc Sau khoảng thời gian 20-25s mức nƣớc ổn định giá trị đặt Hình 5.11: Kết điều khiển van xả thay đổi 60 Hình 5.12: Bồn chứa ổn định sau thời gian van xả thay đổi Màn hình điều khiển, giám sát HMI với H = 14cm: Hình 5.13: Màn hình HMI với giá trị đặt 14cm 61 Tƣơng tự, với giá trị đặt mức nƣớc khác độ mở van xả khác điều khiển PID điều khiển để mức nƣớc bồn chứa đạt giá trị mong muốn với thông số P, I, D mà ngƣời lập trình đặt sẵn 62 CHƢƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết luận Sau trình thực đề tài tốt nghiệp, nhóm hồn thành đƣợc yêu cầu đặt việc giám sát, điều khiển mơ hình ổn định mức nƣớc dùng PLC S7-200 Kết đề tài đạt đƣợc ƣu điểm nhƣ hạn chế      Ƣu điểm: Có thể áp dụng mơ ổn định mức nƣớc dùng PLC S7-200 vào thực tế học tập cách dễ dàng Thiết kế, thi công mô hình với yêu cầu ban đầu Chƣơng trình điều khiển giám sát chạy ổn định với yêu cầu Đọc đƣợc tín hiệu cảm biến siêu âm Sử dụng đƣợc biến tần Delta Sử dụng đƣợc hình HMI hãng Delta     Hạn chế: Hạn chế công nghệ, kỹ thuật Phƣơng pháp dị thơng số chƣa đƣợc tối ƣu, chuẩn xác Cần nguồn nguyên liêu liên tục cung cấp cho máy bơm Hệ thống van xả có ống dẫn nhỏ  6.2 Hƣớng phát triển Việc thực mơ hình hoàn thành yêu cầu đặt ra, nhiên thời gian, kinh phí, cơng nghệ cịn hạn chế nên mơ hình mơ hình đáp ứng việc nghiên cứu học tập Để mơ hình vào hoạt động thực tế đề tài cần có thêm hƣớng phát triển nhƣ sau:  Mở rộng thêm hệ thống với ổn định mức nƣớc khâu hệ thống  Tính tốn, thiết kế, thi cơng mơ hình với ứng dụng thực tế  Thay van van điện để điều khiển từ xa toàn hệ thống 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO Lê Chí Kiên (2013), ―Giáo trình đo lƣờng cảm biến‖, Nhà xuất ĐHQG TPHCM, 320 trang Nguyễn Thị Phƣơng Hà (chủ biên), Huỳnh Thái Hoàng, (2005),―Lý thuyết điều khiển tự động‖, Nhà xuất ĐHQG TPHCM, 355 trang Website www.plcvietnam.com Website https://support.industry.siemens.com/cs/ Website http://maybomnuoc.org.vn/may-bom-nuoc.html 64 ... nƣớc Hình 5.6: Tủ điện Hình 5.7: Quá trình điều khiển điều khiển PID PLC Hình 5.8: Mức nƣớc ổn định 7cm Hình 5.9: Kết điều khiển với H = 14cm Hình 5.10: Mức nƣớc ổn định 14cm Hình 5.11: Kết điều... THI? ??T KẾ HỆ THỐNG 3.1 Yêu cầu thi? ??t kế Điều khiển xác hệ thống ổn định mực chất lỏng Ngƣời vận hành cài đặt giá trị mức chất lỏng cần ổn định Sau khởi động, máy bơm bơm chất lỏng lên bồn ổn định. .. diện Hình 4.3: Chọn Model HMI Hình 4.4: Chọn cổng giao tiếp chuẩn kết nối Hình 4.5: Trang giao diện thi? ??t kế Hình 4.6: Trang nhập liệu Hình 4.7: Numberic Display Hình 4.8: Chọn Module sử dụng Hình