CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Ứng dụng của đề tài trong thực tiễn
Đề tài "Xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát áp suất nước trên đường ống bơm nước sinh hoạt" mang lại nhiều ứng dụng thiết thực, đảm bảo nguồn nước sinh hoạt ổn định cho cộng đồng và doanh nghiệp Hệ thống này không chỉ cải thiện hiệu quả quản lý nước mà còn cung cấp những lợi ích quan trọng khác cho người sử dụng.
Hệ thống này đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nguồn nước sinh hoạt ổn định cho cộng đồng và doanh nghiệp Nó tự động điều chỉnh áp suất nước, đảm bảo mọi người luôn có nước sạch và ổn định cho các hoạt động hàng ngày, đặc biệt là tại các khu vực đô thị đông đúc.
Hệ thống tiết kiệm năng lượng bằng cách điều chỉnh hoạt động của bơm nước dựa trên áp suất thực tế và nhu cầu sử dụng, giúp giảm tiêu hao năng lượng và chi phí vận hành.
Hệ thống này giúp quản lý tiêu thụ nước một cách hiệu quả hơn cho cả cá nhân và doanh nghiệp Người dùng có thể theo dõi và báo cáo mức tiêu thụ nước, từ đó nâng cao nhận thức về việc sử dụng nước và thực hiện các biện pháp tiết kiệm nước hợp lý.
Hệ thống điều khiển và giám sát áp suất nước đóng vai trò quan trọng trong các quy trình công nghiệp, đặc biệt trong ngành sản xuất và xử lý nước Việc kiểm soát áp suất nước không chỉ đảm bảo hiệu suất mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm Tích hợp hệ thống này vào quy trình sản xuất giúp duy trì áp suất nước ổn định ở mức tối ưu.
Hệ thống này có tiềm năng phát triển thành các dự án thông minh hơn thông qua việc tích hợp công nghệ IoT (Internet of Things) Nó có khả năng kết nối và tương tác với các thiết bị khác, góp phần tạo ra các dự án thành phố thông minh, bao gồm việc tối ưu hóa quản lý nước dựa trên dữ liệu thời gian thực và các thông số liên quan.
Quy trình công nghệ
Xét mô hình sử dụng biến tần để điều khiển trạm bơm gồm 2 bơm như sau:
Hình 1: Mô hình tổng quan
Mô hình điều khiển trạm bơm sử dụng biến tần cho hai bơm hoạt động theo áp suất đặt (X bar) được thiết lập theo kiểu chính/phụ Trong hệ thống này, bơm số 1 được chọn làm bơm chính, trong khi bơm số 2 đóng vai trò bơm phụ.
Khi khởi động hệ thống, máy bơm 1 được điều khiển bằng biến tần sẽ hoạt động cho đến khi đạt áp suất đặt Khi áp suất trong đường ống đạt mức yêu cầu, biến tần sẽ duy trì tốc độ ổn định cho máy bơm Nếu có sự thay đổi tải, tức là áp suất thay đổi, biến tần sẽ điều chỉnh tốc độ máy bơm để phù hợp với sự tăng hoặc giảm của tải.
Khi áp suất giảm, biến tần sẽ điều khiển máy bơm tăng tốc độ hoạt động để ổn định áp suất, tức là tăng tần số của máy bơm cho đến khi đạt được áp suất mong muốn.
Ngược lại, khi áp suất tăng thì biến tần sẽ giảm tần số của máy bơm xuống cho tới khi đạt được áp suất đặt.
Khi bơm chính đạt tốc độ tối đa 50Hz nhưng không đủ áp suất yêu cầu, hệ thống điều khiển sẽ khởi động bơm phụ với tốc độ tối đa 50Hz Đồng thời, bơm chính sẽ tự động điều chỉnh tốc độ liên tục để duy trì áp suất ổn định theo yêu cầu.
Khi áp suất đặt thấp hơn áp suất thực tế, bơm chính sẽ giảm tốc độ đến mức tối thiểu 0Hz Nếu áp suất vẫn cao, hệ thống điều khiển sẽ tắt bơm phụ, chỉ để bơm chính hoạt động nhằm đáp ứng yêu cầu.
Tìm hiểu các thiết bị trên mô hình
Hình 2: Sơ đồ tổng quan
Một số thiết bị được dùng
Module nguồn – PS (Power supply)
Động cơ không đồng bộ ba pha
Tìm hiểu về thiết bị điều khiển
PLC (Điều khiển Logic Khả trình) là thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua ngôn ngữ lập trình Với kích thước nhỏ gọn, PLC dễ dàng thay đổi thuật toán và giao tiếp hiệu quả với các thiết bị khác, bao gồm cả máy tính Tất cả chương trình điều khiển được lưu trữ trong bộ nhớ PLC dưới dạng các khối chương trình (Khối OB, FC hoặc FB) và thực hiện theo chu kỳ vòng quét.
Bộ điều khiển logic khả trình (PLC) hoạt động như một máy tính, bao gồm bộ vi xử lý (CPU), hệ điều hành và bộ nhớ để lưu trữ chương trình điều khiển PLC cũng cần có cổng vào/ra để giao tiếp với đối tượng điều khiển và môi trường xung quanh Để đáp ứng các yêu cầu điều khiển số, PLC còn được trang bị các khối chức năng đặc biệt như bộ đếm (Counter), bộ thời gian (Timer) và các khối hàm chuyên dụng.
Cách thức PLC thực hiện chương trình
PLC thực hiện các công việc (bao gồm cả chương trình điều khiển) theo chu trình lặp.
Mỗi vòng lặp trong hệ thống được gọi là vòng quét (scancycle), bắt đầu bằng việc chuyển dữ liệu từ các cổng vào số đến vùng bộ đệm ảo I Sau đó, giai đoạn thực hiện chương trình diễn ra, trong đó chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên cho đến lệnh kết thúc của khối OB1.
Sau khi hoàn thành chương trình, giai đoạn tiếp theo là chuyển nội dung của bộ đệm ảo Q tới các cổng ra số Vòng quét sẽ kết thúc bằng việc xử lý các yêu cầu truyền thông (nếu có) và kiểm tra trạng thái của CPU Mỗi vòng quét có thể được mô tả chi tiết như sau:
Hình 4: Vòng quét chương trình
Thời gian vòng quét (Scan time) là khoảng thời gian mà PLC cần để hoàn thành một vòng quét Thời gian này không cố định và có thể thay đổi, với một số vòng quét diễn ra nhanh hơn hoặc chậm hơn tùy thuộc vào số lượng lệnh trong chương trình và khối dữ liệu được truyền trong mỗi vòng quét.
Thời gian vòng quét trong PLC ảnh hưởng trực tiếp đến tính thời gian thực của chương trình điều khiển Khoảng thời gian này là thời gian trễ giữa việc đọc dữ liệu từ đối tượng và gửi tín hiệu điều khiển Thời gian vòng quét càng ngắn, tính thời gian thực của chương trình càng cao, dẫn đến hiệu suất điều khiển tốt hơn.
Hình 5: Module CPU 314C-2 PN/DP
• Tên thiết bị: SIMATIC PLC S7-300, CPU 314C-2PN/DP COMPACT CPU
• Mã sản phẩm: 6ES7314-6EH04-0AB0
SIMATIC S7-300, CPU 314C-2 PN/DP là một CPU nhỏ gọn với bộ nhớ làm việc 192 KB, hỗ trợ 24 đầu vào số (DI), 16 đầu ra số (DO), 4 đầu vào analog (AI), 2 đầu ra analog (AO), 1 đầu vào Pt100 và 4 bộ đếm tốc độ cao lên tới 60 kHz Thiết bị này có giao diện 1 MPI/DP với tốc độ 12 Mbit/s và giao diện 2 Ethernet PROFINET với công tắc 2 cổng Nó đi kèm với nguồn điện tích hợp 24 V DC, kết nối phía trước (2x 40-cực) và yêu cầu thẻ nhớ Micro để hoạt động hiệu quả.
• Số lượng ngõ vào,ra: Loại thường: Không tích hợp sẵn các ngõ vào/ra
• Loại Compact: 10 DI/6 DO; 16 DI/16 DO;24 DI/16 DO, 4AI, 2AO 1 PT100
• Bộ nhớ chương trình: 32/32; 128/64; 256/128; 384/128; 1024/256; 2048/700 (kbyte)
• Hỗ trợ kết nối nhiều module mở rộng lên đến 16384 địa chỉ
• Tích hợp thời gian thực trên mỗi CPU.
• Kích thước nhỏ gọn dễ dàng lắp đặt trên Rail.
• Khe cắm thẻ nhớ (MMC): 08 Mbyte (tối đa)
• Ngôn ngữ lập trình: LAD, FBD, STL, SCL, CFC, GRAPH, HiGraph
• Truyền thông: PROFIBUS, DEVICENET , CAN , AS-I
• Cấp bảo vệ: IP 20 (IEC 60 529)
• S7-300 Là 1 dòng PLC mạnh của Siemens
S7-300 là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng lớn và vừa, đáp ứng tốt các yêu cầu cao về chức năng đặc biệt như truyền thông mạng công nghiệp, công nghệ tiên tiến và các chức năng an toàn với độ tin cậy cao.
• Kích thước CPU và Module nhỏ giúp cho việc thiết kế tủ điện nhỏ hơn
• Với phạm vi mô đun có thể mở rộng nên thích nghi tối đa các nhiệm vụ tự động hóa
• Sử dụng linh hoạt thông qua việc thực hiện đơn giản cấu trúc phân tán và Mạng lưới đa năng
• Vận hành thân thiện người dùng và thiết kế không phức tạp
• Có thể mở rộng bài toán khi nhiệm vụ điều khiển tăng lên
1.4.2 Module nguồn – PS (Power supply)
Có chức năng cung cấp nguồn cho các module của hệ Simatic S7300 Module nguồn có 3 loại: 2A, 5A, 10A
• Điện áp ra: 24VDC, chống ngắn mạch
• Nối với hệ thống AC một pha (điện áp vào 120/230 VAC tần số 50/60Hz)
• Điện áp ra: 24VDC, chống ngắn mạch
• Nối với hệ thống AC một pha (điện áp vào 120/230 VAC tần số 50/60Hz)
• Điện áp ra: 24VDC, chống ngắn mạch
• Nối với hệ thống AC một pha (điện áp vào 120/230 VAC tần số 50/60Hz)
HMI, viết tắt của Human Machine Interface, là thiết bị cho phép người dùng giao tiếp với máy móc thông qua màn hình cảm ứng hoặc nút bấm Hầu hết các máy móc có khả năng tinh chỉnh, giao tiếp, ra lệnh và điều khiển qua màn hình đều được gọi là HMI.
Các ưu điểm của HMI
Khi tự động hóa tại nhà máy gia tăng, người điều khiển cần thông tin chi tiết hơn về quy trình, dẫn đến yêu cầu hiển thị và điều khiển ngày càng phức tạp Một cải tiến đáng chú ý là việc sử dụng màn hình cảm ứng, cho phép người điều khiển chỉ cần chạm vào các “nút ảo” để thực hiện thao tác hoặc nhận thông tin Điều này giúp loại bỏ sự cần thiết của bàn phím, chuột và gậy điều khiển, ngoại trừ một số trường hợp lập trình phức tạp hiếm hoi có thể diễn ra trong quá trình rửa trôi.
Một ưu điểm nổi bật của màn hình tinh thể lỏng là kích thước nhỏ gọn và độ mỏng của nó, giúp tiết kiệm không gian so với màn hình CRT Điều này cho phép màn hình tinh thể lỏng được sử dụng hiệu quả trong các không gian hạn chế Hơn nữa, trong các máy tính nhúng, màn hình này có thể thay thế cho các hiển thị truyền thống, mang lại tính năng HMI đầy đủ trong một thiết kế gọn nhẹ.
Người điều khiển thường làm việc trong không gian hạn chế tại nhà máy, nơi mà việc di chuyển gặp nhiều khó khăn do sự chật chội Trong tình huống này, việc sử dụng HMI (Giao diện Người-Máy) di động trở nên cần thiết, giúp họ dễ dàng thao tác và tương tác với các công cụ, phụ tùng mà không bị cản trở bởi kích thước lớn của thiết bị.
Một số hệ thống HMI
Hình 6: HMI điều khiển trực tiếp một bộ điều khiển thông qua PROFIBUS
Hình 7: HMI điều khiển nhiều bộ điều khiển thông qua PROFIBUS
Hình 8: HMI kết nối với máy chủ thông qua đường truyền LAN(TCP/IP)
Tổng quan về biến tần
Biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều ở tần số này thành dòng điện xoay chiều ở tần số khác có thể điều chỉnh được.
Hình 9: Hình ảnh biến tần
• Biến tần nguồn áp ( hay là bộ nghịch lưu nguồn áp)
• Biến tần nguồn dòng ( hay là bộ nghịch lưu nguồn dòng) Ở đầy ta xét đến biến tần nguồn áp
Cấu tạo của biến tần
Hình 10: Cấu tạo của biến tần
Nguyên lý hoạt động của biến tần
Nguyên lý làm việc của biến tần bắt đầu bằng việc chỉnh lưu và lọc nguồn điện xoay chiều một pha hoặc ba pha thành nguồn một chiều phẳng nhờ bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện, giúp hệ số công suất cosФ đạt tối thiểu 0,96 và không phụ thuộc vào tải Sau đó, điện áp một chiều được biến đổi thành điện áp xoay chiều ba pha đối xứng thông qua công nghệ IGBT và phương pháp điều chế độ rung (PWM) Nhờ vào sự phát triển của công nghệ vi xử lý và bán dẫn, tần số chuyển mạch có thể đạt đến dải tần số siêu âm, giúp giảm tiếng ồn cho động cơ và tổn thất trên lõi sắt.
- Đối với điện áp vào 1 pha: 200V - 240V.
- Tần số ngõ ra từ 0Hz đến 650Hz.
• 15 cấp tần số cố định
• Có tích hợp bộ điều khiển PID
• Có chức năng hãm DC, hãm tổ hợp và hãm bằng điện trở hay hãm động năng.
1.4.5 Cảm biến áp suất Định nghĩa
Cảm biến là thiết bị chuyển đổi các đại lượng vật lý và không điện thành các đại lượng có thể đo được như dòng điện, điện thế, điện dung và trở kháng Đây là thành phần thiết yếu trong các thiết bị đo lường và hệ thống điều khiển tự động.
Cảm biến áp suất PB2164
- Thông số kỹ thuật của cảm biến áp suất PB2164
• Ngõ ra NPN NO/NC
• Ngõ ra Analog: 4-20mA hoặc 0-10V
• Kết nối ren ngoài G1/4, Chân cắm M12
• Mức độ bảo vệ IP68
Hình 12: Cảm biến áp suất PB2164
Cấu tạo của Cảm biến áp suất
Các dòng cảm biến đo áp lực đều có cấu tạo chung, nhưng cũng có sự khác biệt do thuộc các phân khúc khác nhau hoặc công nghệ sản xuất riêng biệt Tuy nhiên, nhìn chung, các cảm biến này sẽ bao gồm những bộ phận cơ bản sau đây.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Sơ đồ khối
Hình 20: Sơ đồ khối của hệ thống Khối HMI: trao đổi dữ liệu giữa người vận hành và khâu xử lý trung tâm
Khối PLC sử dụng module tương tự để đọc tín hiệu đã được chuyển đổi sang dạng số Sau đó, nó xử lý tín hiệu số theo chương trình được lập trình sẵn trong bộ vi xử lý Trong trường hợp này, chúng ta đang sử dụng PLC S7300 CPU 314C-2 PN/DP.
Khối biến tần: nhận tín hiệu điều khiển từ PLC để điều khiển tốc độ động cơ bớm nước hệ thống
Khối động cơ: gồm động cơ bơm nước
Khối cảm biến: lấy tín hiệu áp suất đo được đưa về module tương tự
Sơ đồ thuật toán
2.2.1 Nguyên lý làm việc của hệ thống
Mô hình sử dụng biến tần để điều khiển trạm bơm với 2 bơm cho phép duy trì áp suất ổn định (X bar) Trong hệ thống này, bơm số 1 được chọn làm bơm chính, trong khi bơm số 2 hoạt động như bơm phụ Việc điều khiển theo kiểu chính/phụ giúp tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng cho toàn bộ hệ thống.
Khi nhấn nút START, hệ thống sẽ hoạt động, và nhấn STOP để dừng lại Trong quá trình hoạt động, máy bơm 1 được điều khiển bằng biến tần sẽ khởi động cho đến khi đạt áp suất đặt Khi áp suất trong đường ống đạt mức yêu cầu, biến tần sẽ duy trì tốc độ ổn định cho máy bơm Nếu có sự thay đổi về tải, tức là áp suất thay đổi, biến tần sẽ điều chỉnh tốc độ máy bơm để phù hợp với mức tải tăng hoặc giảm.
Khi áp suất đo được thấp hơn giá trị đặt, biến tần sẽ điều khiển máy bơm hoạt động nhanh hơn để ổn định áp suất, tức là tăng tần số của máy bơm cho đến khi đạt được áp suất yêu cầu.
Khi áp suất đo được vượt quá giá trị đặt, biến tần sẽ tự động giảm tần số của máy bơm cho đến khi đạt được áp suất mong muốn.
Khi bơm chính đạt tốc độ tối đa 50Hz nhưng không đạt được áp suất yêu cầu, hệ thống điều khiển sẽ khởi động bơm phụ với tốc độ tối đa 50Hz Đồng thời, bơm chính sẽ tự động điều chỉnh tốc độ liên tục để duy trì áp suất ổn định theo yêu cầu.
Khi áp suất đặt thấp hơn áp suất thực tế, quá trình hoạt động sẽ diễn ra ngược lại Bơm chính sẽ giảm dần tốc độ cho đến khi đạt tối thiểu 0Hz, trong khi áp suất vẫn cao Lúc này, hệ thống điều khiển sẽ tắt bơm phụ và chỉ duy trì hoạt động của bơm chính để đáp ứng yêu cầu.
Sơ đồ đấu dây
Hình 21: Sơ đồ đấu dây
Cài đặt thông số cho biến tần
2.4.1 Cài đặt lại các thông số mặc định cho biến tần
P0004 = 0 (Tất cả các thông số)
P0010 = 30 (Chế độ cài đặt khi xuất xưởng)
P0970 = 1 (Cài đặt lại thông số mặc định)
2.4.2 Cài đặt thông số cho biến tần điều chỉnh tốc độ máy bơm
P0300 = 1 (Động cơ không đồng bộ)
P0304 = điện áp định mức động cơ (V).
P0305 = dòng điện định mức động cơ (A)
P0307 = công suất định mức động cơ (kW hoặc hp)
P0308 = hệ số cos ϕ định mức của động cơ.
P0309 = hiệu suất định mức động cơ (%)
P0310 = tần số định mức động cơ ( Hz).
P0311= tốc độ định mức động cơ (V/ph)
P1000 = 2 (lựa chọn điểm đặt tần số :điểm đặt tương tự)
P1080 = 0 Hz (tần số nhỏ nhất)
P1082 = 50 Hz (tần số lớn nhất)
P0756 = 0 (đầu vào tương tự ADC kiểu điện áp đơn cực từ 0–10V)
Tìm thông số PID
I: Integrative => Nguyên hàm (tích phân)
D: Derivative => Đạo hàm (vi phân) Điều khiển PID là sự kết hợp của 3 bộ điều khiển: tỉ lệ, tích phân và vi phân, có khả năng điều chỉnh sai số thấp nhất có thể, tăng tốc độ đáp ứng, giảm độ vọt lố, hạn chế sự dao động và chỉ áp dụng cho hệ một vào, một ra.
2.5.2 Cấu trúc của một bộ điều khiển PID
Hình 22: Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID
Setpoint là giá trị cài đặt trong hệ thống, trong khi Output là giá trị ngõ ra thực tế Sự sai lệch giữa giá trị cài đặt và giá trị ngõ ra được gọi là Error Sai lệch này sẽ được đưa vào bộ điều khiển PID để tạo ra tín hiệu điều chỉnh nhằm tác động vào hệ thống Process.
Các thông số Kp, Ki, Kd là yếu tố quan trọng trong việc lựa chọn bộ điều khiển PID Việc lựa chọn chính xác các thông số này sẽ đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả, giúp ngõ ra Output gần đạt giá trị cài đặt Setpoint.
2.5.3 Tìm thông số PID bằng phương pháp Ziegler-Nichols
Phương pháp Ziegler-Nichols, được phát triển bởi John G Ziegler và Nathaniel B Nichols, là một kỹ thuật điều chỉnh bộ điều khiển PID Phương pháp này bắt đầu bằng cách thiết lập thông số độ lợi khâu I và D về không, sau đó tăng độ lợi khâu P (Kp) từ 0 cho đến khi đạt độ lợi tối đa Ku, tại đó đầu ra của vòng điều khiển dao động với biên độ không đổi Các giá trị Ku và chu kỳ dao động Tu sau đó được sử dụng để thiết lập độ lợi cho các khâu P, I và D, tùy thuộc vào loại điều khiển được áp dụng.
Loại điều khiển Kp Ki Kd
PID 0.6Ku 2Kp/Tu KpTu/8
Ta sử dụng Matlab Simulink để khảo sát Đầu tiên ta xây dựng sơ đồ khối trên Matlab Simulink như hình dưới đây:
Hình 23: Sơ đồ khối xây dựng trên Matlab Simulink
Với Kp=0.05, KiPs ta thu được kết quả như hình dưới đây:
Hình 24: Đồ thị khảo sát giá trị áp suất đo được so với giá trị cài đặt
Lập trình trên PLC S7_300
Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát HMI trên WinCC
Hình 25: Giao diện điều khiển và giám sát
Trong giao diện thiết kế gồm 5 button và 2 I/O field
Chức năng của các button:
- START: Khởi động hệ thống
- Đăng nhập: Đăng nhập tài khoản được cấp để điều khiển toàn bộ hệ thống
- Đăng xuất: Đăng xuất tài khoản đang đăng nhập trên hệ thống
- Exit: Thoát khỏi giao diện WinCC
Chức năng của các I/O field:
- I/O field “SP_Sensor”: Đặt giá trị áp suất mong muốn trên đường ống
- I/O field “Value Sensor”: Giá trị áp suất đo được trên đường ống
Kết quả: Đăng nhập hệ thống
Cảnh báo áp suất thấp
Cảnh báo áp suất cao