(Đồ án hcmute) thiết kế và thi công mô hình ổn định mức nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC GVHD: ThS NGUYỄN TẤN ĐỜI SVTH: NGUYỄN VIỆT TUẤN MSSV: 11151212 SVTH: PHẠM ĐÌNH BÁCH MSSV: 11151191 SKL 0 2 Tp Hồ Chí Minh, tháng 1/2016 an TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƢỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH ỔN ĐỊNH MỨC NƢỚC GVHD: ThS NGUYỄN TẤN ĐỜI SVTH: NGUYỄN VIỆT TUẤN 11151212 PHẠM ĐÌNH BÁCH 11151191 NGÀNH: CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HỐ KHỐ: 2011 TP.HỒ CHÍ MINH – tháng năm 2016 an CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ******* NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hƣớng dẫn: ThS NGUYỄN TẤN ĐỜI Họ tên sinh viên 1: NGUYỄN VIỆT TUẤN Họ tên sinh viên 2: PHẠM ĐÌNH BÁCH Ngành: Cơng Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa Ngày nhâ ̣n đề tài: 10/2015 ĐT: MSSV: 11151212 MSSV: 11151191 Lớp: 11151CL2 Ngày nộp đề tài: 11/01/2016 Tên đề tài: Thiết kế thi cơng mơ hình ổn định mức nƣớc Nhiệm vụ nội dung:  Nhiệm vụ:  Thiết kế thi cơng mơ hình đo mức nƣớc, bơm nƣớc dựa vào mục đích đề tài  Ứng dụng PLC S7-200 CPU 224, biến tần DELTA vào điều khiển mơ hình  Sử dụng phần mềm giám sát DOPSOFT thơng qua hình HMI hãng DELTA để điều khiển trình hoạt động hệ thống  Nội dung:  Thiết kế hệ thống điện mô hình  Thiết kế giao diện điều khiển qua HMI  Sử dụng biến tần DELTA cảm biến siêu âm điều khiển máy bơm Tp.HCM, ngày….tháng….năm 2016 Giáo viên hƣớng dẫn ThS NGUYỄN TẤN ĐỜI an Tp.HCM, ngày….tháng… năm 2016 Chủ nhiệm ngành CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ******* BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN Giáo viên hƣớng dẫn: ThS NGUYỄN TẤN ĐỜI Sinh viên thực hiện: NGUYỄN VIỆT TUẤN MSSV: 11151212 PHẠM ĐÌNH BÁCH MSSV: 11151191 Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hoá Tên đề tài: Thiết kế thi cơng mơ hình ổn định mức nƣớc NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lƣợng thực hiện: Ƣu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm:……………….(Bằng chữ: ) Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2016 Giáo viên hƣớng dẫn an CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ******* BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Giáo viên phản biện : Sinh viên thực : NGUYỄN VIỆT TUẤN MSSV: 11151212 PHẠM ĐÌNH BÁCH MSSV: 11151191 Ngành: Cơng Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hoá Tên đề tài: Thiết kế thi cơng mơ hình ổn định mức nƣớc NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lƣợng thực hiện: Ƣu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm:……………….(Bằng chữ: ) Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng Giáo viên phản biện an năm 2016 LỜI NÓI ĐẦU Ở Việt Nam nhƣ hầu hết nƣớc phát triển giới hƣớng đến việc công nghiệp hóa, đại hóa đất nƣớc Với phát triển nhanh chóng khoa học kỹ thuật nên việc áp dụng thành tựu vào q trình sản xuất từ lâu khơng cịn xa lạ với ngƣời Chính cơng nghiệp, tự động điều khiển đóng vai trị quan trọng, nâng dần tính đại hóa cơng nghiệp đẩy công nghiệp từ thô sơ lên đại cơng nghiệp mà đỉnh cao tự động hóa cách hồn tồn Nhờ việc ứng dụng công nghệ tự động công nghiệp mà sức lao động ngƣời giảm nhiều nhờ mà suất lao động đƣợc tăng lên nhiều Con ngƣời phải quan tâm đến vấn đề phụ nhƣ nhấn nút, canh thời gian hoạt động … Và ngƣời làm cơng việc nhiều ngƣời Sau bốn năm học tập ngành công nghệ kỹ thuật điều khiển tự động hóa trƣờng Đại học sƣ phạm kỹ thuật TP Hồ Chí Minh, đƣợc bảo giúp đỡ tận tình q thầy nhu cầu thiết thực ngồi thực tế nên đồ án tốt nghiệp chúng em định chọn đề tài: ―Thiết kế thi công mơ hình ổn định mức nƣớc‖ Mơ hình chúng em đƣợc xây dựng dựa mục đích đề tài Vì kiến thức, hiểu biết cơng nghệ cịn hạn chế nhƣ thời gian tìm hiểu, thực nên chúng em chƣa thể phát huy tƣởng vào mơ hình Chúng em mong nhận đƣợc thông cảm quý thầy cô i an LỜI CÁM ƠN Trong suốt quãng thời gian làm đồ án thầy cô tạo điều kiện, hƣớng dẫn bảo cho chúng em với tận tụy nhiệt huyết Các thầy khơng ngại khó khăn dành thời gian q báu để hƣớng dẫn chúng em Chính điều động lực để chúng em không ngừng học hỏi, phấn đấu, trau dồi kiến thức thời gian qua Đồ án―Thiết kế thi cơng mơ hình ổn định mức nƣớc‖ vận dụng tổng hợp kiến thức mà chúng em đƣợc học dƣới giảng dạy thầy cô Hơn đồ án cho em thấy đƣợc nhƣ hiểu đƣợc phần công việc ngƣời cử nhân môi trƣờng làm việc tƣơng lai Tuy nhiên với kiến thức hạn chế nên q trình làm đồ án chắn khơng tránh khỏi thiếu sót, sai phạm kính mong q thầy góp ý, bảo để chúng em hoàn thiện Bên cạnh nỗ lực, cố gắng, ý thức thân ngƣời nhóm nhƣng để hoàn thành tốt đồ án chúng em nhận đƣợc giúp đỡ thầy cô, bạn đồng nghiệp đặc biệt thầy Nguyễn Tấn Đời Thầy tận tình, hƣớng dẫn, bảo sai sót kinh nghiệm quý báu thực tế để giúp chúng em hoàn thành đề tài cách tơt Do lời cảm ơn chúng em xin chân thành gửi đến thầy Nguyễn Tấn Đời Kế đến chúng em xin cảm ơn q thầy ngành Điện- Điện tử nói riêng tồn thể q thầy trƣờng đại học sƣ phạm kỹ thuật TP Hồ Chí Minh nói chung truyền đạt kiến thức cho chúng em để chúng em hồn thành đồ án cách tốt Một lần chúng em xin chân thành cảm ơn! ii an 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 an 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, TỔNG 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 an 6.1 Kết luận 63 6.2 Hƣớng phát triển 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 v an 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 an  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 an Giao diện sau thiết kế hệ thống: Hình 4.17: Màn hình giới thiệu hệ thống Hình 4.18: Màn hình điều khiển 53 an CHƢƠNG 5: KẾT QUẢ, THƢ̣C NGHIỆM, PHÂN TÍCH, TỞNG HỢP 5.1 Kết mơ hình khí Mơ hình tổng quan: Hình 5.1: Mơ hình hệ thống 54 an Hình 5.2: Mơ hình điều khiển, giám sát Hình 5.3: Mơ hình bồn chứa với cảm biến siêu âm 55 an Hình 5.4: Mơ hình bồn chứa dƣới với van xả từ bồn chứa Hình 5.5: Động đƣờng ống dẫn nƣớc 56 an 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 an 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: Hình 5.7: Q 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 dò đƣợc  Manual (bằng tay): với thông 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 an  Nhập Ki vào ô Integral Time  Nhập Kd vào Derivative Time Sau q 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 an 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 an 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 an 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 an CHƢƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết luận Sau q trình thực đề tài tốt nghiệp, nhóm hoàn 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 cơng mơ hình với u 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 hồn thành u 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 an 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 an an ... 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... Đồ án? ? ?Thi? ??t kế thi cơng mơ hình ổn định mức nƣớc‖ vận dụng tổng hợp kiến thức mà chúng em đƣợc học dƣới giảng dạy thầy cô Hơn đồ án cho em thấy đƣợc nhƣ hiểu đƣợc phần công việc ngƣời cử nhân môi... đƣợc bảo giúp đỡ tận tình q thầy nhu cầu thi? ??t thực thực tế nên đồ án tốt nghiệp chúng em định chọn đề tài: ? ?Thi? ??t kế thi cơng mơ hình ổn định mức nƣớc‖ Mơ hình chúng em đƣợc xây dựng dựa mục đích