báo cáo cuối kỳ hệ thống điều khiển mức chất lỏng

Trong đề tài này, chúng ta cùng thảo luận về các hệ thống điều khiển được thiết kế với cơ sở là các hệ thống này sẽ có thể điều khiển mực nước theo mong muốnBộ điều khiển có trong hệ thố

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

BÁO CÁO CUỐI KỲ

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1Giới thiệu về đề tài ···4

1.2Mục tiêu của đề tài···4

1.3 Nội dung thực hiện đề tài···5

1.4 Ưu điểm và nhược điểm của đề tài···6

1.5 Ứng dụng của dự án ···7

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ 2.1Giới thiệu các nghiên cứu và đề xuất liên quan đến dự án ···9

2.2Sơ đồ khối của hệ thống···10

2.3Thiết bị được sử dụng trong hệ thống ···11

2.3.1 AI···12

2.3.2 CPU···14

2.3.3 AO···15

2.3.4 BIẾN TẦN (SINAMICS V20 INVERTER)···17

2.3.5 BƠM TĂNG ÁP NƯỚC···20

2.3.6 CẢM BIẾN ULM-53···20

2.4Phần mềm Tia Portal V16···23

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG Yêu cầu của hệ thống···25

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 4.1 Kết quả đạt được trong thiết kế phần cứng···26

4.2 Kết quả đạt được trong thiết kế phần mềm···28

4.3 Kết quả đạt được về hoạt động của hệ thống···32 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN

Bảng quy trình thực hiện

Tuần 2- Vẽ sơ đồ khối, sơ đồ nối dây

Tuần 2- Chỉnh sửa mô phỏng

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI

Hiện nay, trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, yêu cầu tự động hóa ngày càng cao trong đời sống và sản xuất (yêu cầu điều khiển tự động, linh hoạt, tiện lợi, gọn nhẹ) Mặt khác, nhờ sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin và kỹ thuật điện tử, thiết bị điều khiển lập trình PLC đã xuất hiện Thực hiện công việc một cách khoa học để đạt được số lượng sản phẩm lớn, nhanh chóng và tiết kiệm Các công ty sản xuất thường sử dụng công nghệ lập trình

Dây chuyền sản xuất tự động PLC giảm sức lao động của công nhân nhưng đạt hiệu quả cao đáp ứng kịp thời nhu cầu cuộc sống Trong đề tài này, chúng ta cùng thảo luận về các hệ thống điều khiển được thiết kế với cơ sở là các hệ thống này sẽ có thể điều khiển mực nước theo mong muốn

Bộ điều khiển có trong hệ thống tạo ra tín hiệu điều khiển được chuyển đổi thành tín hiệu mong muốn bởi bộ truyền động và được đưa đến nhà máy để thực hiện hành động mong muốn.

Hoạt động vòng kín của hệ thống điều khiển cho phép tín hiệu phản hồi được so sánh với đầu vào tham chiếu do đó cung cấp hành động được kiểm soát Nguyên tắc hoạt động này được sử dụng bởi hệ thống mức chất lỏng.

1.2 Mục tiêu

Cùng với sự phát triển của xã hội, mức sống của con người được nâng cao thì những công việc thay thế công việc bằng các thiết bị tự động cũng được nhiều người đón nhận trong công việc cũng như trong quá trình làm việc chương trình hoạt động.

Công nghệ giám sát và mức độ kiểm tra chất lượng cũng được nhiều công ty, xí nghiệp cũng như nhà máy áp dụng với nhiều mục đích thay thế công việc giám sát và kiểm tra chất lượng bằng phương pháp thủ công, công nghệ tự động Kiểm soát bảo vệ giám sát chất lượng tích cực, kiểm soát chất lượng sử dụng Bơm và xả chất lượng đáng tin cậy mà không cần kiểm tra trực tiếp của con người Công nghệ này được ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải, lọc dầu, nhà máy nước, nhà máy nhiệt, truyền tải điện, phát điện, bể chứa nước, bể chứa nước tự động Từ những vấn đề trên đặt ra câu hỏi nên sử dụng phương pháp nào để giám sát và kiểm soát chất lượng một cách hợp lý nhất về chi phí, độ tin cậy, tính linh hoạt, dễ vận hành và dễ sử dụng.

Sau khi đã xác định đối tượng, chủ đề nghiên cứu và giới hạn phạm vi Nghiên cứu, xác định mục tiêu là khâu quan trọng, việc liệt kê tiếp tục định hướng đúng hướng cho văn bản thực hiện quy chế Các mục công cụ như sau:

• Học cách đo mực nước • Tìm hiểu về PLC S7 – 1500 • Tìm hiểu đầu vào và đầu ra tương tự • Tìm hiểu giao thức máy tính kết nối với PLC

• Thiết kế giao diện Wincc đo lường và giám sát bể chứa nước

1.3 Nội dung thực hiện

- Vẽ sơ đồ khối - Vẽ sơ đồ nối dây - Tìm hiểu về linh kiện - Cài đặt thông số biến tần

- Phòng mô hình trên TiA portal V16 - So sánh kết quả và kết luận

1.4 Ưu điểm và nhược điểm của đề tài này

Bộ điều khiển mực nước là thiết bị quản lý mực nước trên nhiều hệ thống như bể chứa nước, máy bơm và bể bơi Chức năng cơ bản của bộ điều khiển mực nước là điều chỉnh lưu lượng nước và tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống Các thiết bị này của hệ thống có một số ưu điểm và nhược điểm.

+ ƯU ĐIỂM :

Tiết kiệm điện

Sử dụng bộ điều khiển mực nước giúp tiết kiệm điện năng Điều này là do mực nước được điều khiển tự động, hạn chế lượng điện sử dụng Kết quả là, ít nước và năng lượng hơn được sử dụng để điều chỉnh nguồn cung cấp nước Trong thời đại mà việc tiết kiệm năng lượng là vô cùng quan trọng, việc sử dụng một trong những thiết bị này là rất có lợi.

Tiết kiệm tiền

Vì bộ điều khiển mực nước tiết kiệm điện nên nó cũng tiết kiệm tiền Về cơ bản, việc điều tiết nước được tối ưu hóa thông qua các thiết bị này,

đồng nghĩa với việc lãng phí điện và nước thải được giữ ở mức tối thiểu Điều đó tiết kiệm một số tiền đáng kể theo thời gian.

Hoạt động tự động

Một lợi thế lớn khác là các thiết bị này có thể tự hoạt động Nhờ các công tắc hẹn giờ, không cần vận hành chúng theo cách thủ công Điều này có nghĩa là sự thất vọng liên quan đến việc giám sát một thứ gì đó như bể chứa nước được giảm thiểu và mực nước sẽ ở mức cần thiết.

Tối đa hóa nước

Ngoài ra, việc sử dụng nước có thể được tối đa hóa với bộ điều khiển mực nước Thông thường, máy bơm nước được sử dụng nhiều hơn vào giữa ngày Bộ điều khiển mực nước rất hữu ích vì nó tự động cung cấp nhiều nước hơn vào giữa ngày và ít nước hơn vào ban đêm Kết quả là, nước luôn ở mức thích hợp.

• Kết cấu module gọn gàng, dễ dàng thay thế và lắp đặt • Phần cứng dễ bảo trì và sửa chữa.

• Khả năng chống nhiễu tốt trong môi trường công nghiệp.

• Chương trình lập trình linh hoạt, tốc độ điều khiển nhanh, độ chính xác cao.

+ NHƯỢC ĐIỂM :

•Bộ phận kiểm soát mực nước cần được thay thế 3 năm một lần • Điện tử thường được chế tạo riêng

• Cài đặt khó khăn hơn

• Đa số công tắc phao và cảm biến đã lỗi thời

• Không có đèn báo LED

• Không có Bảo hành hoặc Đảm bảo

• Giá thành cao, đặc biệt đối với một số dòng sản phẩm đến từ Châu Âu.

• Yêu cầu người sử dụng phải có kiến thức chuyên môn.

1.5 Ứng dụng của đề tài

Trên thực tế, hệ thống kiểm soát mực nước được sử dụng để kiểm soát mực nước đầu vào và đầu ra để tránh lãng phí nước và tiết kiệm tài nguyên Ngoài ra, hệ thống sẽ cung cấp lượng nước cần thiết, đáp ứng nhu cầu sinh hoạt của con người, kể cả trong công nghiệp, nhà máy

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ

2.1Giới thiệu các nghiên cứu và đề xuất liên quan đến dự án

Hệ thống kiểm soát mức chất lỏng là một hệ thống được thiết kế đặc biệt để kiểm soát mức chất lỏng trong bể chứa Mục đích chính của các hệ thống này là kiểm soát tốc độ máy bơm cung cấp chất lỏng cho bể và để nó có thể đạt đến mức mong muốn bên trong bể.

Mục đích của hệ thống mức chất lỏng là duy trì một mức chất lỏng cụ thể bên trong bể Các hệ thống kiểm soát mức chất lỏng tìm thấy các ứng dụng chính trong các quy trình công nghiệp.

Đề tài được xác định chi tiết về các tham số, cài đặt, điều chỉnh và (các) phương pháp được sử dụng để kiểm soát mực nước mong muốn Các thiết bị và kỹ thuật vật lý trong việc tạo điều kiện cho các cảm biến cần thiết và cần thiết cho hệ thống nhằm mục đích duy nhất là kiểm soát mực nước trong bể với thiết kế hệ thống kiểm soát mực nước quy mô thực.

Một số thiếu hụt:

• Mô hình chưa được xây dựng trên thực tế • Quá trình thiết kế và thi công còn nhiều bất cập

Cần cải thiện:

• Bảo trì, bảo dưỡng hệ thống, bể chứa nước, đường ống định kỳ • Trang bị hệ thống an toàn thông minh

Đạt được :

• Thực hiện nghiêm túc trong lắp đặt và sửa chữa • Tuân thủ yêu cầu hệ thống

• Kiểm tra, bảo dưỡng hệ thống, cảm biến định kỳ

2.2 Sơ đồ khối của đề tài

Chức năng của từng khối

• Khối PLC: trung tâm xử lý, điều khiển và lập trình cho toàn hệ thống • Khối biến tần (inverter): Giới hạn dòng nhanh, Điều khiển thời gian, Chuyển mạch đa động cơ, chuyển đổi điện xoay chiều sang tần số khác linh hoạt cho mọi thiết bị.

• Khối động cơ (PUMP): thực hiện chức năng hút và bơm nước vào bình chứa dựa vào tần số do khối biến tần cung cấp.

• Khối cảm biến: thực hiện chức năng theo dõi mực nước, sau đó gửi tín hiệu vào cho CPU(PLC).

2.3 Các thiết bị sử dụng trong hệ thống2.3.2 AI

(S7 1200 - AI 4x16 bit RTD 6ES7231-5PD30-0XB0 ) Giới thiệu :

Là module mở rộng tín hiệu analog đầu vào cho PLC S7-1200 do SIEMENS sản xuất và phát triển dưới thương hiệu SIMATIC thuộc họ S7-1200 SIMATIC S7-1200 AI 4x16 bit RTD 6ES7231-5PD30-0XB0 Mô-đun mở rộng 4 đầu vào tương tự

2.3.3 CPU

(S7-1200 CPU 1211C (6ES7211 – 1AE40 – 0XB0)) • Giới thiệu :

Bộ điều khiển lập trình CPU được xem như trái tim của hệ thống SIMATIC S7-1200 Họ thực hiện lập trình người dùng và kết nối với các

• Bộ nhớ làm việc của chương trình lên tới 1Mbyte 5MByte dành cho dữ liệu Tốc độ xử lý: 0.125us

• Hiệu suất bit: 16NS • Trọng lượng tịnh (kg): 180g • Kích thước: 45x100x75 mm • Xuất xứ: Đức

2.3.5 Biến tần (SINAMICS V20 Inverter)

• Giới thiệu :

Biến tần là một thiết bị hoặc mạch điện tử được sử dụng để chuyển đổi dòng điện một chiều (DC) thành dòng điện xoay chiều (AC).

P0003 = 2 (Mức quyền truy cập cho ổ đĩa) P0010 = 1 (Cài đặt nhanh biến tần) P0100 = 0 (Chọn tần số 50Hz)

- Cài đặt cấu hình động cơ (Dựa trên bảng dữ liệu động cơ) P0304 = 400V (Điện áp làm việc của động cơ) P0305 = 4.65A (Dòng điện làm việc của động cơ) P0307 = 2.2kW (Công suất làm việc của động cơ) P0308 = 0,81 (Hệ số công suất động cơ)

P0309 = 84,3% (Hiệu suất động cơ) P0310 = 50Hz (Tần số động cơ)

P0311 =1455 rpm (Tốc độ quay của động cơ) P0640 =150% (Chỉ số quá tải động cơ) - Cấu hình cho Module PLC

P0700 = 2 (Chọn nguồn lệnh điều khiển là Module AI, AO, DO)

P0701 = 1 (Cấu hình chân DI1 là Bật/Tắt)

P0702 = 2 (Cấu hình chân DI2 thành Bật/Tắt đảo ngược) P1000 = 7 (Chọn tần số động cơ theo ngõ vào Analog) P1080 = 0Hz (Tần số nhỏ nhất của biến tần)

P1082 – 50Hz (Tần số tối đa của biến tần) - Thông số kỹ thuật:

• Công suất biến tần V20: từ 0.12 kW ➡ 22 kW

• Điện áp biến tần V20: 1 pha x 200V (-10%) ➡ 240V (+10%) 3 pha x 380V (-15%) ➡ 480V (+10%)

• Dải điều chỉnh biến tần: 0 Hz ➡ 599 Hz • Chế độ điều khiển: V/f, V2/f

• Tần số điều chế: 4 kHz ➡ 16 kHz • Điều khiển đảo chiều: PID

• Khả năng giao diện: USS, Modbus RTU • Cổng kết nối: Sd Card, Usb, BOP-2, IOP

• Phần mềm: cài đặt thông số và báo lỗi Sơ đồ chân kết nối:

2.3.6 Bơm nước tăng áp Lõi động cơ: Dây đồng

Nhiệt độ chất lỏng được bơm 90 độ C Chuẩn chống nước: IP55

Điện áp nguồn 380V/50Hz Trọng lượng: 148kg.

Nơi sản xuất: ITALYA

Cảm biến siêu âm ULM-53 là một thiết bị đo nhỏ gọn Bên trong cảm biến sẽ có một máy phát siêu âm và một mô-đun điện tử Máy phát có nhiệm vụ truyền sóng siêu âm về phía trước Khi gặp vật cản, sóng siêu âm sẽ quay trở lại và được cảm biến tiếp nhận Sau đó, mô-đun điện tử sẽ tính toán thời gian kể từ khi sóng được phát ra và phản hồi lại, đồng thời chuyển đổi nó thành tín hiệu tương tự 4-20 mA hoặc 0-10 V có thể đọc được từ các thiết bị điều khiển.

Thông số kỹ thuật cảm biến siêu âm ULM-53 Nguồn điện: 18-36 Vdc

Dải đo: từ 0.2 m đến 20 m (tùy loại) Tín hiệu đầu ra: 4-20 mA, 0-10 V Giao diện truyền thông: Modbus RTU Độ phân giải: <1mm

Độ chính xác: 0,15% đến 0,3% (tùy loại) Thời gian đo: 0,5 đến 5 giây (tùy loại) Trọng lượng: 0.2kg đến 2.8kg (tùy loại)

Link : https://thietbikythuat.com.vn/su-dung-cam-bien-sieu-am-ulm

53/#Lap_dat_cam_bien_ULM-53

2.4 Phần mềm Tia Portal V16

Giới thiệu :

Phần mềm TIA Portal V16 là phần mềm lập trình được biết đến và sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới cho tự động hóa công nghiệp Phần mềm TIA Portal V16 (Tia Portal) gây ấn tượng với kỹ thuật sáng tạo dành cho các bộ điều khiển SIMATIC mới và đã được chứng minh.

Sơ đồ khối của hệ thống

Sơ đồ kết nối thiết bị

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG Yêu cầu của hệ thống

• Biến tần có thể điều khiển tốc độ động cơ

• Máy bơm có thể thực hiện chức năng bơm, dừng, tăng giảm tốc độ nước khi nhấn các nút ON/OFF/CAO/TRUNG BÌNH/THẤP • Biến tần có thể giao tiếp với PLC.

• Biến tần tăng giảm tần số.

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 4.1Kết quả đạt được trong thiết kế phần cứng

Level meter: cảm biến đo mực nước Fill valve: van bơm nước

Discharge valve: van xả nước

Flow meter: cảm biến lưu lượng(dùng để nhận biết dòng nước xả ra mạnh hay yếu

Ba nút nhấn: Start, Stop, Reset

Setpoint: có thể xoay nút điều chỉnh thay đổi lượng nước từ giá trị Min đến Max (0-300cm)

Màn hình SP(Setpoint Display): hiển thị giá trị SP Màn hình PV: hiển thị giá trị PV

4.2 Kết quả đạt được trong thiết kế phần mềm

Tạo khối FC(Funtion): Analog Input để chạy cảm biến từ Analog Tạo 2 bộ đếm Norm X và Scale

Đếm giá trị “Setpoint”, khi xả nước vào bồn màn hình PV sẽ hiển thị giá trị thể hiện mực nước trong bồn cao bao nhiêu trong khoảng 0-300cm

Khi chúng ta xả van (Discharge) thì cảm biến Flow Meter sẽ đo mức độ của dòng nước xả ra

Dùng 1 tiếp điểm thường mở “TG” Khi nhấn nút “Start” thì đèn sẽ sáng “Start Light”

Khi nhấn “Stop” thì đèn “Stop Light” sẽ sáng

Bộ tính toán dùng để tính giá trị Max, Min, Middle để hiển thị ra màn hình mong muốn Công thức: lấy “giá trị hiện tại” chia “giá trị cài đặt” nhân 100

Hiển thị giá trị Max nếu nằm trong điều kiện

Hiển thị giá trị nằm giữa nếu nằm trong điều kiện

Hiển thị giá trị Min nếu nằm trong điều kiện

4.3 Kết quả đạt được về hoạt động của hệ thống

Thuận lợi:

· Hệ thống chạy theo yêu cầu · Đặt tần số

· Kiểm soát giá trị mong muốn · Máy chạy êm.

Khó khăn:

· Tốc độ của động cơ vẫn chưa được biết · Hệ thống ở mức mô phỏng chưa thực tế

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN

Đề tài này được gọi là điều khiển mực nước sử dụng bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID được sử dụng và ứng dụng vào hệ thống đo và điều khiển mực nước trong bể tự động

Điều Khiển Mực Nước Bằng Bộ Điều Khiển PID là một thiết kế hệ thống đo mức tự động thông minh sử dụng bộ điều khiển PID Hệ thống sẽ cho phép người dùng đo lường và cài đặt mức nước mong muốn bằng bộ điều khiển PID kiểm soát quá trình nước chảy vào bể Hệ thống sẽ được kết nối với một van điều khiển và cảm biến mức cho phần điều khiển.

Hệ thống có thể hiển thị xu hướng nước chảy vào bể và phản hồi của các phép đo Bộ điều khiển PID có khả năng kiểm soát xu hướng và các phản ứng cụ thể để nước chuyển tiếp suôn sẻ đạt đến điểm mức mong muốn với các tham số điều chỉnh và thuật toán được nhập bởi người xử lý (con người) cùng với các khía cạnh an toàn được giám sát bởi bộ điều khiển PID, đặc biệt là trong môi trường nguy hiểm

thực vật.

Tài liệu tham khảo