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

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ - KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP KHOA ĐIỆN  ĐỒ ÁN 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 Họ tên: Đỗ Tùng Lâm Lớp: DHTD13A1HN Mã sinh viên: 19104300057 Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Đức Dương Hà Nội-2022 LỜI NÓI ĐẦU Trong thiên niên kỷ XXI này, phát triển mạnh mẽ khoa học công nghệ gần cách mạng 4.0 tác động mạnh mẽ đến đời sống sản xuất, sinh hoạt người Nhằm hướng đến sống mà người phải trực tiếp bỏ sức lao động làm, thu suất, chất lượng sản phẩm, độ chỉnh xác cao, giúp cho người có sống dễ dàng thối mái Điều khiển mức nói chung điều khiển mức chất lịng nói riêng trình phố biến, sử dụng nhiều dây chuyền sản xuất công nghiệp Công nghệ tự động giám sát điều khiển mức chất lòng nhiều cơng ty, xí nghiệp nhà máy ứng dụng nhiều nhằm thay việc giám sát điều khiến mức chất lòng phương pháp thủ công Công nghệ tự động giám sát mức chất lông đàm bảo việc kiểm soát, điều khiến lưu lượng mức chất lỏng sử dụng, bơm, xã chất lỏng cách tỉn cậy mà không cần kiểm tra trực tiếp người Công nghệ ứng dụng nhiều việc xử lý nước thải, lọc hóa dầu, nhà máy nước, nhà máy nhiệt điện, thủy điện, điện hạt nhân, bế nước, tháp nước tự động…Trong để tài em thực “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" hướng dẫn Th.s Nguyễn Đức Dương MỤC LỤC BÀI 1: ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BÌNH TRỘN 1.1 Giới thiệu hệ thống thực hành điều khiển mức nước bình trộn 1.2 Hệ thống điều khiển mức nước bình trộn 1.3 Các biến trình hệ thống .8 1.4 Xây dựng mơ hình động học hệ thống, giả thiết đơn giản hóa 1.5 Phân tích bậc tự mơ hình .9 1.6 Xây dựng phương trình sai phân, phương trình laplace 1.7 Tính tốn tham số điều khiển mức bình trụ trịn .11 1.8 Mơ hệ thống điều khiển mức bình trộn .12 1.8.1 Mô hệ thống điều khiển mức bình trộn trường hợp khơng có nhiễu 12 1.8.2 Mô hệ thống điều khiển mức bình trộn trường hợp có nhiễu phần mềm Matlab/Simulink tool PCE 19 1.8.3 Mô chạy thực nghiệm 26 BÀI 2: 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 27 2.1 Mơ hình điều khiển mức dùng cảm biến chênh áp (để đo mức) van điện khí nén 27 2.1.1 Nguyên lý hoạt động trình điều khiển mức .27 2.2 Mơ hình hóa van điều khiển 28 2.3 Phân biệt biến trình .32 2.4 Phân tích bậc tự 32 2.5 Xây dựng phương trình sai phân, phương trình laplace hệ thống .32 2.6 Tổng hợp điều khiển mức theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng 34 2.7 Mô Matlab điều khiển 35 2.8 Tính chọn thiết bị sử dụng mơ hình .39 2.8.1 Cảm biến chênh áp đo mức nước 39 2.8.2 Van điện từ van Solenoid 41 2.8.3 Bơm pha loại bơm ly tâm, trục ngang 0.37 Kw .42 2.8.4 Van tuyến tính 43 2.8.5 Máy nén khí .43 2.8.6 Contactor rơ_le nhiệt 44 2.8.7 Rơle trung gian 45 2.8.8 Nguồn cấp 24V cho mạch điện .46 2.8.9 Bộ PLC S7 – 1200 .47 2.8.10 Module mở rộng I/O analog siemens SM 1234 48 2.9 Thiết kế sơ đồ lắp đặt khung bàn thiết kế sơ đồ đấu nối cho mơ hình 49 2.9.1 Thiết kế khung 49 2.9.2 Lắp ráp mơ hình thực tế .50 2.9.3 Sơ đồ đấu nối cho mơ hình 50 2.10 Thiết kế chương trình cho hệ thống điều khiển .55 2.10.1 Chương trình điều khiển 55 2.10.2 Thiết lập giao diện WINCC R-T .64 2.10.3 Chạy thực nghiệm hệ thống .74 ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐỀ SỐ 01 Bài Dòng nước vào lưu lượng F1 cấp qua bơm PUMP1 sau qua van mở tay MV1, tiếp thông qua van từ SV1, qua thiết bị đo lưu lượng FT1, qua van điều khiển CV2 đổ vào bình trộn Dịng nước khỏi bình F3 cách, thứ qua van tay MV5, thứ qua van từ SV3 van tay MV4 đổ vào bình chứa Bình trộn bình trụ trịn thẳng đứng Mực nước bình đo cảm biến siêu âm LT1 Tín hiệu đo gửi điều khiển mức LIC, Bộ điều khiển mức đưa tín hiệu điều khiển để điều chỉnh độ mở van điều khiển từ đố điều khiển lưu lượng dòng nước vào a) Phân biệt biến q trình ? b) Xây dựng mơ hình động học hệ thống, đưa giả thiết đơn giản hóa cần thiết ? c) Phân tích bậc tự mơ hình ? d) Xây dựng phương trình sai phân, phương trình laplace? e) Cách tính tốn tham số điều khiển mức bình trộn f) Mơ hệ thống điều khiển mức bình trộn trường hợp khơng có nhiễu phần mềm Matlab/Simulink tool PCE? g) Mô hệ thống điều khiển mức bình trộn trường hợp có nhiễu phần mềm Matlab/Simulink tool PCE? h) Chạy thực nghiệm mơ hình để lấy đường đặc tính Nhận xét? Bài 2: 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 Tiến hành điều khiển mức bình chứa theo sơ đồ sau: 2.1 Yêu cầu a) Phân biệt biến q trình? b) Xây dựng mơ hình động học hệ thống, đưa giả thiết đơn giản hóa cần thiết? c) Phân tích bậc tự mơ hình? d) Xây dựng phương trình sai phân, phương trình laplace? e) Mơ hình hóa van điều khiển? Vẽ sơ đồ khối cho mơ hình? f) Lựa chọn sách lược điều khiển phù hợp? g) Hãy tổng hợp điều mức số phương pháp khác nhau? (với sách lược điều khiển phản hồi, sách lược điều khiển feedforward) Mô MatlabSimulink, so sánh kết thu được? Yêu cầu a) Tính chọn van điện khí nén, cảm biến mức chênh áp thiết bị sử dụng mơ hình? b) Thiết kế sơ đồ lắp đặt khung bàn mơ hình? c) Thiết kế sơ đồ đấu nối cho mơ hình (bao gồm mạch lực mạch điều khiển)? d) Thiết lập chương trình điều khiển cho tốn cơng nghệ trên? (với sách lược điều khiển phản hồi)? Chỉnh định tham số điều khiển PID đảm bảo mức h bám theo giá trị đặt e) Thiết kế chương trình điều khiển giám sát SCADA máy tính? BÀI 1: ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BÌNH TRỘN 1.1 Gi i thi uệh thốống ệ th ự c hành điềều ển m ức n ước bình tr ộn Hình 1.1 Mơ hình tổng quát điều khiển mức nước bình trộn Quá trình điều khiển mức: Dịng nước vào lưu lượng F1 cấp qua bơm PUMP1 sau qua van mở tay MV1, tiếp thơng qua van từ SV1, qua thiết bị đo lưu lượng FT1, qua van điều khiển CV2 đổ vào bình trộn Dịng nước khỏi bình F3 cách, thứ qua van tay MV5, thứ qua van từ SV3 van tay MV4 đổ vào bình chứa Mực nước bình đo cảm biến siêu âm LT1 Tín hiệu đo gửi điều khiển mức LIC, Bộ điều khiển mức đưa tín hiệu điều khiển để điều chỉnh độ mở van điều khiển từ đố điều khiển lưu lượng dòng nước vào 1.2 H thốống ệ điềều khiển mức n ước bình trộn Hình 1.2 Lưu đồ P&ID hệ thống điều khiển mức bình trộn 1.3 Các biềốn trình c aủ h ệthốống Hình 1.3 Các biến trình mức nước bình trộn 1.4 Xây d ng ự mố hình đ ngộ h c ọc a ủh thốống, ệ gi ảthiềốt đơn gi ản hóa Các giả thiết đơn giản hoá: Khối lượng riêng chất lỏng cấp vào bình khối lượng riêng chất lỏng bình số q trình p0=p=const Lưu lượng nước khơng phụ thuộc vào chiều cao cột áp h Mơ hình động học Hình 1.4: Mơ hình động học hệ thống 1.5 Phân tch bậc tự c mố hình Số biến trình: 3: F1, F3, L Số phương trình: 1: Phương trình cân khối lượng Bậc tự = 3-1=2 Biến điều khiển: F1 Biến nhiễu: F3 Biến cần điều khiển: L 1.6 Xây dựng phương trình sai phân, phương trình laplace Phương trình cân khối lượng dm d (V ) dV w  w  F  F  F  F 3 dt dt dt V  (F  F )dt Với m –khối lượng chất lỏng(kg) Vì mơ hình sử dụng bình trộn có dạng hình trụ tròn thẳng đứng nên V A L  Ta có: d (LA) F  F dt dL  ( F  F ) g dt A A tiết diện đáy thùng Thùng trụ trịn thẳng đứng A R Phương trình sai phân mức nước Áp dụng phép khai triển Taylor: 64 2.10.2 Thiết 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 65 Bước 3: Chọn PC systems_1 /Device configuration / Catalog /communication modules / IE general 66 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 67 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 68 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 69 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 70 Bước 4: Vào animations Gán màu biến cho nút start V1 hình -Các nút lại làm tương tự 71 Bước 5: Vào properties / General /gán biến setpoint để đặt giá trị đặt hình 72 Bước 6: vào add new screen tạo screen_1 / options / controls chọn đồ thị hình đây: 73 74 2.10.3 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 dòng 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 trình: Đường màu đen đường giá trị đặt setpoint Đường màu đỏ độ mở van Đường màu xanh đáp ứng 75 Hình 2.29: Đáp ứng mức có nhiễu q trình Nhận xét: Khi chạy khơng nhiễu đáp ứng bám sát giá trị đặt rơi vào khoảng 40.26/40 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 2.30: Đáp ứng mức có nhiễu q trình 76 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 55.1/55 Hệ thống chạy thời gian dài ổn định không gặp lỗi Kết luận: - Chạy thực nghiệm hệ thống đáp ứng tốt với điều khiển Có sai lệch trình điều khiển giá trị nằm giá trị cho phép sai lệch hệ thống - Hệ thống chạy thời gian dài đáp ứng tốt - So sánh với kết chạy thử matlab tương đồng hệ thống điều đáp ứng so với setpoin mong muốn - Đối với van tuyến tình đáp ứng nhanh sau có tín hiệu 77 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] Cơ sở hệ thống điều khiển q trình-Hồng Minh Sơn [3] STMicroelectronics, STM32 Nucleo-64 boards (MB1136) user manual [4] ABB (2010) System 800xA 5.1 Documents [5] Philip J Thomas, (1999) Simulation of Industrial Processes for Control Engineers, Elsevier Science & Technology Books, Pages 222 – 224 [6] 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 [7] 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 78