Việc xây dựng một hệ thống tựđộng đo và điều chỉnh mức nước rất là quan trọng.Chính vì vậy, vấn đề đặt ra trong đề tài này là điều khiển lưu lượng dòng chảy để ổnđịnh mức chất lỏng với đ
LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay hệ thống điều khiển tự động không còn quá xa lạ với chúng ta Nó được ra đời từ rất sớm, nhằm đáp ứng được nhu cầu thiết yếu trong cuộc sống của con người Và đặc biệt trong sản xuất, công nghệ tự động rất phát triển và nó đã giải quyết được rất nhiều vấn đề mà một người bình thư ờng khó có thể làm được Ngày càng nhiều các thiết bị tiên tiến đòi hỏi khả năng xử lý, mức độ hoàn hảo , sự chính xác của các hệ thống sản xuất ngày một cao hơn, đáp ứng nhu cầu sản xuất về số lượng, chất lượng, thẩm mỹ ngày càng cao của xã hội Vì vậy điều khiển tự động đã trở thành một ngành khoa học kỹ thuật chuyên nghiên cứu và ứng dụng của ngành điều khiển tự động vào lao động sản xuất, đời sống sinh hoạt của con người Bên cạnh đó PLC được ra đời và nó ngày càng phát triển vì những tính năng ưu việt mà nó có được Từ khi PLC ra đời nó đã thay thế một số phương pháp cũ, nhờ khả năng điều khiển thiết bị dễ dàng và linh hoạt dựa vào việc lập trình dựa trên những tập lênh logic cơ bản Để tìm hiểu rõ hơn về PLC em xin chọn đề tài “ Thiết kế hệ thống PLC điều khiển mức chất lỏng ” Và nhờ sự hướng dẫn của Ths Ngô Thị Lê và toàn thể thầy cô trong khoa điện đã hỗ trợ và giúp đỡ em để em hoàn thành đồ án này Em xin chân thành cảm ơn ! Sinh viên CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG 1.1 Khái niệm Lưu lượng nước hay lưu lượng chất lỏng nói chung là chỉ về số lượng, thể tích nước hay chất lỏng lưu thông qua một mặt cắt trên một đơn vị thời gian Thông thường, cách đo lưu lượng dễ nhất là đo qua đường ống hoặc qua một kênh kín hoặc hở Hình 1.1 Minh hoa lưu lượng dòng chảy trong thực tế 1.2 Đặt vấn đề Trong thiên niên kỷ XXI này, sự phát triển mãnh mẽ của khoa học công nghệ và gần đây là cuộc cách mạng 4.0 đã tác động mạnh mẽ đến đời sống sản xuất, sinh hoạt của con người Nhằm hướng đến một uộc sống mà con người ít phải trực tiếp bỏ sức lao động, nhưng vẫn thu được năng suất, chất lượng sản phẩm, độ chính xác cao, giúp con người có cuộc sống thoải mái dễ dàng thoải mái hơn Sự góp mặt của tự động hóa quá trình công nghệ đã góp phần không nhỏ đến mục tiêu này Nó đã và đang được phát triển và ứng dụng mạnh mẽ trong công nghiệp, cụ thể như công nghiệp hóa lọc dầu, công nghiệp hóa chất, công nghiệp xử lý nước, sản xuất giấy, sản xuất xi măng cũng như trong các lĩnh vực khác của đời sống Đặc biệt hơn, tự động hóa quá trình giúp con người tránh khỏi những công việc nặng nhọc, trong môi trường độc hại, khai thác những nơi con người không thể đặt chân đến Trong công nghiệp hóa chất, thực phẩm, chế biến và lọc dầu, trong các công trình thủy điện, thủy lợi, thủy nông và nhiều lĩnh vực khác Việc xây dựng một hệ thống tự động đo và điều chỉnh mức nước rất là quan trọng Chính vì vậy, vấn đề đặt ra trong đề tài này là điều khiển lưu lượng dòng chảy để ổn định mức chất lỏng với độ chính xác cao Với yêu cầu ứng dụng thực tế như vậy, đề tài nghiên cứu đối tượng chính ở đây là điều khiển mức nước trong bình đơn Hệ bồn nước đơn được hình thành với hệ thống bơm và xả chất lỏng nhưng luôn giữ ổn định theo giá trị mức đặt trước, mức chất lỏng trong bồn chứa được duy trì ổ định Để làm được điều này thì đòi hỏi phải điều khiển đóng mở các van để điều tiết lưu lượng dòng chảy cũng như điều khiển lưu lượng chất lỏng từ máy bơm bơm vào hệ thống bồn nước, làm mức nước trong bồn luôn luôn giữ một giá trị đặt trước là không đổi Viêc điều khiển hệ thống này để giữ được mức chất lỏng trong bồn ổn định là tương đối khó, cần phải có sự điều khiển phối hợp giữa các van và máy bơm Với sự phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động hiện nay thì có nhiều các để điều khiển mức chất lỏng của hệ thống bồn nước đơn, nhưng ở đây ta sử dụng bộ điều khiển PID kinh điển để điều khiể Công việc điều khiển được thực hiện mô phỏng trên Matlab với công cụ là simulink Đồ án này đề cập đến việc mô hình hóa và kiểm soát tốc độ dòng chảy trong các đường ống dẫn dầu nặng Với mục đích, thuật toán điều khiển PID được sử dụng để điều khiển cơ chế dòng chảy trong đường ống Chứng minh tính hiệu quả của bộ PID trong việc kiểm soát tốc độ dòng chảy trong đường ống Hình 1.2 Nhu cầu thực tế khi chọn công suất máy bơm Lưu lượng của máy bơm nước là lượng nước mà máy bơm có thể vận chuyển được trong một khoảng thời gian (giờ, phút, giây) Đơn vị tính: lit/phút(l/min) hoặc m3/h Lưu lượng tỉ lệ nghịch với cột áp, lưu lượng càng lớn thì cột áp càng bé và ngược lại Đây cũng là một trong những yếu tố quan trọng quyết định đến hiệu suất hoạt động của máy bơm 1.3 Các phương thức điều khiển 1.3.1 Các hệ thống điều khiển hệ tuyến tính Khi khảo sát đặc tính động học của một đối tượng điều khiển hay 1 hệ thống, thông thường các đối tượng khảo sát được xem là tuyến tính, dẫn đến phép mô tả hệ thống bằng 1 hệ phương trình vi phân tuyến tính Sử dụng nguyên lý xếp chồng của hệ tuyến tính, ta có thể dễ dàng tách riêng các phần đặc trưng cho từng chế dộ làm việc nghiên cứu với những công cụ tính toán chặt chẽ nhưng đơn giản và hiệu quả Sử dụng mô hình tuyến tính để mô tả hệ thống có nhiều ưu điểm : - Mô hình đơn giản , các tham số mô hình tuyến tính dễ dàng xác định được bằng các phương pháp thực nghiệm mà không cần phải đi từ những phương trình hoá lý phức tạp mô tả hệ - Các phương pháp tổng hợp bộ điều khiển tuyến tính rất phong phú và không tốn nhiều thời gian để thực hiện - Cấu trúc đơn giản của mô hình cho phép theo dõi được kết quả điều khiển một cách dễ dàng và có thể chinh định lại mô hình cho phù hợp với yêu cầu thực tế Chính vì những ưu điểm này của mô hình tuyến tính mà lý thuyết điều khiển tuyến tính và mô hình tuyến tính đã có được miền ứng dụng rộng lớn 1.3.2 Các hệ thống điều khiển hệ phi tuyến Trong thực tế phần lớn các đối tượng được điều khiển lại mang tính động học phi tuyến Với hệ phi tuyến thì không dùng được nguyên lý xếp chồng và không phải đối tượng nào, hệ thống nào cũng có thể mô tải được bằng 1 mô hình tuyến tính, cũng như không phải lúc nào những giả thiết cho phép xấp xỉ hệ thống bằng mô hình tuyến tính được thoả mãn Hơn thế nữa độ tối ưu tác động nhanh chỉ có thể tổng hợp được nếu ta sử dụng bộ điều khiển vi tuyến Các hạn chế này bắt buộc người ta phải trực tiếp nghiên cứu tính toán động học của đối tượng, tổng hợp hệ thống bằng những công cụ toán học phi tuyến 1.3.3 Các phương pháp điều khiển ổn định mức nước Cho đến nay trong thức tế, nhiều phương pháp và hệ thống điều khiển lưu lượng dòng chảy được thiết kế và sử dụng Trong đó các phương pháp điều khiển chủ yếu là : - Sử dụng bộ PID truyền thống, từ đơn giản đến phức tạp, có nghĩa là thiết kế thêm bộ điều khiển bù dao động bên cạnh bộ điều khiển vị trí Bộ điều khiển PID sẽ hiệu chỉnh sai lệch giữa tín hiệu đặt mong muốn và đáp ứng đầu ra của hệ thống, sau đó đưa ra tín hiệu điều khiển để điều chỉnh cho phù hợp - Sử dụng công cụ lý thuyết tiên tiến như logic mờ và mạng nơ ron nhân tạo Theo hướng này cũng nghiên cứu từ đơn giản đến phức tạp như : + Chỉ sử dụng logic mờ (ưu điểm của bộ điều khiển mờ là không cần biết chính xác mo hình đối tượng) + Chỉ sử dụng mạng nơ ron nhân tạo ( mạng nơ ron nhân tạo là sử dụng kỹ thuật tái tạo lại 1 vài chức năng tương tự bộ não con người Trong bài toán kỹ thuật, mạng nơ ron có thể nhận dạng, điều khiển, nhận mẫu, giải quyết các bài toán tối ưu và hiệu quả Có rất nhiều loại mạng và việc phân loại mạng cũng có nhiều cách + Kết hợp logic mờ với PID kinh điển Trong pham vi điều khiển thì bộ PID là phương pháp điều khiển tối ưu Sự kết hợp giữa logic mờ và PID kinh điển giúp tang tính tối ưu và hệ thống làm việc tốt hơn Ưu điểm của bộ điều khiển này là khả năng tự chỉnh định lại thông số bộ điều khiển cho phù hợp với điểm làm việc của đối tượng + Kết hợp mạng nơ ron nhân tạo với PID kinh điển Với bộ điều khiển này bộ tham số kd,ki,kp không chỉ được ước lượng từ ngõ ra đối tượng mà còn là bộ tham số tối ưu thông qua các khả năng tự động của mạng nơ ron Vì thế bộ điều khiển đáp ứng được các yêu cầu khắt khe về chất lượng điều khiển của hệ thống Phương pháp sử dụng bộ PID được sử dụng khá rộng rãi để điều khiển theo nguyên lý phản hồi Lý do bộ PID được chọn rộng rãi vì tính đơn giản cả về cấu trục lẫn nguyên lý làm việc Bộ điều khiển PID có nhiện vụ đưa sai lệch tính e của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá độ thoả mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng 1.4 Đặt bài toán điều khiển mức nước Cấu trúc của hệ thống ổn định mức nước : Nguyên lý làm việc của mô hình : Nước từ bồn chứa được động cơ bơm vào bồn điều khiển, lưu lượng nước được thay đổi qua van điều chỉnh đầu vào Mức nước trong bồn được cảm biến mức đo và đưa thông tin tới bộ điều khiển Đầu ra của bồn điều khiển là van xả chất lỏng ra bên ngoài có thể điều chỉnh góc mờ thể hiện mức độ tiêu thụ là luôn thay đổi và không cố định Bộ điều khiển có nhiệm vụ điều chỉnh góc mở van xả chất lỏng vào sao cho giữ được mức nước trong bồn điều khiển ổn định theo giá trị đặt sẵn CHƯƠNG 2 : GIỚI THIỆU VỀ PLC S7-1200 VÀ CÁC THIẾT BỊ TRONG HỆ THỐNG 2.1 Giới thiệu chung về PLC Ngày nay tự động hóa ngày càng đóng vai trò quan trọng đời sống và công nghiệp, tự động hóa đã phát triển đến trình độ cao nhờ những tiến bộ của lý thuyết điều khiển tự động, tiến bộ của ngành điện tử, tin học… Chính vì vậy mà nhiều hệ thống điều khiển ra đời, nhưng phát triển mạnh và có khả năng ứng dụng rộng là Bộ điều khiển lập trình PLC Bộ điều khiển lập trình đầu tiên (Programmable controller) đã được những nhà thiết kế cho ra đời năm 1968 (Công ty General Motor-Mỹ), với các chỉ tiêu kỹ thuật nhằm đáp ứng các yêu cầu điều khiển : - Dễ lập trình và thay đổi chương trình - Cấu trúc dạng Module mở rộng, dễ bảo trì và sữa chữa - Đảm bảo độ tin cậy trong môi trường sản xuất Tuy nhiên hệ thống còn khá đơn giản và cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó khăn trong việc vận hành và lập trình hệ thống Vì vậy các nhà thiết kế từng bước cải tiến hệ thống đơn giản, gọn nhẹ, dễ vận hành Để đơn giản hóa việc lập trình, hệ thống điều khiển lập trình cầm tay (Programmable controller Handle) đầu tiên được ra đời vào năm 1969 Điều này đã tạo ra sự phát triển thật sự cho kỹ thuật lập trình Trong giai đoạn này các hệ thống điều khiển lập trình (PLC) chỉ đơn giản nhằm thay thế hệ thống Relay và dây nối trong hệ thống điều khiển cổ Qua quá trình vận hành, các nhà thiết kế đã từng bước tạo ra được một tiêu chuẩn mới cho hệ thống, đó là tiêu chuẩn: Dạng lập trình dùng giản đồ hình thang Sự phát triển của hệ thống phần cứng từ năm 1975 cho đến nay đã làm cho hệ thống PLC phát triển mạnh mẽ hơn với các chức năng mở rộng: - Số lượng ngõ vào, ngõ ra nhiều hơn và có khả năng điều khiển các ngõ vào, ngõ ra từ xa bằng kỹ thuật truyền thông - Bộ nhớ lớn hơn - Nhiều loại Module chuyên dùng hơn Trong những đầu thập niên 1970, với sự phát triển của phần mềm, bộ lập trình PLC không chỉ thực hiện các lệnh Logic đơn giản mà còn có thêm các lệnh về định thì, đếm sự kiện, các lệnh về xử lý toán học, xử lý dữ liệu, xử lý xung, xử lý thời gian thực Ngoài ra các nhà thiết kế còn tạo ra kỹ thuật kết nối các hệ thống PLC riêng lẻ thành một hệ thống PLC chung, tăng khả năng của từng hệ thống riêng lẻ Tốc độ của hệ thống được cải thiện, chu kỳ quét nhanh hơn Bên cạnh đó, PLC được chế tạo có thể giao tiếp với các thiết bị ngoại nhờ vậy mà khả năng ứng dụng của PLC được mở rộng hơn 2.2 Giới thiệu PLC S7-1200 2.2.1 Giới thiệu chung PLC S7-1200 ( Promamable Logic Controller) là những kết hợp I/O và các lựa chọn cấp nguồn, bao gồm 9 module các bộ cấp nguồn cả VAC – hoặc VDC - các bộ nguồn với sự kết hợp I/O DC hoặc Relay Các module tín hiệu để mở rộng I/O và các module giao tiếp dễ dàng kết nối với các mặt của bộ điều khiển Tất cả các phần cứng Simatic S7- 1200 có thể được gắn trên DIN rail tiêu chuẩn hay trực tiếp trên bảng điều khiển, giảm được không gian và chí phí lắp đặt Các module tín hiệu có trong các model đầu vào, đầu ra và kết hợp loại 8,16, và 32 điểm hỗ trợ các tín hiệu I/O DC, relay và analog Bên cạnh đó, bảng tín hiệu tiên tiến có trong I/O số 4 kênh hay I/O analog 1 kênh gắn đằng trước bộ điều khiển S7-1200 cho phép nâng cấp I/O mà không cần thêm không gian Thiết kế có thể mở rộng này giúp điều chỉnh các ứng dụng từ 10_I/O đến tối đa 284_I/O, với khả năng tương thích chương trình người sử dụng nhằm tránh phải lập trình lại khi chuyển đổi sang một bộ điều khiển lớn hơn Các đặc điểm khác: bộ nhớ 50 KB với giới hạn giữa dữ liệu người sử dụng và dữ liệu chương trình, một đồng hồ thời gian thực, 16 vòng lặp PID với khả năng điều chỉnh tự động, cho phép bộ điều khiển xác định thông số vòng lặp gần tối ưu cho hầu hết các ứng dụng điều khiển quá trình thông dụng Simatic S7-1200 cũng có một cổng giao tiếp Ethernet 10/100 Mbit tích hợp với hỗ trợ giao thức Profinet cho lập trình, kết nối HMI/SCADA hay nối mạng PLC với PLC 2.2.2 Đặc điểm của PLC S7-1200 Năm 2009, Siemens ra dòng sản phẩm S7-1200 dùng để thay thế dần cho S7-200 So với S7-200 thì S7-1200 có những tính năng nổi trội: - S7-1200 là một dòng của bộ điều khiển logic lập trình (PLC) có thể kiểm soát nhiều ứng dụng tự động hóa Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp và một tập lệnh mạnh làm cho chúng ta có những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng với S7-1200 - S7-1200 bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợp sẵn, các đầu vào/ra (DI/DO) - Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU và chương trình điều khiển: Tất cả các CPU đều cung cấp bảo vệ bằng password chống truy cập vào PLC