lớp 112191a nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ quá trình dòng chảy bình mức Điều khiển giám sát trên web

Báo cáo đồ án tốt nghiệp chuyên ngành : Tự động hóa công nghiệp với đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ quá trình dòng chảy/bình mức điều khiển giám sát trên WEB” là kết quả của quá trình cố gắng không ngừng nghỉ của em và được sự động viên khích lệ của thầy cô và bạn bè. Qua trang viết này em xin gửi lời cảm ơn tới những người đã giúp đỡ em trong thời gian học tập ,nghiên cứu khóa học vừa qua. Em tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy Nguyễn Ngọc Minh đã tận tình hướng dẫn để em có những thông tin cần thiết để hoàn thành được đồ án tốt nghiệp này. Xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo nhà trường “Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Hưng Yên”, khoa Điện – Điện Tử đã tạo điều kiện cho em hoàn thành tốt công việc hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình. Em xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ..............................................................................................................i LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................ii MỤC LỤC................................................................................................................. iii DANH MỤC HÌNH ẢNH ..........................................................................................v DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................ix MỞ ĐẦU.....................................................................................................................x 1.1 Lí do chọn đề tài ...............................................................................................x 1.2 Nội dung nghiên cứu.........................................................................................x 1.3 Ý nghĩa và thực tiễn của đề tài.........................................................................xi 1.4 Phương pháp nghiên cứu..................................................................................xi Chương 1.....................................................................................................................1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH, ĐIỀU KHIỂN DÒNG CHẢY/ BÌNH MỨC.................................................................................................................1 1.1 Tổng quan đề tài................................................................................................1 1.2 Đặt bài toán .......................................................................................................5 Chương 2.....................................................................................................................7 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC...........................................................7 2.1 Lựa chọn thiết bị ...............................................................................................7 2.2 Ý tưởng thiết kế...............................................................................................22 2.3 Phương pháp thiết kế hệ điều khiển quá trình và thiết kế website..................23 2.3.1 Thiết kế hệ đo áp suất ..............................................................................23 2.3.2 Mô hình bình mức....................................................................................25 2.3.3 Thiết kế website .......................................................................................28 Đồ Án Tốt Nghiệp Trang: iv 2.4 Lưu đồ P&ID điều khiển tầng.........................................................................29 2.5 Khảo sát chất lượng cảm biến lưu lượng ........................................................29 2.6 Sơ đồ khối toàn mạch......................................................................................31 2.7 Lưu đồ thuật toán đo và điều khiển.................................................................33 2.8 Thiết kế giao diện module PLC và HMI.........................................................34 2.9 Thiết kế mô hình bình mức .............................................................................36 2.10 Sơ đồ kết nối .................................................................................................38 2.11 Giao điện Hmi...............................................................................................38 2.12 Lập trình giao diện Web................................................................................39 2.13 Xây đựng Web và giao diện..........................................................................43 2.13.1 KepServerEX OPC ................................................................................43 2.13.2 Visual Studio Code ................................................................................46 2.14 Lập trình cho PLC.........................................................................................56 Chương 3...................................................................................................................58 GIA CÔNG MÔ ĐUN HỆ THỐNG - KHẢO SÁT ĐÁNH GIÁ.............................58 3.1 Chế tạo sản phẩm ............................................................................................58 3.2 Kết nối Webserver...........................................................................................60 3.3 Khảo sát bộ điều khiền Simple loop control (1 tầng điều khiển)....................62 3.4 Khảo sát bộ điều khiển cascade control (2 tầng điều khiển )..........................66 Tài Liệu Tham Khảo .................................................................................................69 Đồ Án Tốt Nghiệp

-

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH: CNKT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA CÔNG NGHIỆP

TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ QUÁ TRÌNH DÒNG CHẢY/BÌNH MỨC ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT

TRÊN WEB

Người hướng dẫn : TS Nguyễn Ngọc Minh

Hưng Yên, năm 2023

LỜI CẢM ƠN

Báo cáo đồ án tốt nghiệp chuyên ngành : Tự động hóa công nghiệp với đề tài

“Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ quá trình dòng chảy/bình mức điều khiển giám sát trên WEB” là kết quả của quá trình cố gắng không ngừng nghỉ của em và được

sự động viên khích lệ của thầy cô và bạn bè Qua trang viết này em xin gửi lời cảm

ơn tới những người đã giúp đỡ em trong thời gian học tập ,nghiên cứu khóa học vừa qua

Em tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy Nguyễn Ngọc Minh đã tận tình hướng dẫn

để em có những thông tin cần thiết để hoàn thành được đồ án tốt nghiệp này

Xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo nhà trường “Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Hưng Yên”, khoa Điện – Điện Tử đã tạo điều kiện cho em hoàn thành tốt công việc hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình

Em xin chân thành cảm ơn!

LỜI NÓI ĐẦU

Điều khiển PLC, HMI, Web, các loại cảm biến là những thiết bị rất hay và lý

thú, cuốn hút được nhiều sinh viên theo đuổi Là những sinh viên chuyên ngành tự

động hóa công nghiệp, em muốn được tiếp cận và hiểu sâu hơn với những thiết bị

tự động hóa và chế tạo mô hình Vì vậy, đồ án tốt nghiệp là điều kiện tốt giúp em kiểm chứng được lý thuyết đã được học, rút ra những kinh nghiệm quý báu và cơ hội tiếp xúc với những trang thiết bị hiện đại

Xét điều kiện cụ thể ở nước ta trong công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa

sử dụng ngày càng nhiều thiết bị hiện đại để điều khiển tự động các quá trình sản xuất, gia công, chế biến sản phẩm Điều này dẫn tới việc hình thành các hệ thống chiết rót, sản xuất, điều chế chất lỏng cần tính ổn định và chính xác cao Bên cạnh điều kiện về chất lượng của thiết bị thì ta cũng lên cần có những giải pháp sát cho các

hệ thống đó một cách liên tục và độ trễ dữ liệu thấp, khả năng lưu trữ lớn

Chính vì vậy trong đồ án tốt nghiệp này, em đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu

thiết kế chế tạo hệ quá trình dòng chảy/bình mức điều khiển giám sát trên WEB”

để làm tốt nghiệp của mình

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI NÓI ĐẦU ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH ẢNH v

DANH MỤC BẢNG BIỂU ix

MỞ ĐẦU x

1.1 Lí do chọn đề tài x

1.2 Nội dung nghiên cứu x

1.3 Ý nghĩa và thực tiễn của đề tài xi

1.4 Phương pháp nghiên cứu xi

Chương 1 1

TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH, ĐIỀU KHIỂN DÒNG CHẢY/ BÌNH MỨC 1

1.1 Tổng quan đề tài 1

1.2 Đặt bài toán 5

Chương 2 7

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC 7

2.1Lựa chọn thiết bị 7

2.2 Ý tưởng thiết kế 22

2.3 Phương pháp thiết kế hệ điều khiển quá trình và thiết kế website 23

2.3.1 Thiết kế hệ đo áp suất 23

2.3.2 Mô hình bình mức 25

2.4 Lưu đồ P&ID điều khiển tầng 29

2.5 Khảo sát chất lượng cảm biến lưu lượng 29

2.6 Sơ đồ khối toàn mạch 31

2.7 Lưu đồ thuật toán đo và điều khiển 33

2.8 Thiết kế giao diện module PLC và HMI 34

2.9 Thiết kế mô hình bình mức 36

2.10 Sơ đồ kết nối 38

2.11 Giao điện Hmi 38

2.12 Lập trình giao diện Web 39

2.13 Xây đựng Web và giao diện 43

2.13.1 KepServerEX OPC 43

2.13.2 Visual Studio Code 46

2.14 Lập trình cho PLC 56

Chương 3 58

GIA CÔNG MÔ ĐUN HỆ THỐNG - KHẢO SÁT ĐÁNH GIÁ 58

3.1 Chế tạo sản phẩm 58

3.2 Kết nối Webserver 60

3.3 Khảo sát bộ điều khiền Simple loop control (1 tầng điều khiển) 62

3.4 Khảo sát bộ điều khiển cascade control (2 tầng điều khiển ) 66

Tài Liệu Tham Khảo 69

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1: Mô Hình của cty TNHH Tiến Đạt 4

Hình 1 2: Mô hình bình mức của Leybold 4

Hình 1 3: Sơ đồ cấu trúc 5

Hình 2 1: Màn hình HMI Weintek TK6070ih 8

Hình 2 2: Dòng FX chính hãng 9

Hình 2 3: Dòng FX dạng board 9

Hình 2 4: Sơ đồ chân của PLC 11

Hình 2 5: Sơ đồ hệ thống điều khiển PID 15

Hình 2 6: Đáp ứng quá độ khâu PID 16

Hình 2 7: Xác định tham số mô hình xấp xỉ bậc nhất có trễ 17

Hình 2 8: Mô hình điều khiển với Kgh 19

Hình 2 9:Xác định hệ số khuếch đại tới hạn 19

Hình 2 10: Các loại cảm biến thường dùng 20

Hình 2 11: cấu tạo cảm biến áp suất 21

Hình 2 12: Cảm biến áp suất Measens 21

Hình 2 13: Ý tưởng lập trình 23

Hình 2 14: Mô tả hệ đo 23

Hình 2 15: Đồ thị mức nước và áp suất thực tế 24

Hình 2 17: Lưu đồ P&ID một vòng phản hồi 25

Hình 2 18: Sơ đồ khối của hệ 25

Hình 2 19:Sơ đồ hàm truyền đạt trước và sau khi tinh chỉnh 27

Hình 2 20: Đồ thị trước và sau khi tinh chỉnh trên mô phỏng 28

Hình 2 21: Lưu đồ P&ID 29

Hình 2 16:Khảo sát chất lượng của cảm biến lưu lượng 31

Hình 2 22: Sơ đồ khối 31

Hình 2 23: Sơ đồ cáp giáo tiếp RS232 32

Hình 2 24: Sơ đồ chân của cụm DB9 trên PLC 32

Hình 2 25: Sơ đồ chuyển đổi dữ liệu 33

Hình 2 26: Lưu đồ thuật toán 34

Hình 2 27: Mặt trước của module điều khiển 35

Hình 2 28: Sơ đồ lắp đặt 36

Hình 2 29: Mặt trước của module bình mức chất lỏng 37

Hình 2 30: Sơ đồ kết nối 38

Hình 2 31: Giao diện HMI trang 1 39

Hình 2 32: Giao diện HMI trang 2 39

Hình 2 33: Giao diện đăng nhập 40

Hình 2 34: Giao diện trang 1 40

Hình 2 35: Mẫu báo cáo 1 vòng phản hồi 41

Hình 2 36:Mẫu báo cáo 2 vòng điều khiển 41

Hình 2 37: Giao diện trang 2 41

Hình 2 38: Giao diện trang 3 42

Hình 2 39: Ghi dữ liệu xuống PLC 47

Hình 2 40: Đọc dữ liệu từ PLC 48

Hình 2 41: Khai báo thuộc tính thời gian 50

Hình 2 42: Thiết lập định dạng cho Excel 50

Hình 2 43: Các câu lệnh thiết lập HEADER và FOOTER 51

Hình 2 44: Liên kết web 51

Hình 2 45: Bố cục chính của HTML 51

Hình 2 46: Gọi chương trình con và CSS 52

Hình 2 47: Bố cục của Web 53

Hình 2 48: Đoạn mã tạo nút ấn chức năng 53

Hình 2 49: Chương trình con fn_ScreenChange() 53

Hình 2 50: Cấu trúc của thẻ <table> 54

Hình 2 51: Thẻ <input>và Chương trình con IO Field 54

Hình 2 52: Tạo đồ thị trên HTML 55

Hình 2 53: Css cho nút ấn chọn Sheet1 56

Hình 3 1:Mô dun HMI và PLC thực tế 58

Hình 3 2: Mô hình bình mức thưc tế 59

Hình 3 3: Kết nối các thiết bị với Web 60

Hình 3 4: Tìm kiếm dữ liệu 61

Hình 3 5: Báo cáo của điều khiển 2 vòng điều khiển 61

Hình 3 6: Đồ thị khi chưa có bộ PID 62

Hình 3 7: Độ thị tìm T và L 62

Hình 3 8 Đồ thị đáp ứng của bộ PI 63

Hình 3 9: Đồ thị khi tăng Kp 63

Hình 3 10: Đồ thị khi giảm Kp 64

Hình 3 11: Đồ thị trước và sau khi tinh chỉnh trên thực tế 65

Hình 3 12: Đồ thị khảo sát điều khiển tầng 66

Hình 3 13: Đồ thị điều khiển tầng khi đưa bộ thông số 67 Hình 3 14: Đồ thị khi thay đổi SV liên tục 68

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2 1: Thông số của PLC 11

Bảng 2 2: Đặc tính ngõ vào 12

Bảng 2 3: Đặc tính ngõ ra 13

Bảng 2 4: Lưu chọn thông số bộ điều khiển theo ZN1 18

Bảng 2 5: thông số bộ điều khiển theo thực nghiệm 20

Bảng 2 6:Đánh giá chất lượng cảu bộ PID 28

Bảng 2 7: Phần mềm sử dụng 42

Bảng 2 8: Các module cần thiết 47

Bảng 2 9: So sánh khi thay đổi van xả 64

MỞ ĐẦU

1.1 Lí do chọn đề tài

Ngày nay, cùng với sự phát triển của kinh tế, việc áp dụng các phương thức quy trình hiện đại vào trong các nghành công nghiệp là điều tất yếu Trong đó hệ thống scada đã được sử dụng rất nhiều trong các nhà máy, xí nghiệp, để hiểu rõ hơn

về hệ thống giao tiếp này, em đã được giao đề tài ‘‘Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ

quá trình dòng chảy/bình mức điều khiển giám sát trên WEB” để nghiên cứu

Việc nghiên cứu đề tài này đã giúp em hiểu thêm rõ hơn về sự quan trọng của hệ thống làm việc này Đã cung cấp cho em thêm hiểu biết, để khi ra trường xin vào các khu công nghiệp làm việc không bị bỡ ngỡ, khó khăn khi tiếp xúc với các hệ thống máy móc ứng dụng phát triển trên cơ sở của hệ thống điều khiển

Trong đồ án tốt nghiệp này, em sẽ sử dụng PLC board là một loại PLC của Trung Quốc phát triển dựa trên PLC chính hãng của Mitsubishi nên sẽ không có tích hợp hay module mạng của riêng Ta có 2 kiểu public website là public trong mạng nội bộ và public lên internet Để tối ưu chi phí thực hiện đề tài và để không phải mất chi phí duy trì website, em sẽ tiến hành chỉ public website trong mạng nội bộ để phù hợp tiêu chí nghiêm cứu và thử nghiệm trong quy mô học tập Nếu muốn public lên internet thì cũng sẽ làm tương tự như public trong mạng nội bộ (LAN) nhưng chúng

ta cần chi phí thuê IP và chí phí mua router VPN cho PLC

Trong quá trình thực hiện đề tài, gặp nhiều khó khăn là điều tất yếu, em đã tham khảo học hỏi các ý kiến và sự chỉ dạy của các thầy, cô trong khoa, đặc biệt là

sự chỉ dẫn tận tình của thầy Nguyễn Ngọc Minh

Để phục vụ trong công tác học tập, nghiên cứu và giảng dạy trong các trường đại học, cao đẳng, trung cấp thuộc những khối ngành kĩ thuật trên khắp cả nước, giúp sinh viên tiếp cận thực tế, có cái nhìn khách quan và chân thực nhất trong quá trình học tập

1.2 Nội dung nghiên cứu

Nghiêm cứu tạo web bằng html

Nghiêm cứu phần mềm lập trình Vscode

Nghiêm cứu nodejs, MySQL, CSS

1.3 Ý nghĩa và thực tiễn của đề tài

Với đề tài này sẽ giúp cho chúng hiểu hơn về những ngôn khác, khả năng tương thích với PLC Hiểu rõ hơn về một phần của một hệ thống scada gồm các phần tử đơn thuần như giám sát thời gian thực, thu thập dữ liệu cảm biến, ghi lại những sự kiện hoặc các CSDL của hệ thống

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài đề cập đến một lĩnh vực đang ứng dụng rất phổ biến trong công nghiệp nhưng lại là kiến thức mới đối với sinh viên Đề tài của em được chia ra thành 3 phần chính:

- Mở đầu : Giới thiệu cơ sở lý luận

- Chương 1: Tổng quan về điều khiển quá trình, điều khiển dòng chảy/bình mức

- Chương 2: Thiết kế hệ thống điều khiển mức

- Chương 3: Gia công mô đun hệ thống – Khảo sát đánh giá

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH, ĐIỀU KHIỂN

DÒNG CHẢY/ BÌNH MỨC

1.1 Tổng quan đề tài

Điều khiển quá trình là một lĩnh vực ứng dụng quan trọng của kỹ thuật điều khiển trong các ngành công nghiệp chế biến (công nghiệp hóa chất và năng lượng) Nội dung của lĩnh vực điều khiển quá trình kết nối chặt chẽ nền tảng lý thuyết điều khiển tự động với các bài toán của quá trình công nghệ Phạm vi đề cập ở đây là các bài toán mô hình hóa, phân tích, thiết kế và thực thi hệ thống điều khiển cho các đối tượng quá trình công nghệ

Điều khiển quá trình được định nghĩa là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an toàn cho con người, máy móc và môi trường

Nhiệm vụ của điều khiển quá trình là can thiệp các biến vào của quá trình kỹ thuật một cách hợp lý để các biến ra của nó thỏa mãn các chỉ tiêu cho trước, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng xấu của quá trình kỹ thuật đối với con người và môi trường xung quanh Hơn nữa, các diễn biến của quá trình kỹ thuật cũng như các tham số, trạng thái hoạt động của các thành phần trong hệ thống cần được theo dõi và giám sát chặt chẽ Tuy nhiên, trong một quá trình kỹ thuật thì không phải biến vào nào cũng có thể can thiệp được và không phải biến ra nào cũng cần phải điều khiển

Đại lượng được điều khiển (controlled variable, CV) là một biến ra hoặc một biến trạng thái của quá trình được điều khiển, điều chỉnh sao cho gần với một giá trị đặt (setpoint, SP) hoặc bám theo một tín hiệu chủ đạo (reference signal) Các đại lượng được điều khiển liên quan hệ trọng tới sự vận hành ổn định, an toàn của hệ thống hoặc chất lượng sản phẩm Các biến ra hoặc biến trạng thái còn lại của quá trình không được điều khiển, nhưng có thể được ghi chép hoặc hiển thị Nhiệt độ, mức, áp suất và nồng độ là những đại lượng được điều khiển tiêu biểu nhất trong các hệ thống điều khiển quá trình

Phạm vi của điều khiển quá trình tập trung vào các giải pháp ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp khai thác, chế biến và năng lượng Vì vậy từ đây về sau khái niệm điều khiển quá trình được hiểu là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an toàn cho con người, máy móc và môi trường

Trong công nghiệp sản xuất chất lỏng như hóa chất, nước uống đóng chai, sữa, nước mắm, dầu ăn … vấn đề cần điều mức, lưu lượng dòng chảy cần đáp ứng với độ chính xác cao để phục vụ quá trình sản xuất đạt hiệu quả tốt hơn, đảm bảo quá trình sản xuất các chất lỏng không bị gián đoạn, tăng tuổi thọ thiết bị Người vận hành không cần phải trực tiếp kiểm tra trong các bồn chứa hoặc đóng mở bơm liên tục, vấn đề bị cạn hay tràn trong bồn chứa chất lỏng hoàn toàn được khắc phục cho dù đầu ra thay dổi Chính vì vậy chúng ta cần thiết phải “Ổn định mức nước”

Các hệ thống truyền thông công nghiệp phố biến hiện nay cho phép liên kết mạng

ở nhiều mức khác nhau, từ các cảm biến, cơ cấu chấp hành dưới cấp trường cho đến các máy tính điều khiển, thiết bị quan sát, máy tính điều khiển giám sát và máy tính cấp điều hành xí nghiệp, quản lý công ty

Các mạng truyền thông công nghiệp bao gồm: Modbus, Ethernet, Devicenet, Controlnet,…

Các cơ chế điều khiển quan trọng được sử dụng trong linh vực tự động hóa công nghệ bao gồm:

-Bộ điều khiển kogic lập trình (PCL)

-Hệ thống điều khiển phân tán (DCS)

-Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA)

Tất cả các yếu tố này liên quan đến các thiết bị hiện trường, thiết bị thông minh, PC điều khiển giám sát, bộ điều khiển I/O phân tán và bộ hiển thị HMI

Để có thể kết nối và cho phép giao tiếp giữa các thiết bị này, cần có một mạng lưới hoặc sơ đồ truyền thông mạnh mẽ và hiệu quả hơn Chúng khác biệt khá nhiều so với các

mạng doanh nghiệp truyền thống Các mạng truyền thông công nghiệp này tạo thành một đường dẫn liên lạc giữa các thiết bị hiện trường, bộ điều khiển và PC

Webserver hiện nay đã dần phổ biến hơn trong công nghiệp Hiện nay rất nhiều hãng PLC đã tích hợp hoặc có những module mạng để thực điều đó

Weserver hỗ trợ thao tác điều khiển và giám sát đữ liệu qua các trình duyệt như goole chrome, firefox, coccoc, opera,… là ứng dụng phổ biến có thể điều khiển và giám sát từ xa trên internet thông qua máy tính, điện thoại, notepad

Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và sự ra đời của công nghệ 4.0 thì việc giám sát và điều khiển PLC thông qua internet là phổ biến và cần thiết, các thuật toán hỗ trợ kết nối web với PLC tạo điều kiện cho các hãng PLC phát triển các chức năng public

dữ liệu lên mạng viễn thông

Webserver tích hợp ứng dụng nền nodejs chạy trên máy tính Server, thông qua địa chỉ IP public và cổng định sẵn thì người dùng có thể truy cập đến dữ liệu của PLC gửi lên Webserver theo thời gian thực

Webserver có thể chuyển đổi thành ứng dụng di động cài đặt trên các hệ điều hành Android hoặc IOS, cho phép người dùng truy cập từ xa một các linh hoạt và trục quan nhất

Trong thực tế có rất nhiều công ty cũng tham gia chế tạo những mô hình this nghiệm bình mức Dưới đây là một vài thiết bị có trên thị trường

- Mô hình thực hành thí nghiệm điều khiển quá trình chất lỏng của công ty TNHH

XD & TM TBĐ Tiến Đạt

Hình 1 1: Mô Hình của cty TNHH Tiến Đạt

- Mô hình Flow and level control của Leybold

Hình 1 2: Mô hình bình mức của Leybold Khi khảo sát đặc tính động học của một đối tượng điều khiển hay một hệ thống, thông thường các đối tượng khảo sát được xem là tuyến tính, dẫn đến phép mô tả hệ thống bằng một 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 thành phần đặc trưng cho từng chế độ làm việc để nghiên cứu với những công cụ toán học chặt chẽ, chính xác nhưng đơn giản và hiệu quả

Sử dụng mô hình tuyến tính để mô tả hệ thống có nhiều ưu điểm như:

- Mô hình đơn giản, các tham số mô hình tuyến tính dễ dàng các định được các phương pháp thực nghiệm mà cần phải đi từ những phương trình hóa 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 chỉnh 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

Trong thực tế lại tồn tại 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 tả được bằng một mô hình tuyến tính, cũng như không phải lúc nào những giả thiết cho phép xếp xỉ hệ thống bằng mô hình tuyến tính được thỏa mãn Hơn thế nữa độ tối ưu tác động nhanh chỉ có thể tổng hợp được nếu ta sử dụng bộ điều khiển phi tuyến Các hạn chế này bắt buộc người ta phải trực tiếp nghiêm cứu tính toán động học của đối tượng, tổng hợp hệ thống bằng những công cụ toán học phi tuyến

1.2 Đặt bài toán

Cấu trúc của hệ ổn định mức nước nghiên cứu trong đồ này như hình vẽ sau :

và đưa thông tin tới bộ điều khiển LC Đầu vào có thể tạo nhiễu cho lưu lượng Qi bằng cách thay đổi góc mở van V1 Đầu ra của bình mức là van xả V2 chất lỏng ra bên ngoài có thể điều chỉnh mức tiêu thụ Bộ điều khiển LC có nhiệm vụ điều chỉnh tốc độ của động cơ bơm vào sao cho giữ được mức nước h trong bình mức ổn định theo giá trị đặt SP Hệ thống phải được lập trình sao cho mức nước h trong bình mức luôn ổn định mà không phụ thuộc vào lượng tiêu thụ

Chương 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC

2.1 Lựa chọn thiết bị

2.1.1 Hệ đo áp suất

Về bản chất, đây là cảm biến có độ nhạy cao với sự thay đổi của áp suất Thiết bị dùng để đo sự thay đổi của áp suất trong đường ống, hệ thống kín độ sâu mà người dùng khó thể thao tác đo lường Cảm biến được sử dụng đo áp suất nước, khí nén, khí ga hiệu quả

Ứng dụng phổ biến nhất của cảm biến là đo áp lực nước Loại cảm biến được áp dụng để đo mức nước trong hệ thống Với nguyên lý hoạt động đo mức nước cơ bản Mối

quan hệ giữa áp suất và chiều cao cột nước Với công thức:

đo được sự chênh lệch tăng hoặc giảm của mức nước

Cảm biến đo được áp suất và tính được mức nước chính xác Tín hiệu sẽ được truyền

về trung tâm điều khiển, các thông số tính toán mức nước thấp hoặc quá cao so với giới hạn sẽ ra lệnh điều khiển cho máy bơm nước mở hoặc đóng để đảm bảo an toàn cho hệ thống

Dựa trên áp suất đo dược kết hợp sự liên hợp giữa áp suất và chiều cao cột nước, ta

có thể tính toán ra được chính xác mức hiện tại Đây được gọi là phương pháp đo áp suất thủy tĩnh dựa vào áp lực của nước

Phương pháp này được ứng dụng trong các nhà máy bia, ở các cột bia, trong các nhà máy nước ở các cột tạo áp lực cho đường ống Ngoài ra còn được sử dụng trong các trung tâm cấp nước, nhà máy sản xuất dệt nhuộm và may mặc,…

Màn hình HMI Weintek chắc đã rất phổ biến ở Việt Nam Weintek là hãng đến từ Đài Loan (Taiwan) với trên 30 năm kinh nghiệm về nghiên cứu và sản xuất màn hình cảm ứng HMI (Human Machine Interface) Hiện nay trên thị trường có rất nhiều hãng sản xuất màn hình HMI có thị trường rộng lớn như: Proface, Mitsubishi, Siemens…bên cạnh đó có một số hãng đến từ China, Taiwan: Samkoon, Delta Kinco,, MCGS, TouchWin

Màn hình cảm ứng HMI Weintek với điểm mạnh là giá thành khá rẻ, phần mềm dễ

sử dụng, đáp ứng được đủ các yêu cầu mà 1 HMI đúng nghĩa phải có, từ cấu hình, kết nối truyền thông, phần mềm mở (Open source), sản phẩm tiêu chuẩn chất lượng Đài Loan (Taiwan) Hiện nay Weintek có nhà máy ở China nên hầu hết các dòng HMI sẽ đều

- Loại PLC FX được tích hợp nhiều chức năng trên CPU (Main Unit) như ngõ ra xung hai tọa độ, bộ đến tốc độ cao (HSC), PID, đồng hồ thời gian thực

- Modul mở rộng nhiều chủng loại như Analog, xử lý nhiệt độ, điều khiển vị trí, các

- Modul mạng như Cclink, Profibus

- Ngoài ra còn có các board mở rộng (Extension Board) như Analog, các board dùng cho truyền thông các chuẩn RS232, RS422, RS485 và cả USB

- Để lập trình PLC ta có thể sử dụng các phần mềm sau: GX Developer, GX Works2, GX Work3

- Các ngôn ngữ lập trình như:

o LAD(Ladder): là phương pháp lập trình hình thang, thích hợp trong ngành điện công nghiệp

o FBD(Flowchart Block Diagram): là phương pháp lập trình theo phương pháp sơ đồ khối, thích hợp cho ngành điện tử số

o STL(Statement List): là phương pháp lập trình theo dạng dòng lệnh giống như ngôn ngữ Assemply, thích hợp cho ngành máy tính

- Đơn vị điều khiển trung tâm ( CPU: Central Processing Unit )

Là bộ vi xử lý thực hiện các lệnh trong bộ nhớ chương trình Nhập dữ liệu ở ngõ vào, xử lý chương trình, nhớ chương trình, xử lý các kết quả trung gian và các kết quả này được truyền trực tiếp đến cơ cấu chấp hành để thực hiện chương trình xuất dữ liệu ra các ngõ ra

- Bộ nhớ (Memory) :

Dùng để chứa chương trình số liệu, đơn vị nhỏ nhất là bit Bộ nhớ là vùng nắm giữ

hệ điều hành và vùng nhớ của người sử dụng (hệ điều hành là một phần mềm hệ thống mà

nó kết nối PLC để PLC thực sự hoạt động được) Có nhiều loại bộ nhớ khác nhau Để PLC

có thể hoạt động được, cần thiết phải có bộ nhớ để lưu trữ chương trình

Bộ nhớ của PLC là CMOSRAM, tiêu tốn năng lượng khá ít, và được cấp pin dự phòng khi mất nguồn Nhờ đó dữ liệu sẽ không bị mất

- Các Module xuất-nhập ( Input – Output ) :

Khối xuất – nhập đóng vai trò là mạch giao tiếp giữa vi mạch điện tử bên trong PLC với mạch ngoài Module nhập nhận tín hiệu từ sensor và đưa vào CPU, module xuất đưa tín hiệu điều khiển từ CPU ra cơ cấu chấp hành

Mọi hoạt động xử lý tín hiệu từ bên trong PLC có mức điện áp từ 5 ÷ 15 VDC, trong khi tín hiệu bên ngoài có thể lớn hơn nhiều Ta có nhiều loại ngõ ra như: ngõ ra dùng role, ngõ ra dùng transitor, ngõ ra dùng triac

Hệ thống BUS: là hệ thống tập hợp một số dây dẫn kết nối các module trong PLC

gọi là BUS, đây là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều tín hiệu song song

Sơ đồ vị trí các cổng tín hiệu I/O trên PLC FX 3U-32MT-6AD2DA

Hình 2 4: Sơ đồ chân của PLC

Trên đây là hình ảnh sơ đồ chân của PLC board Fx3U – 32MT Đã được tích hợp

cả analog và đầu vào ra số

Bảng 2 1: Thông số của PLC

Ngõ ra Transistor: 24VDC/5A (Khuyến cáo sử dụng 1A)

Ngõ vào analog 6 ngõ vào analog, độ chính xác 12bit, AAD2:

0-10V, A3-AD5: 0-20mA; Đọc cấu trúc lệnh RD3A

Ngõ ra analog 2 ngõ ra analog, độ chính xác 12bit, ngõ ra vôn:

0-10V, ngõ ra analog với cấu trúc lệnh WR3A

Cổng lập trình DP9/RS232 tốc độ 38.4kbs

Số lượng bước lập trình 8000 bước

Khả năng bảo vệ Chống ăn mòn – chống ẩm – chống tĩnh điện

Đặc tính kĩ thuật chung của PLC họ FX

 Đặc tính ngõ vào:

Bảng 2 2: Đặc tính ngõ vào

FX bộ phận chính, FX modul bộ phận mở rộng

X0->X7 X8->∞

Tỉ lệ dòng điện/N ngõ 2A/1 ngõ, 8A/com 0.5A/1 ngõ, 0.8A/com

Công suất lớn nhất của tải 80VA 12W/24VDC

-

Thời gian

đáp ứng

Off->On 10ms <0.2ms; <5µs

(chỉ Y0,Y1) On->Off

• M và S: Dùng như là các cờ hoạt động trong PLC

• D: Thanh ghi 16 bit/32 bit Đây là thiết bị Word

• T: Dùng để xác định thiết bị định thì có trong PLC(timer) Dữ liệu trên Timer là dữ liệu dạng Word (16bit) và trạng thái Timer ta nói Timer là thiết bị bit

• C : Dùng để xác định thiết bị đếm có trong PLC Dữ liệu trên Counter là dữ liệu dạng Word (16bit/32bit) và trạng thái trên counter là trạng thái bit

- Hỗ trợ lệnh 1N, 2N, 3U với 8000 step

- Tính toán số thực

- Kết nối HMI tốc độ quét 3000 steps/ 1ms

2.1.4 Bộ điều khiển PID

a) Khái niệm

Bộ điều khiển PID là bộ điều khiển vòng kín, được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp Bộ điều khiển PID được sử dụng để điều chỉnh sai lệch giữa giá trị đo được của hệ thống(Process Variable-PV) Với giá trị đặt(Set Point-SP) bằng cách tính toán và điều chỉnh giá trị ở ngõ ra

Một bộ điều khiển gồm 3 thành phần :

- P (Proportional) : Tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với sai lệch(e - error)

- I (Integral) : Tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với tích phân theo thời gian của sai lệch

- D (Derivative) : Tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với vi phân theo thời gian của sai lệch

Hình 2 5: Sơ đồ hệ thống điều khiển PID

Tuỳ vào các đối tượng điều khiển khác nhau, yêu cầu công nghệ khác nhau, mà lựa chọn các bộ điều khiển khác nhau Bộ điều khiển PID là tổng hợp ghép song song 3 khâu P,I,D có sơ đồ khối như sau:

Đáp ứng quá độ của bộ PID:

Hình 2 6: Đáp ứng quá độ khâu PID

Phương trình bộ PID lý tưởng:

( )(t) Kp ( ) i (t) dt d de t

dt

b) Thiết kế bộ điều khiển PID

Luật điều khiển thường được chọn trên cơ sở đã xác định được mô hình toán học của đối tượng phải phù hợp với đối tượng cũng như thỏa mãn yêu cầu của bài toán thiết

Phương pháp này còn có tên là Phương pháp thứ nhất của Ziegler – Nichols Nó có nhiệm vụ xác định các thông số Kp , TI , TD cho các bộ điều khiển P, PI và PID trên cơ sở đối tượng có thể mô tả xấp xỉ bởi hàm truyền đạt dạng:



Ba tham số Tt (thời gian trễ), K (hệ số khuếch đại) và T (hằng số thời gian quán tính) của mô hình xấp xỉ có thể xác định được gần đúng từ đồ thị hàm quá độ h(t) của đối tượng Nếu đối tượng có dạng như hình 3.15a mô tả thì từ đồ thị hàm h(t) đó ta đọc ra được:

+ Tt là khoảng thời gian tín hiệu ra h(t) chưa có phản ứng ngay với tín hiệu kích thích 1(t) tại đầu vào

+ K là giá trị giới hạn  t h( ) lim h(t)

Gọi A là điểm kết thúc khoảng thời gian trễ , tức là điểm trên trục hoành có hoành

độ bằng Tt Khi đó T là khoảng cần thiết sau Tt để tiếp tuyến của h(t) tại A đạt được giá trị K

Hình 2 7: Xác định tham số mô hình xấp xỉ bậc nhất có trễ

Trường hợp hàm quá độ h(t) không có dạng lý tưởng như ở hình 2.7a, nhưng có dạng gần giống như hình chữ S của khâu quán tính bậc 2 hoặc bậc n như mô tả ở hình 2.7b thì ba tham số K, Tt , T được xác định xấp xỉ như sau:

+ K là giá trị giới hạn h()

+ Kẻ đường tiếp tuyến của h(t) tại điểm uốn của nó Khi đó Tt sẽ là hoành độ giao điểm của tiếp tuyến với trục hoành và T là khoảng thời gian cần thiết để đường tiếp tuyến

đi được từ giá trị 0 tới được giá trị K

Như vậy ta thấy điều kiện để áp dụng được Phương pháp xấp xỉ mô hình bậc nhất

có trễ của đối tượng là đối tượng phải ổn định, không có dao động và ít nhất hàm quá độ của nó phải có dạng chữ S Sau khi đã có các tham số cho mô hình xấp xỉ của đối tượng,

ta chọn các thông số của bộ điều khiển theo bảng sau:

Bảng 2 4: Lưu chọn thông số bộ điều khiển theo ZN1

Từ đó suy ra:

+Hệ số tích phân: p

i N

K K T



+Hệ số vi phân: K D K T p. v

d) Sử dụng giá trị tới hạn thu được từ thực nghiệm

Trong trường hợp không thể xây dựng Phương pháp mô hình cho đối tượng thì phương pháp thiết kế thích hợp là Phương pháp thực nghiệm Thực nghiệm chỉ có thể tiến

hành nếu hệ thống đảm bảo điều kiện: Khi đưa trạng thái làm việc của hệ đến biên giới ổn định thì mọi giá trị của tín hiệu trong hệ thống điều phải nằm trong giới hạn cho phép

Phương pháp này còn có tên là Phương pháp thứ hai của Ziegler – Nichols Điều đặc biệt là phương pháp này không sử dụng mô hình toán học của đối tượng điều khiển, ngay cả mô hình xấp xỉ gần đúng

Các bước tiến hành như sau :

+ Trước tiên, sử dụng bộ P lắp vào hệ kín (hoặc dùng bộ PID và chỉnh các thành phần KI và KD về giá trị 0) Khởi động quá trình với hệ số khuếch đại KP thấp, sau đó tăng dần KP tới giá trị tới hạn Kgh để hệ kín ở chế độ giới hạn ổn định, tức là tín hiệu ra h(t) có dạng dao động điều hòa Xác định chu kỳ tới hạn Tgh của dao động

Hình 2 8: Mô hình điều khiển với Kgh

Hình 2 9:Xác định hệ số khuếch đại tới hạn

Bảng 2 5: thông số bộ điều khiển theo thực nghiệm

2.1.5 Cảm biến áp suất Measens MPS500

a) Khái niệm

Cảm biến áp suất là thiết bị cảm nhận áp suất trên đường ống hoặc bồn chứa có áp suất….Áp suất này được chuyển đổi thành tín hiệu điện áp hoặc dòng điện Các tín hiệu này sẽ được truyền về biến tần hoặc PLC để điều khiển động cơ hoạt động Có thể hiểu đơn giản như dùng máy lạnh hoặc tủ lạnh có Inverter vậy các bạn Động cơ lúc nào cũng chạy nhưng được giám sát bằng thiết bị cảm biến để điều chỉnh công suất chạy ít hay nhiều

b) Cấu tạo

Hình 2 10: Các loại cảm biến thường dùng

Xem qua hình 1 thì chúng ta thấy cảm biến áp suất có rất nhiều loại tùy vào nhu cầu

sử dụng mà chọn cảm biến phù hợp Về cấu tạo cảm biến áp suất em giới thiệu loại cảm biến cơ bản sau

Cấu tạo bên ngoài của cảm biến áp suất thường làm bằng Inox 304 không gỉ Khả năng chống va đập cao

Hình 2 11: cấu tạo cảm biến áp suất

+ Electric connection : Kết nối điện

+ Amplifier : Bộ khuếch đại tín hiệu

+ Sensor : Màng cảm biến xuất ra tín hiệu

+ Process Connection : Chuẩn kết ren (Ren kết nối vào hệ thống áp suất)

c) Cảm biến áp suất Measens MPS500

Hình 2 12: Cảm biến áp suất Measens Thông số kĩ thuật :

- Dải áp suất: 0…100mbar

- Nhiệt độ giới hạn: -40…125°C

- Nhiệt độ bù giới hạn: 0…100°C

- Độ chính xác: ± 0.5% FS

- Chất liệu chế tạo: AISI 316L (wetted parts), AISI 304 (body tube)

- Tiêu chuẩn kết nối cơ khí: 1/4″G

- Tiêu chuẩn kết nối điện: DIN 43650A

- Tín hiệu ra: 2 wires, 4-20mA

- Nguồn cấp: 10-36V DC

2.2 Ý tưởng thiết kế

Dựa trên các thiết bị thực tập hiện có tại các phòng thí nghiệm Điện – Điện tử của nhà trường em thấy rằng các thiết bị thực tập thường được chế tạo dưới dạng các bảng thực tập, các vali, các board mạch hay thông dụng nhất là các mô đun thực tập

Kết hợp với môn điều khiển lập trình mà chúng em đã được học và nghiên cứu tại nhà trường: Môn điều khiển lập trình với PLC và môn tự động hóa quá trình sản xuất

Trên cơ sở phân tích các đặc điểm kỹ thuật và hiệu quả kinh tế, nhóm nghiên cứu quyết định lựa chọn chế tạo thiết bị thực tập dưới dạng mô đun với mục đích bảo vệ tính linh hoạt khi sử dụng và dễ dàng vận chuyển, sửa chữa, bảo hành, mở rộng và kết nối các thiết bị khác

Sau khi hoàn thiện được hệ đo ta sẽ đưa ra được giải pháp thực hiện làm webserver bằng cách mã nguồn mở trung gian nodejs, thực hiện kết nối với PLC, từ đó đưa dữ liệu theo thời gian thực lên internet

Hình 2 13: Ý tưởng lập trình

2.3 Phương pháp thiết kế hệ điều khiển quá trình và thiết kế website

2.3.1 Thiết kế hệ đo áp suất

Hình 2 14: Mô tả hệ đo

Trên hình là phương pháp đo mức nước bằng cảm biến áp suất trong môi trường bình hở Với phương pháp này ta sẽ sử dụng cảm biến ap suất ở dưới đáy bình Lúc này áp suất mà cảm biến đo được chính là áp suất do nước gây ra Ta có thế quy đổi 10.21m nước

= 1 bar Phương pháp này không quan trọng thể tích của bình chứa chỉ phụ thuộc vào chiều cao của bình chứa Phương pháp này còn dc gọi là phương pháp đo áp suất thủy tĩnh

+ Kết quả khảo sát cảm biến áp suất

Từ đồ thị trên ta cso thế thấy sai số giữa hai giá trị trên là không nhiều sẽ từ 0.02 đến 0.4 Qua đây ta có thể đánh giá được hệ thống làm việc với chính xác tương đối

Hình 2 15: Đồ thị mức nước và áp suất thực tế

Dựa vào đồ thị trên, ta có thể thấy hai đường gần như song song với nhau Áp suất

và mức quan hệ với nhau qua công thức p = d.h Do lấy đồng diện tại 4,38 là gốc 0 cho mức nước nên ta thấy trong bẳng 3.2 khi quy đổi từ áp suất về mức nước thực tế thì phải cộng đi một lượng xấp xỉ 2,35 cm thì 100mbar = 1,021m nước

2.3.2 Mô hình bình mức

Hình 2 16: Lưu đồ P&ID một vòng phản hồi

Hình 2 17: Sơ đồ khối của hệ

Tính chọn các thông số hệ thống A,h Khi ta chọn thông số h và A thì thể tích của bình mức sẽ thay đổi Ta sẽ chọn h phù hợp với dải áp suất của cảm biến có trên thị trường

và phù hợp mô hình Tại đây em chọn h tối đa là 35cm quy ra áp suất thủy tĩnh vẫn nằm trong dải đo của cảm biến suất Tiếp theo em sẽ chọn đến A sẽ phải đáp ứng đồng nhất về tiết diện là hình trụ tròn và thể tích không quá lớn gây nặng mô hình Khi A lớn thì thể tích cũng lớn kéo theo rất nhiều thứ phải lớn theo nên sẽ chọn tiết diện là 67 thì khi đó ta sẽ cần bình chứa có thể tích lớn hơn 1,3 lít

Theo định luật bảo toàn năng lượng ta thành lập được phương trình cân bằng lưu lượng:

h Q a

 (3.2)

Trong đó: Q o: Lưu lượng nước chảy rả khởi bình ( 3

/

m s) h: Mức nước trong bình (m)

a: Tiết diện đường xả ( 2

m ) A: Tiết diện bình ( 2

Hình 2 18:Sơ đồ hàm truyền đạt trước và sau khi tinh chỉnh

Ta tiến hành ghép nối hai sơ đồ hàm truyền đạt trước và sau khi tinh chỉnh bộ thông

số Với bộ thông số tính toán được là Kp = 2; Ki = 0.39; Kd = 2.54 Và bộ thông số sau khi tinh chỉnh là Kp = 6; Ki = 1; Kd = 2.54 Với đường màu đen sử dụng bộ thông số tính toán được Và đường màu đỏ sử dụng bộ thông số sau khi tinh chỉnh lại

Hình 2 19: Đồ thị trước và sau khi tinh chỉnh trên mô phỏng

Dưới đây là bảng đánh giá chất lượng của hệ thông sau khi tinh chỉnh lại bộ điều khiển

Bảng 2 6:Đánh giá chất lượng cảu bộ PID

Đây là một phương pháp ta sử dụng để mô phỏng đối tượng trên Mathlab nhưng ở

đồ án này ta sẽ sử dụng phương pháp thực nghiệm để tìm ra hàm truyền đạt của hệ từ thực

tế Sau khi tiến hành chế tạo mô hình ta sẽ khảo sát hệ Với bài toán này, em sẽ khảo sát đối tượng với hai sách lược điều khiển là sách lược điều khiển phản hồi và sách lược điểu khiển tầng Từ đó sẽ đánh giá được chất lượng hệ điều khiển quá trình