Đề tài:Thiết kế, xây dựng, lắp đặt, lập trình hệ thống điều khiển mức dùng cảm biến chênh áp(để đo mức) và van điện khí nén, sử dụng PLC S71200 và phần mềm giám sát tia portal. Nội dung đồ án xoay quanh việc sử dụng PID trong PLC S71200 để điều khiển van tuyến tính cho mức nước
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA ĐIỆN ĐỒ ÁN MÔN HỌC TÊN ĐỀ TÀI: Thiết kế, xây dựng, lắp đặt, lập trình hệ thống điều khiển mức dùng cảm biến chênh áp(để đo mức) van điện khí nén Ngành đào tạo: Cơng nghệ kĩ thuật điều khiển tự động hóa Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thực Mã sinh viên Lớp : Nguyễn Văn A : Nguyễn Văn B : 1123452332 : DHTĐHA123 Hà Nội-2022 Lời mở đầu Trong công công nghiệp hóa đại hóa, nghành tự động hóa đóng vai trị quan trọng Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ khoa học đặc biệt la ngành điện tử công suất Với việc phát minh linh kiện bán dẫn ngày đáp ứng yêu cầu hệ thống truyền động Ưu điểm việc sử dụng linh kiện bán dẫn mà làm cho hệ thống trở lên gọn nhẹ hơn, giá thành thấp có độ xác tác động cao Với nhu cầu sản xuất tiêu dùng nay, việc tự động hóa cho xí nghiệp sử dụng linh kiện gọn nhẹ nhu cầu cấp thiết Để áp dụng lí thuyết vào thực tế kì học chúng em giao đồ án môn học sở ngành điều khiển tự động hóa với yêu cầu: Với nỗ lực thân giúp đỡ tận tình giáo viên hướng dẫn: NGUYỄN ĐỨC DƯƠNG thầy cô giáo môn, đến đồ án em hoàn thành Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thiết kế Toản Nguyễn Văn A Phụ Lục Bài 1: Mơ hình số điều khiển mức bình trụ trịn nằm ngang Chương 1: Phân biệt biến q trình bậc tự bình trị trịn nằm ngang I – Phân biệt biến trình 1.1 Định nghĩa 1.2 Biến q trình bình trụ trịn nằm ngang II - Bậc tự hệ thống Chương 2: Xây dựng mơ hình động học hệ thống, xây dựng phương trình sai phân phương trình Laplace I- Mơ hình động học hệ thống II - Điều chỉnh lưu lượng dung bơm ly tâm kết hợp biến tần III - Tổng hợp điều khiển mức nước Chương 3: Tính tồn điều khiển mức bình I – Thông số II - Thông số cấp độ III – Thông số bơm IV - Thống sô điều khiển mức Chương 4: Mô hệ thống điều khiển mức bình trụ trịn nằm ngang Matlab I - Trường hợp khơng có nhiễu II - Trường hợp có nhiễu Chương 5: Chạy thực nghiệm mơ hình I – Chương trình điều khiển TIA-PORTAL II - Kết chạy thực nghiệm Bài 2: Thiết kế, xây dựng, lắp đặt, trình hệ thống điều khiển mức dùng cảm biến chênh áp van điện khí nén Chương 1: Phân biệt biến q trình phân tích bậc tự mơ hình I – Phân biệt biến q trình 1.1 Định nghía 1.2 Biến q trình mơ hình II – Phân tích bậc tự Chương 2: Xây dựng mơ hình động học hệ thống, xây dựng phương trình sai phân, phương trình laplace mơ hình hóa van điều khiển I – Xây dựng mơ hình động học hệ thống II – Mơ hình hóa văn điều khiển III - Tổng hợp điều khiển mức nước Chương 3: Tính chọn thiết bị sử dụng mơ hình I - Thiết bị đo 1.1 Cảm biến chênh áp đo mức nước 1.2 Nguyên lý đo II - Thiết bị chấp hành 2.1 Van điện từ solenoid 2.2 Bơm pha loại bơm ly tâm trục ngang 0.37Kw 2.3 Van tuyến tính 2.4 Máy nén khí 2.5 Contactor rơ_le nhiệt 2.6 Rơle trung gian III - Thiết bị điều khiển 3.1 Nguồn cấp 24V cho mạch điện 3.2 Bộ PLC S7-1200 3.3 Module mở rộng I/O analog siemens SM 1234 Chương 4: Tổng hợp điều khiển mức mô Matlab-Simulink I - Tổng hợp điều khiển mức theo tiêu chuẩn modun tối ưu II - Tổng hợp điều khiển mức theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng III - Mô matlab điều khiển Chương 5: Thiết kế sơ đồ lắp đặt khung bàn Thiết kế sơ đồ đấu nối cho mô hình I - Thiết kế khung sơ đồ lắp đặt thực tế 1.1 Thiết kế khung 1.2 Lắp ráp mơ hình thực tế II – Sơ đồ đấu nối cho mơ hình 2.1 Sơ đồ đấu nối tủ điều khiển 2.2 Sơ đồ đấu nối mạch động lực Chương 6: Thiết kế chương trình cho hệ thống điều khiển I – Chương trình điều khiển II - Thiết lập giao diện WINCCR-T III - Chạy thực nghiệm hệ thống Bài 1: MƠ HÌNH SỐ ĐIỀU KHIỂN MỨC BÌNH TRỤ TRÒN NẰM NGANG Nguyên lý hoạt động: Nguyên lý hoạt động trình cấp nước từ thùng vào bình trụ trịn nằm ngang tuyến thơng qua bơm Pu01 (bơm pha kết hợp biến tần) van SV01 (van selenoid); tuyền thông qua bơm Pu02 (bơm ba pha) van SV3 Nước từ bình chứa đưa ngồi thơng qua van SV02 Mức bình đo cảm biển siêu âm LT đưa điều khiển mức LIC kết hợp bên tần để điều chỉnh tốc độ bơm Pu01, từ điều chỉnh ổn định mức Hình 1.1: Lưu đồ cơng nghệ mơ hình điều khiển mức CHƯƠNG PHÂN BIỆT BIẾN QUÁ TRÌNH VÀ BẬC TỰ DO CỦA HỆ THỐNG BÌNH TRỤ TRỊN NẰM NGANG Phân biệt biến q trình I- 1.1 - Định nghĩa • Đại lượng cần điều khiển (controlled variable): Biến ra, đại lượng hệ trọng tới vận hành an toàn, ổn định chất lượng sản phẩm, cần trì giá trị đặt , bám theo tín hiệu chủ đạo • Đại lượng điều khiển (controlled variable, manipulated variable): Biến vào can thiệp theo ý muốn để tác động tới đại lượng cần điều khiển • Đại lượng nhiễu : Biến vào không can thiệp : + Nhiễu q trình (disturbance) : • Nhiễu đầu vào (input disturbance): biến thiên thông số đầu vào (lưu lương, nhiêt độ thành phần nguyên liệu, nhiên liệu,…) • Nhiễu tải (load disturbance): thay đổi tải theo yêu cầu sử dụng (lưu lượng dòng chảy, áp suất nước, …) • Nhiễu ngoại sinh (exogenous disturbance): nhiệt độ, áp suất bên ngoài,… + Nhiễu đo, nhiễu tạp (measurement noise) 1.2 - Biến q trình mơ hình bình trụ trịn nằm ngang • Các thơng số biến q trình mơ hình 1: - F1 - F2 - F3 - H - ρ : Lưu lượng thể tích nước cấp ( m3 : Lưu lượng thể tích nước đầu ( m /h) từ Pu01 m3 /h) : Lưu lượng thể tích nước cấp ( /h) từ Pu02 : Là chiều cao mực nước bình; Hmax=0.6(m) : Khối lượng riêng nước; ρ=1000(Kg/ m3 ) - V L R ω : Thể tích lượng nước bình : Chiều dài bình; l=1.5m : Bán kính bình: R=0.3m : Tốc độ bơm Pu01 • Biến q trình mơ hình: Trên sở mơ hình điều khiển mức Hình 1.1, xác định biến trình bao gồm biến vào, nhiễu hình minh họa hình 1.2 Hình 1.2: Các biến trình mơ hình điều khiển mức II- Phân tích bậc tự hệ thống Bậc tự mơ hình bình trụ trịn nằm ngang Ở mơ hình bình trụ trịn nằm ngang ta có: h, F1 , F2 , F3 - Số biến trình: ( ) - Số phương trình: Phương trình biến thiên thể tích nước bình: dV = F1 + F3 − F2 dt - Số bậc tự do: CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘNG HỌC CỦA HỆ THỐNG, XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH SAI PHÂN VÀ PHƯƠNG TRÌNH LAPLACE I- Mơ hình động học hệ thống Dựa vào biến trình nêu phần I : Ta áp dụng định luật bảo toàn khối lượng: Mà dm = ω1 + ω3 − ω2 dt m = ρ *V ω1 = ρ * F1 ω2 = ρ * F ω3 = ρ * F Trong đó: , ρ , khối lượng riêng nước , (*) Thay vào phương trình (*) ta có biến thiên thể tích phần nước bình mơ tả phương trình sau: dV = F1 + F3 − F2 dt (1.1) Thể tích bình tính theo chiều cao mực chất lỏng: Trường hợp 1: H ≤ R Hình 1.3: Hình mặt cắt bình với H ≤ R Ta có: Diện tích phần nước bình chứa lần diện tính phần S1 Mà diện tích phần S1 tính là: R ∫ S1 = R − x dx R−H Suy ra: Diện tích phần nước có bình là: S = S1 R2 x x 2 2 R R − x dx = arcsin + R − x ÷|R − H ∫ R R−H π R2 R−H S= − R arcsin − ( R − H ) H (2 R − H R R =2 Thế tích phần nước có bình là: V1 = LS π R2 R−H V1 = L − R arcsin − ( R − H ) H (2 R − H ) R Trường hợp 2: R ≤ H ≤ 2R (1.2) IIThiết lập giao diện WINCC R-T - Kết nối PLC với PC Bước 1: Chọn Devices & networks / Catalog / PC systems / PC general / Pc station Bước 2: Chọn PC systems_1 /Device configuration / Catalog /SIMATIC HMI application /Wincc RT advanced Bước 3: Chọn PC systems_1 /Device configuration / Catalog /communication modules / IE general Bước 4: Chọn Devices & networks kéo trỏ kết nốt PLC vs PC Bước 5: Chọn PC systems_1 / HMI_RT_1 / Add new screen để bắt đầu tạo giao diện - Tiến hành thiết lập giao diện - Bước 1: chọn screen_1 / Properties / General /background color để đổi màu cho giao diện Bước 2: : Chọn add new screen (để tạo screen_2) / screen_2 / Options để tìm tất đồ họa cần thiết cho giao diện Bước 3: Chọn options / basic opjects tiến hành vẽ mũi tên hình Bước 4: Chọn opjects / Elements để tạo chỉnh tần số đếm thời gian hình - Tiến hành gán biến cho đồ họa để điều khiển Bước 1:Trên hình HMI_RT chọn properties ,gán biến cho đồ họa hiển thị mức bình hình Bước 2: Gán màu biến cho mũi tên báo hiệu van xả mở hình Bước 3: Gán màu biến cho mũi tên báo hiệu tín hiệu máy bơm PU2 hình Bước 4: Vào animations.Gán màu biến cho nút start V1 hình -Các nút cịn lại làm tương tự Bước 5: Vào properties / General /gán biến setpoint để đặt giá trị đặt hình Bước 6: vào add new screen tạo screen_1 / options / controls chọn đồ thị hình III- Chạy thực nghiệm hệ thống - Giao diện PC chạy chương trình - Thao tác vận hành + Để thực qua trình bơm nhiễu hệ thống làm sau: Kích vào Setpoint cài đặt mức nước bình mong muốn Kích vào Start SV1 để mở van điện từ bơm PU01 Kích vào Start PU1 để mở bơm PU01 Chạy khoảng thời gian ngắn ta tiếp tục mở van SV2 bơm PU02 để tạo dịng bơm vào bình chứa nhiễu Đồng thời mở van SV3 xả nước từ thùng chứa Sau đó, chọn LIC để quan sát đường đặc tính hệ thống - Kết thực nghiệm: + Khi chưa có nhiễu q trình: Đường màu đen đường giá trị đặt setpoint Đường màu đỏ độ mở van Đường màu xanh đáp ứng Hình 6.1: Đáp ứng mức chưa có nhiễu q trình Nhận xét: Khi chạy khơng nhiễu đáp ứng bám sát giá trị đặt rơi vào khoảng 34.8/35 Khi giá trị đáp ứng vợt giá trị đặt van điều chỉnh độ mở van điều chỉnh lưu lượng nước vào bình chứa Sai lệch khơng q 2% + Khi có nhiễu q trình: Hình 6.2: Đáp ứng mức có nhiễu q trình Nhận xét: Khi có nhiễu từ dịng Bơm PU02 vào van xả SV3 đáp ứng có vợt qua giá trị đặt không đáng kể không vợt 2% giá trị cho phép Van đáp ứng tốt giảm độ mở van để hạn chế dòng F1 lên thùng chứa từ điều chỉnh mực nước ngưỡng 35.5/35 Hệ thống chạy thời gian dài ổn định không gặp lỗi TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Quốc Khánh, Phạm Quang Đăng, Nguyễn Huy Phương (2014) Điều khiển trình, NXB Khoa học & Kỹ thuật, tr 119-121, 203-208 [2] Nguyễn Đình Chinh, Giản Quốc Anh, Mai Thế Phú Quý, Nguyễn Tuấn Linh, Nguyễn Tiến Anh, Trần Đức Tân (2016), Nghiên cứu phát triển thiết bị đo mưa hỗ trợ cảnh báo trượt lở đất Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, số 43, tr 94-101 [3] Ngơ Minh Nhựt, Mai Hồng Phương (2015), Xây dựng số thí nghiệm sử dụng cảm biến siêu âm phần mềm Labview để dạy học chương trình động học – vật lý 10 Tạp chí Khoa học ĐHSP TPHCM, số 8(74), tr.60-69 [4] STMicroelectronics, STM32 Nucleo-64 boards (MB1136) user manual [5] ABB (2010) System 800xA 5.1 Documents [6] Philip J Thomas, (1999) Simulation of Industrial Processes for Control Engineers, Elsevier Science & Technology Books, Pages 222 – 224 [7] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi (2016), Điều chỉnh tự động truyền động điện , NXB Khoa học & Kỹ thuật, tr 306 - 318 [8] G Saravanakumar, S Dinesh, S Preteep, P Sridhar, and M Suresh (2017) Controller Tuning Method for Non-Linear Conical Tank System Asian Journal of Applied Science and Technology (AJAST), Volume 1, Issue 2, Pages 224228 ... SV3 Nước từ bình chứa đưa ngồi thơng qua van SV02 Mức bình đo cảm biển siêu âm LT đưa điều khiển mức LIC kết hợp bên tần để điều chỉnh tốc độ bơm Pu01, từ điều chỉnh ổn định mức Hình 1.1: Lưu đồ. .. Hình 1.8: Sơ đồ khối mơ hình điều khiển mức bình trụ trịn nằm ngang điều chỉnh lưu lượng dùng bơm ly tâm III- Tổng hợp điều khiển mức nước Áp dụng sách lược điều khiển phản hồi vào đối tượng... ngang kết hợp với sơ đồ khối hình 1.5 hình 1.8, ta tổng hợp sơ đồ khối mach vịng điều chỉnh mức sau: Hình 1.9: Mạch vịng điều chỉnh mức bình trụ trịn nằm ngang Bộ điều khiển mức dùng sóng siêu âm