Điều khiển và giám sát trạm bơm,luận văn thạc sĩ tự động hóa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI -oOo - NGUYỄN THỊ TỐ NGA ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TRẠM BƠM LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH - 2011 GVHD: TS NGUYỄN THANH HẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI -oOo - NGUYỄN THỊ TỐ NGA ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TRẠM BƠM CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA MÃ SỐ: 60.52.60 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: TS NGUYỄN THANH HẢI TP HỒ CHÍ MINH - 2011 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật HVTH: Nguyễn Thị Tố Nga GVHD: TS NGUYỄN THANH HẢI TRÍCH YẾU LUẬN VĂN CAO HỌC Họ tên học viên: Nguyễn Thị Tố Nga Năm sinh: 1980 Cơ quan công tác: trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Lý Tự Trọng, 390 Hoàng Văn Thụ, F4, Quận Tân Bình, TP Hồ Chí Minh Khố: K17 Chun ngành: Tự Động Hóa Mã số: 60.52.60 Cán hướng dẫn: TS Nguyễn Thanh Hải Bộ môn: Điều Khiển Học Tên đề tài luận văn: Điều Khiển Và Giám Sát Trạm Bơm Mục đích nghiên cứu đề tài:  Tìm hiểu mơ hệ thống bồn nước đơn  Thiết kế lắp đặt mơ hình trạm cấp nước thu nhỏ  Thu thập điều khiển mơ hình trạm cấp nước thu nhỏ thơng qua mạng GPRS  Xây dựng phần mềm (trên máy tính) thu thập xử lý liệu trình điều khiển giám sát hoạt động trạm cấp nước thu nhỏ Phương pháp nghiên cứu kết đạt (ghi tóm tắt kết luận luận văn): Luận văn nghiên cứu phương pháp tối ưu hóa điều khiển PID dùng GA giám sát đối tượng bồn nước thông qua hệ thống GPRS là: Thứ nhất: ứng dụng lý thuyết truyền thông dùng GPRS để giám sát trình điều khiển trạm bơm từ xa Thứ hai: sử dụng giải thuật di truyền xác định thông số K p, Ki Kd điều khiển PID, thỏa mãn hàm mục tiêu MSE Điểm bình qn mơn học: Điểm bảo vệ luận văn: Ngày tháng năm Học viên Xác nhận cán hướng dẫn: Xác nhận Bộ môn: Luận văn thạc sĩ kỹ thuật HVTH: Nguyễn Thị Tố Nga GVHD: TS NGUYỄN THANH HẢI LỜI NÓI ĐẦU Ngày nhu cầu sử dụng nước thành phố lớn từ Quận Huyện vùng sâu vùng xa lượng nước cấp đến hộ tiêu dùng không đủ chạm bơm phân phối nước chưa hợp lý Ở cao điểm tình hình thiếu nước hộ dân diễn Nên cần có hệ thống giám sát điều khiển hệ thống cấp nước để điều phối nước trạm bơm cách hợp lý Không phải tất nhà máy cấp nước đưa vào vận hành khai thác, kể nhà máy xây dựng theo công nghệ thiết bị nhập nước hoạt động với hiệu không ý muốn, mà nhiều cịn có mặt chưa hồn thiện Chính đánh giá công nghệ việc làm cần thiết để phát tìm biện pháp khắc phục mặt hạn chế đó, điều quan trọng rút học kinh nghiệm để lựa chọn vận dụng cơng nghệ ngày hiệu Trong khuôn khổ luận văn tơi muốn đưa mơ hình giám sát SCADA cho nhà máy xử lý nước nói chung dựa theo hệ thống tiêu chí đánh giá trình độ cơng nghệ ngành sản xuất áp dụng Việt Nam, có tính đến đặc thù chuyên ngành cấp nước, nhằm trao đổi đến thống phương pháp đánh giá trình độ cơng nghệ đảm bảo đầy đủ tính khoa học thực tiễn cho lĩnh vực cấp nước Việc đánh giá Trình độ cơng nghệ cho phép xác định đắn hơn, thực chất tính hiệu tính tiên tiến nhà máy cấp nước Ngành nước ngành đặc biệt viêc cấp nước đến hộ dân thông qua đường ống lòng đất việc giám sát kiểm tra lưu lượng nước gặp Luận văn thạc sĩ kỹ thuật HVTH: Nguyễn Thị Tố Nga GVHD: TS NGUYỄN THANH HẢI nhiều khó khăn nên ta phải chọn phương thức truyền giữ liệu từ trạm bơm cho hợp lý nhất: Sử dụng phương pháp dùng dây tín hiệu đưa trạm trung tâm: trạm trung tâm nằm cách xa trạm cấp nước việc nối dây tín hiệu đến trạm trung tâm gặp nhiều khó khăn chưa kể đến việc thi cơng lắp đặt đương dây tín hiệu Sử dụng phương pháp truyền dây tín hiệu qua mạng Ethenet: phương pháp địi hỏi trạm bơm phải có kết nối internet, phải có phương thức bảo mật cần phải có người quản lý Sử dụng mạng truyền thông không dây GPRS: Mạng GSM với ưu điểm bật như: dung lượng lớn, chất lượng kết nối tốt, tính bảo mật cao … , có chỗ đứng vững thị trường Viễn thông giới Ở Việt Nam, bắt đầu có máy điện thoại di động sử dụng công nghệ GSM 900 vào năm 1993 đánh dấu bước phát triển vượt bậc công nghệ Viễn thông đất nước Các thuê bao di động Việt Nam sử dụng dịch vụ thoại truyền thống với tốc độ bit 13Kbit/s truyền số liệu với tốc độ 9,6 kbit/s Giải pháp GPRS cho hệ thống GSM trở thành thực năm 1999 Giống HSCSD, GPRS cung cấp dịch vụ số liệu tốc độ cao cho người sử dụng di động Tuy nhiên dựa công nghệ chuyển mạch gói, GPRS phù hợp với chất bùng nổ đột ngột cao hầu hết ứng dụng số liệu công nghệ chuyển mạch kênh HSCSD, lý tưởng cho dịch vụ truy nhập sở liệu thư điện tử, thí dụ người sử dụng khơng muốn trả Cước phí gọi cao cho tin ngắn GPRS cho phép người sử dụng nhận gọi số liệu Các tin Luận văn thạc sĩ kỹ thuật HVTH: Nguyễn Thị Tố Nga GVHD: TS NGUYỄN THANH HẢI nhắn phân phát trực tiếp đến điện thoại người sử dụng, chí khơng cần kết nối từ đầu cuối đến đầu cuối cách liên tục Khi bật máy điện thoại, người sử dụng nhận thơng báo họ có tin nhắn Họ chọn thơng báo tải hay cất để xem sau GPRS cung cấp việc thiết lập gọi nhanh HSCSD kết nối với mạng sử dụng giao thức IP hiệu hơn, bao gồm mạng Intranet công ty mạng LAN, Internet Thông qua việc kết hợp khe thời gian TDMA khác nhau, Từ điều ta thấy phương thức truyên tín hiệu GPRS phù hợp dù trạm nơi đâu ta điều khiển giám sát Luận văn thạc sĩ kỹ thuật HVTH: Nguyễn Thị Tố Nga GVHD: TS NGUYỄN THANH HẢI MỤC LỤC CHƢƠNG TỔNG QUAN 12 1.1 Đặt vấn đề 13 1.2 Nhiệm vụ luận văn 23 1.3 Nội dung thực 23 CHƢƠNG CƠ SỞ L THUYẾT 25 2.1 Tổng quan hệ thống giám sát SCADA 26 2.1.1 Định nghĩa 26 2.1.2 Chức vai trò 26 2.1.3 Các ứng dụng vào thực tế so sánh lợi với hệ cũ 26 2.2 Phương án truyền liệu thông qua kênh truyền GPRS 28 2.2.1 Giới thiệu chung 28 2.2.2 Mơ hình hệ thống thu thập liệu qua mạng GPRS 30 2.2.3 Thiết Lập Kết Nối GSM/GPRS MODEM Vào Máy Tính 35 2.4 Giải thuật di truyền 48 CHƢƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT 51 3.1 Giới thiệu 52 3.2 Mô tả đối tượng 52 3.3 Xây dựng mơ hình tốn hệ bồn nước 53 3.4 Mô tả đối tượng giám sát 55 3.4.1 Giới thiệu 55 3.4.2 Tổng quan hệ thống 56 3.5 Xây dựng giải pháp truyền liệu 57 3.5.1 Giải pháp điều khiển PLC từ xa qua GPRS 58 3.5.2 Truyền thông giao tiếp chuẩn RS232 RS485 59 3.6 Sơ đồ cấu trúc hệ giám sát 62 3.7 Thiết kế phần cứng hệ thống 62 3.7.1 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn PLC nguồn cấp cho động 62 3.7.2 Sơ đồ mạch pic truyền nhận PIC thu thập liệu 63 3.8 Thiết kế giao diện chương trình giám sát 66 3.8.1 Giao diện đăng nhập 66 3.8.2 Giao diện sử dụng 67 3.9 Mơ hình thử nghiệm hệ thống 67 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật HVTH: Nguyễn Thị Tố Nga GVHD: TS NGUYỄN THANH HẢI 3.9.1 Giải thuật điều khiển hệ thống 69 3.9.2 Lưu đồ giải thuật PIC truyền nhận (đảm nhận vai trị truyền thơng PLC máy tính qua mạng GPRS) 70 3.9.3 Lưu đồ giải thuật PLC 71 3.9.4 Giải thuật chương trình Auto (xem lại lưu đồ nhánh bên phải) 72 3.9.5 Giải thuật chương trình Hand 72 3.9.6 Giải thuật giao diện giám sát 73 3.9.7 Giải thuật điều khiển 73 CHƢƠNG MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 75 4.1 Thiết kế điều khiển PID 76 4.2 Sơ đồ Simulink hệ thống bồn nước 79 4.3 Điều khiển giám sát dùng vi điều khiển giao tiếp PLC với Card GPRS 83 KẾT LUẬN 86 Những thuận lợi khó khăn q trình thực 86 Thuận lợi 87 Khó khăn 87 Ưu khuyết điểm đề tài 87 Ưu điểm 87 Khuyết điểm 87 Hướng phát triển đề tài 88 PHỤ LỤC 89 LỜI CẢM ƠN 132 TÀI LIỆU THAM KHẢO 133 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật HVTH: Nguyễn Thị Tố Nga GVHD: TS NGUYỄN THANH HẢI DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Hệ thống cung cấp nước 14 Hình 1.2 Hệ thống cung cấp nước có giám sát q trình làm việc 15 Hình 1.3 Cảm biến áp suất 16 Hình 1.4 Thiết bị đo mức t chìm 17 Hình 1.5 Thiết bị đo lưu lượng 17 Hình 1.6 Các chuyển đổi tín hiệu 18 Hình 1.7 Bộ chuyển đổi tín hiệu dùng cho dịng cảm biến đo lưu lượng 18 Hình 1.8 Các dòng cảm biến đo lưu lượng điện từ 19 Hình 1.9 Thiết bị đo mức nguyên lý sóng siêu âm 20 Hình 1.10 Các hiển thị điều khiển (Ultrasonic Level Controller) 21 Hình 1.11 Các đầu phát nhận sóng siêu âm (Ultrasonic Level Transducer) 21 Hình 1.12 Thiết bị đo mức nguyên lý sóng điện từ_ Radar 22 Hình 1.13 Phương án truyền liệu qua mạng GPRS 23 Hình 2.1 Cấu trúc logic mạng GPRS 30 Hình 2.2 Các thành phần GSM 36 Hình 2.3 Mạng xương sống GPRS 37 Hình 2.4 Kết nối GPRS – Internet 39 Hình 2.5 Định tuyến gói liệu GPRS 41 Hình 2.6 Mơi trường GPRS dịch vụ WAP 43 Hình 2.7 Tích hợp FAX qua GPRS 44 Hình 2.8 Kết hợp thoại liệu 44 Hình 2.9 Giải pháp kết hợp mạng riêng ảo 45 Hình 2.10 Liên kết đầu cuối mạng GPRS va đầu cuối mạng Internet 47 Hình 2.11 Lưu đồ giải thuật di truyền 49 Hình 3.1 Mơ hình bồn nước đơn 52 Hình 3.2 Mơ hình thực hệ bồn nước đơn 53 Hình 3.3 Hình chiếu đứng mơ hình bồn nước 54 Hình 3.4 Tổng quan hệ thống giám sát điều khiển từ xa 56 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật HVTH: Nguyễn Thị Tố Nga 10 GVHD: TS NGUYỄN THANH HẢI Hình 3.5 Giải pháp điều khiển PLC từ xa qua GPRS 58 Hình 3.6 Mạch điện phân cực đường truyền 60 Hình 3.7 Sơ đồ mạch chuyển đổi chuẩn RS232 RS485 61 Hình 3.8 Sơ đồ khối chuyển đổi RS232 RS485 62 Hình 3.9 Sơ đồ khối cấu trúc hệ giám sát 62 Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn PLC nguồn cấp cho động 63 Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 63 Hình 3.12 Khối vi điều khiển 64 Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lý khối truyền thông 65 Hình 3.14 Sơ đồ mạch điều khiển động 65 Hình 3.15 Sơ đồ mạch đọc xung encoder 66 Hình 3.16 Giao diện đăng nhập vào hệ thống 66 Hình 3.17 Giao diện sử dụng 67 Hình 3.18 Bên tủ điện điều khiển 67 Hình 3.19 Mơ hình bồn nước 68 Hình 3.20 Lưu đồ giải thuật PIC thu thâp liệu 69 Hình 3.21 Lưu đồ giải thuật PIC truyền nhận 70 Hình 3.22 Lưu đồ giải thuật PLC 71 Hình 3.23 Giải thuật chương trình Auto 72 Hình 3.24 Giải thuật chương trình Hand 72 Hình 3.25 Giải thuật giao diện giám sát 73 Hình 3.26 Giải thuật điều khiển 73 Hình 4.1 Mơ hình tổng qt hệ thống điều khiển PID 76 Hình 4.2 Lưu đồ tiến trình GA xác định thơng số điều khiển PID 78 Hình 4.3 Hệ thống điều khiển bồn nước đơn 79 Hình 4.4 Bộ điều khiển PID 79 Hình 4.5 Mơ hình đối tượng 79 Hình 4.6 Thơng số bồn nước 80 Hình 4.7 Phương trình tốn bồn nước sơ đồ Simulink 80 Hình 4.8 Các hệ số điều khiển PID sau 30 hệ 81 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật HVTH: Nguyễn Thị Tố Nga 119 GVHD: TS NGUYỄN THANH HẢI } #int_timer1 void irs_timer1() { count1++; } #int_timer0 //dieu khien tin hieu cua cb sieu am void irs_timer0() { count2++; if (count2==10) { count2=0; set_rtcc(0); output_high(pin_c0); delay_us(50); output_low(pin_c0); } } #int_ext // doc xung encorder void rb_irs() { tam2++; i=1; } void main() { lcd_init(); lcd_gotoxy(1,1); Luận văn thạc sĩ kỹ thuật HVTH: Nguyễn Thị Tố Nga 120 GVHD: TS NGUYỄN THANH HẢI lcd_putc("DHGTVT-CS2"); lcd_gotoxy(1,4); lcd_putc("23/06/2010"); dem=0;ok=0; //chuoinhan='\0'; gprs_se=plc_se=gprs_rc=plc_rc=ok=luuluong1=luuluong2=0; rise=fall=pulse_width=count1=tam=tam1=tam2=0; i=0;count2=0; enable_interrupts(int_rda); enable_interrupts(INT_CCP1); enable_interrupts(INT_CCP2); enable_interrupts(INT_TIMER1); enable_interrupts(int_timer0); enable_interrupts(int_ext); enable_interrupts(global); setup_ccp1(CCP_CAPTURE_RE); setup_ccp2(CCP_CAPTURE_FE); setup_timer_1(T1_internal); setup_timer_0(RTCC_internal); goidt(); //trisd=0x00; //portd=0xff; output_low(pin_c3); delay_ms(500); set_rtcc(0); set_timer1(0); while(true) { Luận văn thạc sĩ kỹ thuật HVTH: Nguyễn Thị Tố Nga 121 GVHD: TS NGUYỄN THANH HẢI if(gprs_se==1)//goi chuong trinh xu ly du lieu tu GPRS { //output_low(pin_d0); gprs_se=0; delay_ms(500); xuly_chuoigprs(); delay_ms(500); //output_high(pin_d0); } else if(plc_rc==1)//goi chuong trinh send du lieu len PLC { // output_low(pin_d1); plc_rc=0; delay_ms(500); send_plc(); delay_ms(500); //output_high(pin_d1); enable_interrupts(INT_CCP1); enable_interrupts(INT_CCP2); enable_interrupts(INT_TIMER1); enable_interrupts(int_timer0); enable_interrupts(int_ext); } else if(plc_se==1)//goi chuong trinh xu ly du lieu plc { output_low(pin_d6); plc_se=0; delay_ms(500); xuly_chuoiplc(); Luận văn thạc sĩ kỹ thuật HVTH: Nguyễn Thị Tố Nga 122 GVHD: TS NGUYỄN THANH HẢI delay_ms(500); output_high(pin_d6); } else if(gprs_rc==1)//goi chuong trinh send du lieu gprs { output_low(pin_d7); gprs_rc=0; delay_ms(500); send_sms(); output_high(pin_d7); delay_ms(5000); reset_cpu(); } else if(ok==1)// ct gui du lieu len gprs { luu_dulieu(); } else if(luuluong1==1)//goi ct gui du lieu len PLC { h='F'; delay_ms(200); plc_rc=1; delay_ms(200); luuluong1=0; } else if(luuluong2==1)//goi ct gui du lieu len PLC { h='G'; delay_ms(200); Luận văn thạc sĩ kỹ thuật HVTH: Nguyễn Thị Tố Nga 123 GVHD: TS NGUYỄN THANH HẢI plc_rc=1; delay_ms(200); luuluong2=0; } else if(i==1)// goi ct hien thi len LCD { lcd_gotoxy(1,3); printf(lcd_putc,"%lu",tam2); i=0; } } } void sodt() { fprintf(GSM,"AT"); fputc(enter,GSM); delay_ms(1000); fprintf(GSM,"AT+CMGF=1"); fputc(enter,GSM); delay_ms(1000); fprintf(GSM,"AT+CMGS=01882989427"); fputc(enter,GSM); delay_ms(1000); } void send_sms() { /*sodt(); fprintf(GSM,chuoinhan); delay_ms(500); Luận văn thạc sĩ kỹ thuật HVTH: Nguyễn Thị Tố Nga 124 GVHD: TS NGUYỄN THANH HẢI fputc(Ctrl_Z,GSM); delay_ms(1000);*/ goidt(); delay_ms(1000); } void send_plc() { output_high(pin_c3); delay_ms(500); putc(h); delay_ms(100); output_low(pin_c3); delay_ms(1000); } void xuly_chuoigprs() { if(tu_dong!='\0') { h='A'; plc_rc=1; } else if(tay!='\0') { h='B'; plc_rc=1; } else if(star!='\0') { h='C'; Luận văn thạc sĩ kỹ thuật HVTH: Nguyễn Thị Tố Nga 125 GVHD: TS NGUYỄN THANH HẢI plc_rc=1; } else if(stop!='\0') { h='D'; plc_rc=1; } else if(luu_luong!='\0') { h='E'; plc_rc=1; ok=1; } else if(control!='\0') { h='H'; plc_rc=1; } else if(stopcontrol!='\0') { h='I'; plc_rc=1; } } void xuly_chuoiplc() { delay_ms(200); gprs_rc=1; } Luận văn thạc sĩ kỹ thuật HVTH: Nguyễn Thị Tố Nga 126 GVHD: TS NGUYỄN THANH HẢI void goidt() { fprintf(GSM,"ATD0977903620;"); fputc(enter,GSM); delay_ms(1000); } void domucnuoc()//ct hien thi luu luong len LCD { lcd_gotoxy(1,2); printf(lcd_putc,"Dis: %7.2f cm",tam1); } void luu_dulieu() { if(ok==1) { sodt(); fprintf(gsm,"ll=%7.2f cm ",tam1); fputc(Ctrl_Z,GSM); delay_ms(1000); ok=0; } } B.2 Chƣơng trình LCD1_TL.c // Lcd 16x2 in bit mode // LCD.C file diver // As defined in the following structure the pin connection is as follows: // RB4 RS // RB5 Enable // RB0 DB4 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật HVTH: Nguyễn Thị Tố Nga 127 GVHD: TS NGUYỄN THANH HẢI // RB1 DB5 // RB2 DB6 // RB3 DB7 // LCD pins B0-B3 are not used and RW is not used #define rs PIN_d0 //rw connect gnd #define enabled PIN_d1 #define DB4 PIN_d2 #define DB5 PIN_d3 #define DB6 PIN_d4 #define DB7 PIN_d5 char const lcd_type=2; char const LCD_INIT_STRING[4] = {0x20 | (lcd_type > 4); lcd_send_nibble(n & 0xf); } //=============================================== //=============================================== void lcd_init() { char i; //set_tris_lcd(LCD_WRITE); output_low(rs); //lcd.rs = 0; //output_low(rw); //lcd.rw = 0; output_low(enabled); //lcd.enable = 0; delay_ms(200); for(i=1;i