Chủ đề xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát áp suất nước trên đường ống bơm nước sinh hoạt

PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN I Thông tin chung Tên lớp: EE6019.2 Khóa: 15 Tên nhóm (nếu giao phiếu học tập nhóm): Nhóm Họ tên thành viên nhóm: Nguyễn Văn Tiến – 2020602864 – K15 Đỗ Trường Sơn – 2020602283 – K15 Bùi Văn Thao – 2020602858 – K15 Nguyễn Thành Đạt – 2020602863 – K15 Vũ Ngọc Sang – 2020602118 – K15 II Nội dung học tập Tên chủ đề: Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát áp suất nước đường ống bơm nước sinh hoạt Hoạt động sinh viên - Ứng dụng đề tài thực tiễn quy trình cơng nghệ - Tìm hiểu thiết bị mơ hình - Tìm hiểu thiết bị điều khiển - Xây dựng thuật toán, lập trình kết nối cho hệ thống điều khiển áp suất Sản phẩm nghiên cứu: Bài báo cáo III Nhiệm vụ học tập Hoàn thành Đồ án theo thời gian quy định (từ ngày 13/9/2023 đến ngày 26/12/2023) Báo cáo sản phẩm nghiên cứu theo chủ đề giao trước giảng viên sinh viên khác KẾ HOẠCH THỰC HIỆN TIỂU LUẬN, BÀI TẬP LỚN, ĐỒ ÁN/DỰ ÁN Tên lớp : EE6019.2 Tên nhóm: Nhóm Khóa : 15 Họ tên thành viên nhóm: Nguyễn Văn Tiến, Đỗ Trường Sơn, Bùi Văn Thao, Nguyễn Thành Đạt, Vũ Ngọc Sang Tên chủ đề: Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát áp suất nước đường ống bơm nước sinh hoạt Tuần Người thực 1-3 Nguyễn Thành Đạt Vũ Ngọc Sang 4-5 Bùi Văn Thao Vũ Ngọc Sang Nội dung công việc Ứng dụng đề tài thực tiễn quy trình cơng nghệ Trao đổi, thảo luận, tìm hiểu thơng qua giáo trình Tìm hiểu thiết bị mơ hình Trao đổi, thảo luận, tìm hiểu thơng qua giáo trình, chọn thiết bị Tìm hiểu thiết bị điều khiển Trao đổi, thảo luận, tìm hiểu thơng qua giáo trình internet, chọn thiết bị Nguyễn Văn Tiến 5-9 Đỗ Trường Sơn Nguyễn Thành Đạt Nguyễn Văn Tiến Phương pháp thực 9-13 13-15 Đỗ Trường Sơn Xây dựng thuật tốn Nguyễn Văn Tiến Lập trình kết nối cho hệ thống điều khiển áp suất Trao đổi, thảo luận, tìm hiểu qua giáo trình internet Nguyễn Văn Tiến Vũ Ngọc Sang Đỗ Trường Sơn Mô kiểm nghiệm Nguyễn Thành Đạt Bùi Văn Thao Ngày 27 tháng 12 năm 2021 XÁC NHẬN CỦA GIẢNG VIÊN (Ký, ghi rõ họ tên) BÁO CÁO HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHÓM Tên lớp: EE6019.2 Tên nhóm : Nhóm Khóa: 15 Tên chủ đề: Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát áp suất nước đường ống bơm nước sinh hoạt Tuần Người thực Nội dung công việc Nguyễn Thành Đạt Vũ Ngọc Sang Ứng dụng đề tài thực tiễn quy trình cơng nghệ Hiểu quy trình hệ thống ứng dụng Bùi Văn Thao Tìm hiểu thiết bị mơ hình Xác định rõ thiết bị để hồn thành hệ thống Vũ Ngọc Sang Kết đạt Nguyễn Văn Tiến Đỗ Trường Sơn Tìm hiểu thiết bị điều khiển Tìm hiểu cách thức hoạt động, điều khiển thiết Kiến nghị với giảng viên hướng dẫn (Nêu khó khăn, hỗ trợ từ phía giảng viên,… cần) Nguyễn Thành Đạt bị Nguyễn Văn Tiến 13 Đỗ Trường Sơn Nguyễn Văn Tiến 15 Xây dựng thuật tốn Lập trình kết nối cho hệ thống điều khiển áp suất Biết rõ nguyến lý hoạt động, cách thức lập trình theo quy trình Mơ kiểm nghiệm Hồn thành báo cáo Nguyễn Văn Tiến Vũ Ngọc Sang Đỗ Trường Sơn Nguyễn Thành Đạt Bùi Văn Thao Ngày 27 tháng 12 năm 2021 XÁC NHẬN CỦA GIẢNG VIÊN (Ký, ghi rõ họ tên) MỤC LỤC Lời nói đầu CHƯƠNG I CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Ứng dụng đề tài thực tiễn 1.2 Quy trình cơng nghệ 1.3 Tìm hiểu thiết bị mơ hình 11 1.4 Tìm hiểu thiết bị điều khiển 12 1.4.1 PLC S7300 CPU314C-2 PN/DP 12 1.4.2 Module nguồn – PS (Power supply) 15 1.4.3 HMI (Human Machine Interface) .16 1.4.4 Biến tần MM440 18 1.4.5 Cảm biến áp suất 20 1.4.6 Động không đồng ba pha 22 1.4.7 Công tắc tơ 24 1.4.8 Rơ le trung gian 26 CHƯƠNG II THIẾT KẾ HỆ THỐNG .29 2.1 Sơ đồ khối 29 2.2 Sơ đồ thuật toán 29 2.2.1 Nguyên lý làm việc hệ thống .29 2.2.2 Lưu đồ thuật toán .30 2.3 Sơ đồ đấu dây 32 2.4 Cài đặt thông số cho biến tần 33 2.4.1 Cài đặt lại thông số mặc định cho biến tần 33 2.4.2 Cài đặt thông số cho biến tần điều chỉnh tốc độ máy bơm 33 2.5 Tìm thơng số PID 33 2.5.1 Định nghĩa PID 33 2.5.2 Cấu trúc điều khiển PID 34 2.5.3 Tìm thơng số PID phương pháp Ziegler-Nichols 34 2.6 Lập trình PLC S7_300 .36 2.6.1 Tín hiệu vào 36 2.6.2 Tín hiệu 36 2.6.3 Biến phụ .36 2.6.4 Chương trình PLC 36 2.7 Thiết kế giao diện điều khiển giám sát HMI WinCC 41 CHƯƠNG III KẾT LUẬN 44 3.1 Kết luận nội dung đề tài 44 3.2 Các hạn chế .44 3.3 Biện pháp khắc phục 44 Tài Liệu Tham Khảo 45 Lời nói đầu Nước tài nguyên quý báu thiếu sống người Trong kỷ 21, việc đảm bảo cung cấp nước ổn định cộng đồng doanh nghiệp trở thành thách thức đáng kể Điều đặt yêu cầu cao việc quản lý điều khiển nguồn nước, đặc biệt khu vực đô thị đông đúc quy trình cơng nghiệp Đề tài "Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát áp suất nước đường ống bơm nước sinh hoạt" nỗ lực quan trọng nhằm đáp ứng nhu cầu ngày cao nguồn nước đáng tin cậy Hệ thống không giúp đảm bảo nguồn nước sinh hoạt sẵn sàng cho cộng đồng doanh nghiệp mà cịn cung cấp nhiều lợi ích khác tiết kiệm lượng, giám sát cố quản lý tiêu thụ nước cách hiệu Hệ thống sử dụng PLC S7-300, thiết bị điều khiển công nghiệp mạnh mẽ, để thực nhiệm vụ quan trọng điều chỉnh áp suất nước, theo dõi cảm biến áp suất, tương tác với thiết bị khác Sự kết hợp công nghệ điều khiển giám sát với linh hoạt độ tin cậy PLC S7-300 tạo nên hệ thống mạnh mẽ hiệu CHƯƠNG I CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Ứng dụng đề tài thực tiễn Đề tài "Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát áp suất nước đường ống bơm nước sinh hoạt" có nhiều ứng dụng quan trọng thực tiễn Hệ thống không đảm bảo nguồn nước sinh hoạt ổn định cho cộng đồng doanh nghiệp mà cịn mang lại số lợi ích quan trọng khác Một ứng dụng hệ thống đảm bảo nguồn nước sinh hoạt ổn định cho cộng đồng doanh nghiệp Áp suất nước tự động điều chỉnh để đảm bảo người có nguồn nước ổn định cho hoạt động hàng ngày, đặc biệt quan trọng khu vực đô thị đông đúc Hệ thống giúp tiết kiệm lượng cách điều chỉnh hoạt động bơm nước dựa áp suất nước thực tế nhu cầu sử dụng Điều giúp giảm tiêu hao lượng giảm chi phí hoạt động Quản lý tiêu thụ nước trở nên dễ dàng với hệ thống Cá nhân doanh nghiệp theo dõi báo cáo mức tiêu thụ nước họ, giúp họ hiểu rõ việc sử dụng nước áp dụng biện pháp tiết kiệm nước hiệu Hệ thống điều khiển giám sát áp suất nước có ứng dụng quy trình công nghiệp Trong ngành sản xuất xử lý nước, kiểm soát áp suất nước yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu suất chất lượng sản phẩm Hệ thống tích hợp vào quy trình sản xuất để đảm bảo áp suất nước ln ổn định mức tối ưu Ngoài ứng dụng trên, hệ thống có tiềm phát triển thành dự án thơng minh tích hợp cơng nghệ IoT (Internet of Things) Hệ thống kết nối tương tác với thiết bị khác để tạo dự án thành phố thông minh, bao gồm tối ưu hóa quản lý nước dựa liệu thời gian thực thông số liên quan khác 1.2 Quy trình cơng nghệ Xét mơ hình sử dụng biến tần để điều khiển trạm bơm gồm bơm sau: 10 2.3 Sơ đồ đấu dây Hình 21: Sơ đồ đấu dây 34 2.4 Cài đặt thông số cho biến tần 2.4.1 Cài đặt lại thông số mặc định cho biến tần P0003 = (Mức bản) P0004 = (Tất thông số) P0010 = 30 (Chế độ cài đặt xuất xưởng) P0970 = (Cài đặt lại thông số mặc định) 2.4.2 Cài đặt thông số cho biến tần điều chỉnh tốc độ máy bơm P0300 = (Động không đồng bộ) P0304 = điện áp định mức động (V) P0305 = dòng điện định mức động (A) P0307 = công suất định mức động (kW hp) P0308 = hệ số cos ϕ định mức động P0309 = hiệu suất định mức động (%) P0310 = tần số định mức động ( Hz) P0311= tốc độ định mức động (V/ph) P1000 = (lựa chọn điểm đặt tần số :điểm đặt tương tự) P1080 = Hz (tần số nhỏ nhất) P1082 = 50 Hz (tần số lớn nhất) P1120 = 10s (thời gian tăng tốc) P1121 = 10s (thời gian giảm tốc) P0756 = (đầu vào tương tự ADC kiểu điện áp đơn cực từ 0–10V) 2.5 Tìm thông số PID 2.5.1 Định nghĩa PID P: Proportional => Tỷ lệ I: Integrative => Nguyên hàm (tích phân) D: Derivative => Đạo hàm (vi phân) Điều khiển PID kết hợp điều khiển: tỉ lệ, tích phân và vi phân, có khả điều chỉnh sai số thấp có thể, tăng tốc độ đáp ứng, giảm độ vọt lố, hạn chế dao động áp dụng cho hệ vào, 35 2.5.2 Cấu trúc điều khiển PID Hình 22: Sơ đồ khối điều khiển PID Setpoint giá trị cài đặt, Output giá trị ngõ ra, giá trị ngõ hồi tiếp để so sánh với giá trị cài đặt Sự sai lệch tín hiệu đặt tín hiệu thực tế gọi Error Sai lệnh Error đưa vào điều khiển PID để xuất tín hiệu tương ứng tác động vào hệ thống Process Các thông số Kp, Ki, Kd thông số điều khiển PID cần phải lựa chọn Nếu thông số lựa chọn tốt hệ thống hoạt động tốt, nghĩa ngõ Output tiệm cận với giá trị cài đặt Setpoint 2.5.3 Tìm thơng số PID phương pháp Ziegler-Nichols Phương pháp Ziegler-Nichols phương pháp điều chỉnh điều khiển PID phát triển John G Ziegler Nathaniel B Nichols Phương pháp thực cách thiết lập thông số độ lợi khâu I (tích phân) khâu D (vi phân) không (0) Độ lợi khâu P (tỷ lệ), độ lợi K p tăng lên từ không (0) đạt đến độ lợi Ku tối đa, mà đầu vòng điều khiển dao động với biên độ không đổi Ku chu kỳ dao động Tu sử dụng để thiết lập độ lợi P, I, D tùy thuộc vào loại điều khiển sử dụng: Loại điều khiển Kp Ki Kd P Ku/2 - - PI Ku/2.2 1.2Kp/Tu - PID 0.6Ku 2Kp/Tu KpTu/8 36 Ta sử dụng Matlab Simulink để khảo sát Đầu tiên ta xây dựng sơ đồ khối Matlab Simulink hình đây: Hình 23: Sơ đồ khối xây dựng Matlab Simulink Với Kp=0.05, Ki=50s ta thu kết hình đây: Hình 24: Đồ thị khảo sát giá trị áp suất đo so với giá trị cài đặt 37 2.6 Lập trình PLC S7_300 2.6.1 Tín hiệu vào 2.6.2 Tín hiệu 2.6.3 Biến phụ 2.6.4 Chương trình PLC Chương trình 38 39 Chương trình FC1 Chương trình FC2 40 41 Chương trình FC3 42 2.7 Thiết kế giao diện điều khiển giám sát HMI WinCC Hình 25: Giao diện điều khiển giám sát Trong giao diện thiết kế gồm button I/O field Chức button: - START: Khởi động hệ thống 43 - STOP: Dừng hệ thống Đăng nhập: Đăng nhập tài khoản cấp để điều khiển toàn hệ thống Đăng xuất: Đăng xuất tài khoản đăng nhập hệ thống Exit: Thoát khỏi giao diện WinCC Chức I/O field: - I/O field “SP_Sensor”: Đặt giá trị áp suất mong muốn đường ống I/O field “Value Sensor”: Giá trị áp suất đo đường ống Kết quả: Đăng nhập hệ thống 44 Cảnh báo áp suất thấp Cảnh báo áp suất cao 45 CHƯƠNG III KẾT LUẬN 3.1 Kết luận nội dung đề tài - Đề tài giúp chúng em hiểu thêm cấu tạo, nguyên lý hoạt động, ứng dụng của: - Biến tần PLC Cảm biến áp suất Động không đồng ba pha Phần mềm TIA Portal, Matlab Simulink Thiết thiết kế giao diện HMI WinCC - Hiểu nguyên tắc lập trình điều khiển áp suất đường ống nước sinh hoạt dùng PLC S7_300 - Đưa lưu đồ giải thuật sơ đồ khối 3.2 Các hạn chế - Chưa có điều kiện quan sát thực tiễn trạm bơm nước thực tế nên khơng có kiến thức thực tế Phương án thiết kế chủ yếu dựa vào tài liệu tham khảo kết hợp với ý tưởng thành viên nhóm - Thời gian đáp ứng hệ thống lâu (PID chưa tối ưu) - Mới tiếp xúc với WiCC lên thiết kế chưa chuẩn đẹp 3.3 Biện pháp khắc phục - Cần tìm hiểu kĩ hoạt động trạm bơm thực tế - Đọc tìm hiểu thêm tài liệu điều khiển để tìm thơng số PID tối ưu - Tham khảo nhiều nguồn thiết kế WinCC thực tế để phát triển tư thiết kế 46 Tài Liệu Tham Khảo [1] Nguyễn Dỗn Phước, “Tự động hóa với Simatic S7-300,” NXB KHKT, 2006 [2] Hoàng Minh Sơn, Mạng truyền thông công nghiệp, NXB KHKT, 2001 [3] Trần Thu Hà, Tự Động Hóa Trong Cơng Nghiệp với WinCC, NXB Hồng Đức, 2007 [4] TT Việt Đức, SIMATIC S7-300 Điều Khiển Hệ Thống, ĐH Sư Phạm Kỹ thuật Tp.HCM [5] Siemens, AS-Interface – Introdution and Basic information, 2000 [6] Siemens, S7-300 Programmable Controller Hardware and installation [7] Hà Văn Trí, Thiết Bị Siemens S7-300 [8] Lê Văn Doanh -Phạm Thượng Hàn -Nguyễn Văn Hoà –Võ Thạch Sơn –Đoàn Văn Tân, Các Bộ cảm biến kỹ thuật Đo lường điều khiển, NXB Khoa học kỹ thuật, 2002 [9] Th.s Hồng Minh Thơng, Giáo trình cảm biến cơng nghiệp, NXB Khoa học kỹ thuật; [10] Ngô Văn Ky, Kỹ thuật đo, Trường Đại Học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, 1993 [11] ThS Nguyễn Xuân Thịnh - ThS Nguyễn Thị Lan - ThS Lê Ân Tình, Điều Khiển Quá Trình [12] https://plctab.com/fine-turning-pid-with-s7-1500-tia-portal-do-thong-so-pid-voibo-dieu-khien-pid-siemens/ [13] https://www.tailieumienphi.vn/doc/cac-khoi-to-chuc-ngat-trong-plc-s7-300x3tqtq.html [14] https://vi.wikipedia.org/wiki/Ph%C6%B0%C6%A1ng_ph%C3%A1p_Ziegler %E2%80%93Nichols [15] https://www.scribd.com/document/390289106/Chuyen-%C4%90%E1%BB 47 %81-L%E1%BA%ADp-Trinh-PLC-S7-1200-Nang-Cao 48