ứng dụng webserver điều khiển và giám sát áp suất

PLC là thiết bị điều khiển linh hoạt với độ tin cậy cao, đóng vai trò quan trọng trong quản lý hệ thống biến tần, đảm bảo sự ổn định và độ chính xác của các tham số hoạt động như áp suất

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Lý do chọn đề tài

Việc lựa chọn đề tài "Ứng dụng WebServer trong Điều khiển và Giám sát Áp Suất" trong bối cảnh Cách mạng Công nghiệp 4.0 được thúc đẩy bởi sự quan trọng ngày càng tăng của của lĩnh vực tự động hóa công nghiệp hiện nay Trên toàn cầu, các doanh nghiệp liên tục tìm kiếm những giải pháp công nghệ tiên tiến để tăng cường hiệu quả sản xuất, giảm chi phí vận hành và tối ưu hóa quy trình lao động Bộ điều khiển lập trình logic (PLC) và hệ thống giám sát qua WebServer là những công cụ mạnh mẽ để đạt được những mục tiêu này

PLC là thiết bị điều khiển linh hoạt với độ tin cậy cao, đóng vai trò quan trọng trong quản lý hệ thống biến tần, đảm bảo sự ổn định và độ chính xác của các tham số hoạt động như áp suất Điều này không chỉ cải thiện chất lượng sản phẩm mà còn nâng cao hiệu quả tổng thể của hệ thống sản xuất Việc ổn định áp suất thực hiện thông qua việc điều khiển biến tần bằng PLC giúp cải thiện việc tiêu thụ năng lượng, giảm lượng năng lượng lãng phí và tăng cường hiệu suất kinh tế

Việc chọn đề tài này cũng nhằm bắt kịp và phản ánh xu hướng phát triển công nghệ trong thời đại Cách mạng Công nghiệp 4.0, đồng thời trang bị cho chúng tôi những kiến thức và kỹ năng cần thiết để áp dụng vào thực tế trong sự nghiệp tương lai Nghiên cứu và áp dụng PLC và WebServer không chỉ làm sâu sắc hiểu biết về các giải pháp công nghệ tiên tiến mà còn chuẩn bị chúng tôi đối mặt với những thách thức và cơ hội trong ngành công nghiệp tương lai

Do đó, đề tài này không chỉ mang tính quan trọng về mặt học thuật mà còn rất thực tiễn, góp phần vào sự phát triển bền vững và nâng cao sự cạnh tranh của các doanh nghiệp Đây là lý do chúng tôi đã chọn đề tài này cho đồ án tốt nghiệp của mình, với mong muốn áp dụng những kiến thức đã học vào thực tiễn, góp phần cải thiện và tối ưu hóa quy trình sản xuất trong bối cảnh hội nhập và phát triển liên tục.

Mục đích nghiên cứu

Ứng dụng PLC S7-1500 điều khiển biến tần ổn định áp suất.

Đối tượng nghiên cứu

➢ Tìm hiểu về biến tần Emerson Comander SK

➢ Tìm hiểu giao tiếp biến tần với PLC

➢ Lập trình bộ PID để duy trì ổn định áp suất trong đường ống

➢ Thiết kế giao diện HMI để điều khiển và giám sát

➢ Thiết kế Webserver điều khiển và giám sát.

Phương pháp nghiên cứu

Đề tài sử dụng 2 phương pháp nghiên cứu chính:

• Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

• Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm.

Nội dung nghiên cứu

• Tìm hiểu tài liệu về hệ thống ổn định áp suất đường ống trong thực tế

• Tìm hiểu về cách điều khiển áp suất bằng PID, sử dụng PLC S7-1500, module mở rộng và biến tần

• Viết chương trình điều khiển cho hệ thống

• Cài đặt và cấu hình cho biến tần giao tiếp với PLC

• Thiết kế giao diện có khả năng điều khiển và giám sát

• Kiểm tra và đánh giá tính ổn định của hệ thống

• Viết báo cáo thực hiện.

Giới hạn đề tài

Với giới hạn của đề tài, chúng tôi tập trung vào nghiên cứu những nội dung sau:

• Tìm hiểu về đối tượng điều khiển

• Tìm hiểu về PLC S7-1500 và các module mở rộng

• Tìm hiểu về giao tiếp giữa PLC và biến tần

• Tìm hiểu về bộ điều khiển PID trong PLC

• Điều khiển và giám sát thông qua HMI và Webserver.

Bố cục báo cáo

Báo cáo đề tài “Ứng dụng Webserver điều khiển và giám sát áp suất” sẽ được trình bày theo từng phần từ lý thuyết đến ứng dụng

• Chương 1: Giới thiệu đề tài

• Chương 2: Cơ sở lí thuyết

• Chương 3: Tìm hiểu các thiết bị trên mô hình

• Chương 4: Xây dựng thuật toán, lập trình và kết nối cho hệ thống ổn định áp suất

• Chương 5: Kết quả đạt được

• Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Tổng quan về hệ thống

Hệ thống ổn định áp suất trong cung cấp nước là một phần không thể thiếu trong việc đảm bảo sự hoạt động hiệu quả và liên tục của các hệ thống cấp nước hiện đại Với mục tiêu giữ áp suất nước luôn ở mức ổn định, hệ thống này giúp đảm bảo nước được cung cấp đều đặn đến mọi khu vực, đáp ứng nhu cầu của người dân và các ngành công nghiệp một cách tối ưu

Việc duy trì áp suất cân bằng là chìa khóa để đảm bảo hiệu quả hoạt động và độ bền của hệ thống cấp nước Nó giúp ngăn ngừa các sự cố như vỡ ống do áp suất quá cao hoặc sự cố do áp suất giảm đột ngột, từ đó giảm thiểu rủi ro và chi phí sửa chữa Hơn nữa, áp suất ổn định đảm bảo rằng nước có thể được cung cấp đến tất cả các khu vực tiêu thụ, kể cả những nơi có độ cao lớn hoặc ở xa Điều này đặc biệt quan trọng đối với các tòa nhà cao tầng, khu vực ngoại ô hoặc các khu công nghiệp cần lượng nước lớn và ổn định Ổn định áp suất cũng giúp giảm thiểu tình trạng thất thoát nước do rò rỉ, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng nước và bảo vệ tài nguyên nước Ngoài ra, việc duy trì áp suất ổn định còn giúp tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng, giảm hao phí điện năng của các máy bơm và thiết bị khác, từ đó tiết kiệm chi phí vận hành

Hệ thống ổn định áp suất dựa trên nguyên lý duy trì và điều chỉnh áp suất nước trong mạng lưới cấp nước Thông thường hệ thống ổn định áp suất sẽ sử dụng bơm tăng áp (booster pumps) để duy trì và điều chỉnh áp suất nước trong mạng lưới cấp nước Bơm tăng áp hoạt động bằng cách cung cấp thêm năng lượng vào dòng chảy nước, tăng áp suất nước lên mức cần thiết để đảm bảo nó có thể di chuyển một cách hiệu quả qua các đường ống và đến mọi điểm tiêu thụ Bơm tăng áp thường được cài đặt tại các điểm chiến lược trong hệ thống, đặc biệt là ở những khu vực có áp suất nước thấp hoặc yêu cầu tiêu thụ nước lớn Các bơm này có thể được điều khiển tự động để bật tắt dựa trên áp suất hiện tại trong hệ thống, đảm bảo áp suất luôn nằm trong khoảng giá trị mong muốn mà không gây lãng phí năng lượng.

Tổng quan về giải pháp

Có nhiều giải pháp khác nhau để điều khiển bơm duy trì áp suất không đổi Tuy nhiên, giải pháp được áp dụng rộng rãi trong thực tế là giải pháp điều khiển động cơ trực tiếp và giải pháp sử dụng biến tần để điều khiển động cơ

2.2.1 Giải pháp điều khiển bơm không sử dụng biến tần

Giải pháp này vận hành bơm thông qua contactor hoặc mạch khởi động sao tam giác cùng với công tắt áp suất

Giải pháp này có nguyên lí hoạt động như sau, công tắt áp suất liên tục giám sát áp suất nước trong đường ống Nếu áp suất giảm xuống dưới một ngưỡng cài đặt nhất định (setpoint), công tắc sẽ phát tín hiệu để khởi động đông cơ Lúc này động cơ sẽ bắt đầu quay, điều này dẫn đến bơm bắt đầu hoạt động, bơm nước vào hệ thống và tăng áp suất nước Bơm sẽ tiếp tục hoat động cho đến khi áp suất trong hệ thống đạt đến ngưỡng cài đặt Khi áp suất đạt tới ngưỡng cài đặt này, công tắt áp suất sẽ phát tín hiệu để ngắt động cơ, ngừng hoạt động của bơm Khi nhu cầu nước tăng lên hoạt có hiện tượng rò rỉ, áp suất trong hệ thống sẽ giảm Công tắt áp suất lại phát hiện sự giảm áp suất và khởi động động cơ, bắt đầu lại chu trình

Sử dụng contactor Duy trì một áp suất nhất định

Cấp nước đến người sử dụng

Hình 2 1 Sơ đồ giải pháp không sử dụng biến tần

Giải pháp này ban đầu sẽ có lợi về chi phí thấp, tuy nhiên sẽ gây ra sự không ổn định của áp suất trong đường ống, dẫn đến bơm sẽ cần phải bật tắt liên tục để ổn định áp suất

2.2.2 Giải pháp điều khiển bơm sử dụng biến tần

Giải pháp này sẽ sử dụng biến tần, cảm biến áp suất và bộ điều khiển lập trình PLC sử dụng PID Đây là một giải pháp tiên tiến và hiệu quả trong việc điều chỉnh và duy trì áp suất Hoạt động của hệ thống này bắt đầu bằng việc cảm biến áp suất liên tục đo lường áp suất trong hệ thống và gửi tín hiệu tương ứng đến bộ điều khiển PLC Bộ điều khiển

PLC, được lập trình với thuật toán PID, phân tích tín hiệu nhận được và đối chiếu với giá trị áp suất mong muốn

Nếu áp suất hiện tại khác với giá trị mục tiêu, PLC sẽ tính toán sự điều chỉnh cần thiết Kết quả của phép tính này là một tín hiệu điều khiển được gửi đến biến tần Biến tần, sau khi nhận tín hiệu từ PLC, sẽ điều chỉnh tần số và điện áp cấp cho động cơ, từ đó kiểm soát tốc độ quay của động cơ và lực bơm tạo ra áp suất Ví dụ, nếu áp suất thấp hơn giá trị đặt trước, biến tần sẽ tăng tốc độ động cơ để bơm nhanh hơn, tăng áp suất trong hệ thống Ngược lại, nếu áp suất quá cao, biến tần sẽ giảm tốc độ động cơ để giảm áp suất

Quá trình này diễn ra liên tục và nhanh chóng, nhờ vào phản hồi tức thì từ cảm biến áp suất và sự điều chỉnh chính xác từ bộ điều khiển PID trong PLC, đảm bảo áp suất luôn được duy trì ổn định ở mức mong muốn Hệ thống này không chỉ giúp duy trì áp suất ổn định mà còn tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của động cơ, giảm tiêu thụ năng lượng và kéo dài tuổi thọ thiết bị

Sử dụng biến tần Duy trì một áp suất nhất định

Cấp nước đến người sử dụng

Hình 2 2 Sơ đồ giải pháp sử dụng biến tần Phương pháp này sẽ duy trì áp suất bên trong đường ống tốt, sẽ không diễn ra hiện tượng bật tắt bơm liên tục, với khả năng của biến tần sẽ giúp dòng khởi động ổn định hơn, sẽ dàng bảo trì sửa chữa Nhưng giá thành đầu tư ban đầu sẽ cao

2.2.3 So sánh ưu nhược điểm của 2 giải pháp

2.2.3.1 Giải pháp điều khiển bơm không sử dụng biến tần

Phương pháp này có chi phí đầu tư bản đầu thấp, phù hợp cho hầu hết các hộ gia đình Cấu tạo và vận hành đơn giản, dễ dàng lắp đặt và bảo trì

➢ Nhược điểm: Động cơ hoạt động ở tốc độ cố định, không tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ Việc khởi động và dừng động cơ đột ngột có thể tạo ra những dao động mạnh về áp suất của hệ thống, gây ra hiện tượng sốc áp và hao mòn thiết bị Sẽ có nhiều rủi ro hơn trong quá trình điều khiển nếu không có biến tần trong hệ thống Điều này là do biến tần bảo vệ động cơ, vì vậy chi phí thay động cơ sẽ cao hơn chi phí thay biến tần

2.2.3.2 Giải pháp điều khiển bơm sử dụng biến tần

Có thể nói rằng phương pháp hiện tại là tốt nhất vì nó sử dụng biến tần để điều khiển động cơ Điều chỉnh động cơ một cách linh hoạt và phù hợp với yêu cầu giúp tiết kiệm năng lượng và duy trì áp lực nước ổn định trong hệ thống và ngăn chặn sốc áp trong đường ống Ngoài ra, sử dụng biến tần còn giúp hạn chế sự mài mòn vật lí và tăng cường độ bền cho thiết bị bằng cách cung cấp hoạt động khởi động và dừng mượt mà Hơn nữa, biến tần còn nổi tiếng với nhiều tính năng bảo vệ động cơ

Giá thành đầu tư cao, phức tạp trong quá trình sử dụng và bảo dưỡng

Kết luận: Tùy thuộc vào điều kiện ứng dụng và các yêu cầu kỹ thuật, có hai phương pháp điều khiển bơm trên điều có những ưu và nhược điểm riêng Tuy nhiên, giải pháp tiên tiến và hiệu quả nhất hiện nay là giải pháp điều khiển bơm sử dụng biến tần kết hợp với thuật toán PID.

Tổng quan về bộ điều khiển PID

2.3.1 Giới thiệu về bộ điều khiển PID

PID là một cơ chế điều khiển vòng lặp phản hồi phổ biến trong hệ thống kiểm soát tự động Bộ điều khiển PID thường được áp dụng trong các hệ thống kiểm soát tự động (có tín hiệu phản hồi) Bộ điều khiển PID xác định sai lệch là sự khác biệt giữa các biến quá trình đo lường và giá trị đặt Sau đó, nó giảm thiểu sai lệch này bằng cách tinh chỉnh các biến điều khiển Để đạt được hiệu quả tối đa, các thông số PID cần phải được tinh chỉnh phù hợp với từng đặc tính riêng của hệ thống Mặc dù cách điều khiển không thay đổi, các thông số này phụ thuộc vào các đặc điểm cụ thể của hệ thống [1]

Hình 2 3 Sơ đồ khối PID

Thuật toán điều khiển PID sẽ gồm ba thông số: giá trị tỉ lệ (P), tích phân (I) và đạo hàm (D)

• P (Proportional): là phương pháp tinh chỉnh tín hiệu điều khiển tỉ lệ với sai số hiện tại, cung cấp một phản hồi trực tiếp với độ phù hợp lớn của sai số tại mỗi lần lấy mẫu

• I (Integral): là tích lũy sai số theo thời gian, nhằm giải thiểu tổng sai số bằng cách tạo ra tính hiệu điều khiển ổn định sửa chữa mọi sai lệnh liên tục so với giá trị thiết lập Nó không chỉ xem xét các sai số hiện tại mà còn xem xét các sai số trước đây Thời gian lấy mẫu ngắn làm gia tăng tác động của điều khiển tích phân, giảm sai số và ổn định nhanh hơn

• D (Derivative): là phản ứng với độ biến đổi của sai số theo thời gian, ảnh hưởng đến tín hiệu điều khiển dựa trên sự biến đổi nhanh chóng của sai số theo thời gian Nó giúp dự đoán xu hướng sai số tiếp theo và ổn định phản ứng của hệ thống đối với các thay đổi đột ngọt của đầu vào Thời gian lấy mẫu dài hơn làm tăng tính hiệu hiệu quả của điều khiển đạo hàm, cho phép bộ điều khiển đáp ứng nhanh chóng với các biến đổi đầu vào nhanh

Tín hiệu điều khiển tỉ lệ được tạo ra bởi khâu tỉ lệ thuận trực tiếp với độ lớn của sai số Một hằng số KP, được gọi là hệ số tỉ lệ, được sử dụng để nhân sai số e Khâu P được tính dựa trên công thức:

Với: Pout là giá trị ngõ ra

KP là hằng số tỉ lệ e là sai số với e = SP – PV

Sơ đồ khối của khâu P:

Nếu chỉ sử dụng khâu tỉ lệ, sai số tỉ lệ sẽ lẽ luôn xuất hiện trong mọi tình huống, trừ khi giá trị đầu vào của hệ thống là chính xác bằng không hoặc đạt đến giá trị thiết lập mong muốn Hình dưới đây là minh họa sai số tĩnh khi xuất hiện, khi giá trị thiết lập thay đổi

Nếu hệ số tỉ lệ KP quá cao, hệ thống sẽ mất tính ổn định Ngược lại, ngay cả khi số liệu đầu vào có sai số lớn, phản ứng đầu ra sẽ thấp nếu hệ số tỉ lệ quá thấp Điều này làm cho bộ điều khiển trở nên chậm hoặc không nhạy Khi hệ số tỉ lệ quá thấp, khả năng điều khiển có thể quá nhỏ để đối phó với các sự cố hệ thống

Khâu tích phân cộng dồn sai số tích lũy theo thời gian và cộng tổng này vào tín hiệu điều khiển Sự tích lũy liên tục này của sai số tồn tại cho đến khi hệ thống đến điểm thiết lập, lúc đó sai số bằng không do cân bằng hệ thống

Khâu I được tính dựa trên công thức:

Hình 2 4 Sơ đồ khối khâu tỉ lệ

Hình 2 5 Đáp ứng của khâu tỉ lệ (P)

Với: IOUT: giá trị ngõ ra khâu I

Ki: hệ số tích phân e: sai số: e = SP – PV

Khâu tích phân I thường được sử dụng cùng với khâu tỉ lệ P, tạo ra thành bộ PI Nếu chỉ dùng khâu tích phân mà không có khâu tỉ lệ, phản ứng của hệ thống có xu hướng trễ và thường xuyên biến động

Sự khác nhau giữa khâu I và PI được minh họa trong hình sau:

Chúng ta có thể quan sát rằng khâu tích phân I làm chậm đáng kể phản ứng của hệ thống, trong khi bộ điều khiển tỉ lệ - tích phân PI giúp loại bỏ các sai số xác lập

Khâu đạo hàm D thêm vào tín hiệu điều khiển sự thay đổi tốc độ của sai số Khi sai số thay đổi nhanh chóng, thành phần này thêm hành động điều chỉnh vào tín hiệu điều khiển Điều này làm cho phản ứng của hệ thống tốt hơn, cho phép nó nhanh chóng và hiệu quả đạt được giá trị thiết lập mong muống bằng cách điều chỉnh nhanh chóng trạng thái của hệ thống

Khâu D được tính dựa trên trên công thức:

Hình 2 6 Sơ đồ khối khâu tích phân

Hình 2 7 Đáp ứng của khâu tích phân (I) và tích phân - tỉ lệ (PI)

Với: DOUT: ngõ ra khâu D

KD: hệ số vi phân e: sai số: e = SP – PV

Khâu đạo hàm D thường được kết hợp với khâu tỉ lệ P để tạo thành bộ điều khiển PD, hoặc với cả hai khâu tỉ lệ P và tích phân I để tạo thành bộ điều khiển PID

Dựa trên hình ảnh trên, bộ điều khiển PD cho phản ứng với thời gian nhỏ hơn so với bộ điều khiển chỉ có P Tuy nhiên, nếu giá trị của D (hệ số đạo hàm) quá lớn, có thể dẫn đến sự không ổn định của hệ thống

2.3.5 Thiết kế bộ điều khiển PID

Luật điều khiển thường được lựa chọn dựa trên một mô hình toán học đã được xác định trước của hệ thống phải phù hợp với các đặc tính của hệ thống và đáp ứng các yêu cầu thiết kế

Trong những tình huống mà mô hình toán học của hệ thống không thể được tìm thấy, thực nghiệm có thể được sử dụng để xác định luật điều khiển và các thông số của bộ điều khiển

Ziegler và Nichols đã đưa ra một cách để tìm ra các thông số PID tốt nhất dựa trên phản ứng của hệ thống

Hình 2 8 Sơ đồ khối khâu đạo hàm

Hình 2 9 Đáp ứng khâu đạo hàm (D) và khâu tỉ lệ - đạo hàm (PD)

2.3.5.1 Sử dụng hàm quá độ của đối tượng:

Xử lí tín hiệu analog

Tín hiệu tương tự, còn được gọi là tín hiệu analog, có thể được truyền dưới dạng tín hiệu dòng điện (mA) hoặc tín hiệu điện áp (mV) Nhiều loại thiết bị khác nhau đều sử dụng tín hiệu tương tự Loại phổ biến nhất là tín hiệu 4-20mA [4]

• Xử lý tín hiệu Analog trong PLC

Hai loại tín hiệu có trong bộ lập trình logic PLC: tín hiệu số (Digital) và tín hiệu liên tục (Analog)

16 Điều khiển bằng tín hiệu số là một quá trình không quá khó, vì chúng chỉ có hai trạng thái 0 và 1, tương ứng với các mức điện áp của PLC (ví dụ: 0V cho Logic 0, 24V cho Logic 1) Những tín hiệu này được dùng để thực hiện các nhiệm vụ bật/tắt thông thường, được hiển thị dưới dạng nhị phân trong

Ngược lại, việc xử lý tín hiệu analog khó hơn xử lí tín hiệu số Tín hiệu analog bao phủ một dải giá trị, khác với tín hiệu số chỉ có hai mức Tín hiệu analog trong PLC có thể dựa trên điện áp (ví dụ: 0 – 10V, -5V đến 5V) hoặc dựa trên dòng điện (ví dụ: 0

PLC sử dụng nguyên lý nhị phân, mặc định phân tích tín hiệu trong định dạng 0/1 Để xử lý tín hiệu analog, tín hiệu liên tục, phải sử dụng các module đặc biệt đầu vào analog (AI) và đàu ra analog (AO) Những module này chuyển đổi tín hiệu analog thành giá trị số mà PLC có thể xử lý:

• Xử lý tín hiệu Analog đầu vào trong PLC

Các đại lượng như áp suất, độ ẩm hoặc mức độ được đo bằng các cảm biến tương ứng Các cảm biến chuyển đổi các đơn vị vật lý đo lường thạt tín hiệu analog Các module đầu vào analog trong PLC sau đó chuyển đổi các tín hiêu analog này thành giá trị số, được lập trình viên so sánh và tỉ lệ thành các đơn vị có ý nghĩa để tiếp tục xử lý trong điều khiển logic [22]

• Xử lý tín hiệu Analog đầu ra trong PLC

Các đối tượng cần điển khiển (ví dụ: tốc độ động cơ, vị trí van) được điều chỉnh bởi các bộ điều khiển như biến tần hoặc mạch van điều khiển Những bộ điều khiển nhận các tín hiệu analog từ các module đầu ra analog của PLC Lập trình viên chuyển đổi các giá trị đặt mong muốn thành các giá trị số tương ứng, điều chỉnh để phù hợp với dải của module đầu ra [22]

Hình 2 13 Sơ đồ xử lí tín hiệu analog trong PLC [4]

Về bản chất, PLC dựa vào các module đầu vào và đầu ra analog để giao tiếp với các tín hiệu analog liên tục từ các cảm biến và cung cấp tín hiệu điều khiển analog chính xác tới các cơ cấu chấp hành Sự kết nối này giữa khoảng cách tín hiệu analog-digital là rất quan trọng để đo và điều khiển chính xác quy trình công nghiệp.

TÌM HIỂU VỀ CÁC THIẾT BỊ TRÊN MÔ HÌNH

Tổng quan về mô hình

Phần lớn các thiết bị điện được dùng trong mô hình “Điều khiển ổn định áp suất sử dụng PLC” đều hoạt động bằng nguồn điện xoay chiều một pha (220VAC) Các thiết bị được sử dụng rộng rãi trong thực tế gồm:

- Biến tần Emerson Commander SK

- Cảm biến áp suất Yokogawa EJX530A

- Cảm biến lưu lượng Digital Flow DGT-025AIH

- Bộ chuyển đổi nguồn 24VDC

- Máy bơm trục đứng đa cấp 0.75kW

Do mô hình có mục đích phục vụ cho việc giảng dạy, mô hình này có quy mô nhỏ gọn hơn so với phiên bản thực tế, và các thiết bị đi kèm trên mô hình này cũng có công suất thấp hơn đáng kể so với các thiết bị thực tế, do đó chưa thể phản ánh một cách chính xác hoàn toàn.

Tìm hiểu về các thiết bị trên mô hình

3.2.1 Biến tần Emerson Commander SK (SKA1200075)

Tốc độ quay của động cơ sẽ được điều khiển bởi biến tần thông qua tín hiệu điều khiển của PLC Mục đích của điều này là điều chỉnh tốc độ và áp suất của hệ thống bơm áp suất Ngoài ra, biến tần điều chỉnh các thông số của động cơ bơm đề phù hợp với hệ thống Nó điều chỉnh tần số, điện áp và dòng điện để tăng hiệu suất và giảm lượng năng

Hình 3 1 Mô hình "Ổn định áp suất sử dụng PLC"

19 lượng Biến tần giúp ngăn ngừa các sự cố điện và các tác động xấu đến hệ thống bằng cách hỗ trợ cho quá trình kiểm soát và bảo vệ an toàn của hệ thống bơm áp suất

Bảng 3 1 Thông số kỹ thuật của biến tần Emerson Commander SK [5]

Biến tần Emerson Commander SK Mô tả

Mã sản phẩm SKA1200075 Điện áp ngõ vào 1 pha AC 200-240VAC

Tần số ngõ vào 50/60Hz Điện áp ngõ ra tối đa 3 pha AC 200-240VAC

Tần số ngõ ra 0 ~ 1500Hz

Dòng điện ngõ ra định mức 4A

3.2.2 Cảm biến áp suất Yokogawa EJX530A

Cảm biến áp suất được dùng để kiểm tra áp suất trong hệ thống bơm và cung cấp thông tin về áp suất cho PLC S7-1500 PLC sử dụng thông tin đó để điều khiển biến tần, từ đó điều chỉnh tốc độ bơm và giữ áp suất không đổi trong hệ thống

Hình 3 2 Biến tần Emerson Commander SK (SKA1200075)

Hình 3 3 Cảm biến áp suất Yokogawa (EJX530A)

Bảng 3 2 Thông số kỹ thuật cảm biến áp suất Yokogawa [6]

Cảm biến áp suất Yokogawa Mô tả

Mã sản phẩm EBS4N-014EL

Tín hiệu đầu ra 4-20mA

Thời gian đáp ứng 90ms

3.2.3 Cảm biến lưu lượng Digital Flow DGT-025AIH

Cảm biến lưu lượng được sử dụng để giám sát trạng thái nước bên trong đường ống và cung cấp thông tin về cho PLC S7-1500 PLC sẽ sử dụng dữ liệu đó để đánh giá hệ thống có bị lỗi hay không Cụ thể khi bên trong đường ống không có nước, cảm biến lưu lượng sẽ gửi tín hiệu về PLC và sau một khoảng thời gian PLC sẽ báo lỗi hệ thống, dừng hoạt động

Bảng 3 3 Thông số kỹ thuật cảm biến lưu lượng Digital Flow [7]

Cảm biến lưu lượng Digital Flow Mô tả

Mã sản phẩm DGT-025AIH Độ chính xác ±0.5% Áp suất làm việc tối đa 15MPa

Xung 100 P/L, 0.010L/P Điện áp nguồn 3 - 24VDC, Max 60mA

Tín hiệu đầu ra NPN Open Collector

Hình 3 4 Cảm biến lưu lượng (DGT-025AIH)

3.2.4 Bộ điều khiển lập trình PLC S7-1500 (6ES7511-1AK02-0AB0)

Giải pháp tự động hóa PLC S7-1500 sẽ phù hợp với các ứng dụng trong công nghiệp hiện đại khả năng mở rộng và khả năng đáp ứng hiệu suất cao Với bộ vi xử lý tốc độ cao dòng PLC cho phép thực hiện các nhiệm vụ hiệu quả và phức tạp, đồng thời tối ưu hóa hiệu suất toàn hệ thống Khả năng mở rộng và kết nối của PLC S7-1500 cho phép tích hợp dễ dàng với thiết bị khác và hỗ trợ nhiều giao thức truyền thông, tăng sự linh hoạt Đặc biệt, thiết bị này có các tính năng bảo mật mới nhất bảo vệ hệ thống, dữ liệu Kỹ sư có thể cài đặt, thiết kế và bảo trì hệ thống nhờ bộ công cụ mạnh mẽ và dễ tiếp cận PLC S7-1500 sẽ đảm bảo ổn định cho các ứng dụng quang trọng trong các môi trường đòi hỏi sự khắc nghiệt với thiết kế chắc chắn và hoạt động bền bỉ

Bảng 3 4 Thông số CPU 1511-1 PN [8]

Mã sản phẩm 6ES7511-1AK02-0AB0

SIMATIC S7-1500, CPU 1511-1 PN, vùng nhớ làm việc 150KB và 1MB dữ liệu, 1 Interface: PROFINET IRT với 2 cổng chuyển mạch, hiệu suất bit 60NS

3.2.5 Module digital input (6ES7521 – 1BL00 – 0AB0)

Một thành phần quan trọng có trong hệ thống tự động hóa đó là Module đầu vào số (SM521 32DI) Module này được thiết kế để quản lý và kiểm soát các ngõ vào số

22 Điều này cung cấp độ chính xác cao và khả năng phản hồi ngắn, điều này phù hợp với các ứng dụng công nghiệp hiện đại Mười hai kênh ngõ vào số được cung cấp bởi module, trong đó kênh 0 và 1 hỗ trợ đếm xung tốc độ cao

Bảng 3 5 Thông số kỹ thuật module S7-1500 SM 521 32DI [9]

Module SM 521 32DI Mô tả

Mã sản phẩm 6ES7521 – 1BL00 – 0AB0

SIMATIC S7-1500, module đầu vào số DI 32x24VDC

HF, 32 kênh, trong đó có thể sử dụng 2 đầu vào làm bộ đếm, đầu vào trễ 0,05…20 ms đầu vào loại 3 (IEC 61131), chuẩn đoán

3.2.6 Module digital output (6ES7522 - 1BL01 - 0AB0)

Một thành phần quan trọng có trong hệ thống tự động hóa đó là Module đầu vào số (SM522 32DO) Module này được thiết kế để điều khiển và theo dõi các ngõ ra số Điều này cung cấp độ chính xác cao và khả năng đáp ứng nhanh chóng, đáp ứng

Hình 3 7 Sơ đồ chân module SM 521 32DI Hình 3 6 Module digital input (6ES7521 – 1BL00 – 0AB0)

23 nhu cầu của các ứng dụng công nghiệp hiện đại Module cung cấp ba mươi hai kênh ngõ ra số, mỗi kênh được chia thành bốn byte riêng biệt

Bảng 3 6 Thông số kỹ thuật module S7-1500 SM 522 32DO [10]

Module SM 522 32DO Mô tả

Mã sản phẩm 6ES7522 - 1BL01 - 0AB0

Thông số SIMATIC S7-1500, module đầu ra số DQ 32x24VDC/0.5

HF, 32 kênh, chuẩn đoán kênh đơn

3.2.7 Module analog output (6ES7532-5HD00-0AB0)

Một thành phần quan trọng có trong hệ thống tự động hóa đó là Module đầu ra analog (SM532 4AO) Có khả năng quản lí và theo dõi các đầu ra tương tự, module này cung cấp độ chính xác cao và khả năng phản hồi nhanh chóng, đáp ứng nhu cầu của các

Hình 3 9 Sơ đồ chân module SM 522 32DO Hình 3 8 Module digital output (6ES7522 - 1BL01 - 0AB0)

24 ứng dụng công nghiệp hiện đại Module cung cấp 4 kênh ngõ ra tương tự từ CH0 – CH3 có thể sử dụng cả 2 kiểu kết nối dòng điện và điện áp

Bảng 3 7 Thông số kỹ thuật module S7-1500 SM532 4AO [11]

Module SM532 4AO Mô tả

Mã sản phẩm 6ES7532-5HD00-0AB0

SIMATIC S7-1500, module đầu ra analog SM 532 AQ 4xU/I ST, độ phân giải 16 bit, độ chính xác 0,3%, 4 kênh trong nhóm 4, chuẩn đoán

3.2.8 Remote I/O ET-200SP (6ES7155 – 6AR00 – 0AN0)

Remote I/O ET-200SP (6ES7155 – 6AR00 – 0AN0) của Siemens là một hệ thống I/O phân tán nhỏ gọn và linh hoạt, thuộc dòng SIMATIC ET 200 nổi tiếng về độ bền và tính linh hoạt trong tự động hóa công nghiệp ET-200SP được thiết kế nhằm

Hình 3 11 Sơ đồ chân module SM532 4AO Hình 3 10 Module analog output (6ES7532-5HD00-0AB0)

25 mục đích tối ưu hóa diện tích, phù hợp với việc lắp đặt trong không gian hạn chế, giúp tối ưu hóa bố trí tủ điều khiển Để đáp ứng các yêu cầu cụ thể của ứng dụng, hệ thống này hỗ trợ thiết kế module hóa, cho phép tùy chỉnh dễ dàng Với tốc độ xử lý cao và hiệu suất ổn định, ET-200SP đảm bảo giao tiếp và xử lý dữ liệu hiệu quả

ET-200SP có thể mở rộng để phù hợp với các ứng dụng quy mô nhỏ và hệ thống tự động hóa phức tạp Hệ thống này hỗ trợ các giao thức truyền thông PROFINET và PROFIBUS, đảm bảo trao đổi dữ liệu tin cậy và nhanh chóng giữa hệ thống điều khiển trung tâm Thiết kế của ET-200SP cho phép thay thế module nóng mà không cần tắt toàn bộ hệ thống, giúp bảo trì dễ dàng Hơn nữa, hệ thống cung cấp các chức năng chẩn đoán toàn diện, giúp giám sát trạng thái hệ thống và xác định vấn đề nhanh chóng, giảm thời gian ngừng hoạt động Module ET-200SP còn được tích hợp hoàn toàn với TIA Portal của Siemens, giúp lập trình, cấu hình và giám sát dễ dàng

Bảng 3 8 Thông số kỹ thuật remote I/O ET-200SP [12]

Remote I/O ET-200SP Mô tả

Mã sản phẩm 6ES7155 – 6AR00 – 0AN0

SIMATIC ET 200SP, khả năng mở rộng lên đến 12 module input và output, hỗ trợ truyền thông profinet với 2 cổng RJ45

Hình 3 12 Remote I/O ET-200SP (6ES7155 – 6AR00 – 0AN0)

3.2.9 Module analog input (6ES7134-6GB00-0BA1)

Module đầu vào tương tự (AI 2xI 2-/4-wire ST SIMATIC ET 200SP) của Siemens là một phần của hệ thống tự động hóa SIMATIC ET 200SP Được thiết kế để điều khiển và giám sát các đầu vào tương tự, độ chính xác và phản hồi nhanh chóng được cung cấp bởi module này đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng công nghiệp hiện đại Module này có 2 kênh ngõ vào tương tự CH0 và CH1 sử dụng tín hiệu dòng điện và có thể kết nối theo cả 2 kiểu 2 dây và 4 dây

Bảng 3 9 Thông số kỹ thuật module AI 2xI 2-/4-wire ST [13]

Module AI 2xI 2-/4-wire ST Mô tả

Mã sản phẩm 6ES7134-6GB00-0BA1

Dòng sản phẩm SIMATIC ET 200SP, AI 2xI 2-/4-wire ST

Số lượng đầu vào analog AI 2xI 2-/4-wire

Nguồn cung cấp 24 V DC (19.2 – 28.8 V DC)

Hình 3 14 Sơ đồ chân module AI 2xI 2-/4-wire ST Hình 3 13 Module analog input (6ES7134-6GB00-0BA1)

3.2.10 Máy bơm trục đứng đa cấp (CNP CDLF2-9) Đây là một loại bơm ly tâm đa tầng đứng được thiết kế để phục vụ các ứng dụng dân dụng và công nghiệp với hiệu suất cao và độ bền bỉ Bơm có khả năng tiết kiệm năng lượng, vận hành ổn định và chịu áp suất cao Với thiết kế nhỏ gọn đơn giản, bơm có thể dễ dàng lắp đặt với những nơi không có nhiều không gian Ngoài ra, vật liệu chế tạo cao cấp như thép không gỉ kéo dài tuổi thọ và cải thiện khả năng chống ăn mòn Các hệ thống cấp nước, xử lý nước, cung cấp nước cho nồi hơi, hệ thống làm lạnh và nhiều ứng dụng khác đòi hỏi áp suất cao và lưu lượng ổn định đều sử dụng bơm

Bảng 3 10 Thông số kỹ thuật máy bơm trục đứng đa cấp (CNP CDLF2-9) [14]

Máy bơm trục đứng đa cấp Mô tả

Mã sản phẩm CNP CDLF2-9 Điện áp 1P/220V-50Hz

Hình 3 15 Máy bơm trục đứng đa cấp (CNP CDLF2-9)

3.2.11 HMI KTP 700 BASIC (6AV2123-2GB03-0AX0)

XÂY DỰNG THUẬT TOÁN, LẬP TRÌNH VÀ KẾ NỐI CHO HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT

Nguyên lí làm việc của hệ thống

Toàn bộ thiết kế của hệ thống điều khiển ổn định áp suất cho bơm bao gồm bơm, các đèn báo cho hoạt động của hệ thống, nút Start để cáp nguồn cho hệ thống và nút Stop để dùng Hai chế độ chính của hệ thống:

Chế độ Manual: trong chế độ này, bơm được điều khiển thông qua Công tắc(On/Off) trên HMI hoặc WebSever Động cơ sẽ không hoạt động trừ khi chọn một tần số cụ thể cho điều khiển động cơ bằng tay Việc chọn chế độ Manual thì các thông số của chế độ Tự động sẽ được reset

Chế độ Tự động: Chọn chế độ tự động thì các thông số chế độ Manaul sẽ được reset và yêu cầu người vận hành thiết lập các tham số cho bộ điều khiển PID trên HMI hoặc WebSever cụ thể là SP(Setpoint – điểm thiết lập), Gain(Hằng số khuếch đại), Ti (Thời gian tích phân), Td (Thời gian vi phân) Sau khi các tham số này được thiết lập, bộ điều khiển PID gửi các tín hiệu đến bơm, tự động điều khiển hệ thống

Trong quá trình hoạt động, hệ thông giám sát lưu lượng mực nước trong đường ống bằng cảm biếm lưu lượng Nếu bơm hoạt động mà không có nước trong đường ống trong 15s thì hệ thống sẽ dừng lại Một đèn báo lên trên HMI và WebSever sẽ yêu cầu cầu nhấn nút Start đề tiếp tục hoạt động của hệ thống

- Sơ đồ khối mô hình:

Hình 4 1 Sơ đồ khối mô hình

- PLC: có chức năng tiếp nhận tín hiệu từ các thiết bị ngoại vi và máy tính (cảm biến, switch…) ở ngõ vào, tạo chương trình xử lý tín hiệu bằng cách sử dụng các công cụ được tích hợp sẵn và quản lý các cơ cấu chấp hành ở ngõ ra

- Biến tần: có khả năng tạo ra nhiều tần số đầu ra khác nhau bằng cách sử dụng tín hiệu điều khiển tốc độ từ PLC để điều chỉnh tốc độ quay của bơm, đảm bảo áp suất nước ổn định khi cần thiết Biến tần cũng giúp tăng tuổi thọ của máy bơm và giảm mức tiêu thụ điện của động cơ

- Remote I/O ET-200SP: có chức năng kết nối moudle analog input với PLC

- Module AI: có thể thu thập dữ liệu từ cảm biến áp suất

- Cảm biến áp suất có thể cung cấp cho module AI thông số áp suất trên đường ống

- Module mở rộng SM 521 32DI: được sử dụng để thu thập dữ liệu đầu vào từ cảm biến lưu lượng và các nút nhấn

- Cảm biến lưu lượng: Dùng để kiểm tra tình trạng nước trong đường ống

- Module mở rộng SM 522 32DO và SM 532 4AO: có khả năng xuất tín hiệu điều khiển cho biến tần

- HMI: có thể hiển thị thông tin và tình trạng hệ thống, chẳng hạn như áp suất, tần số, lỗi và cảnh báo Giao diện đồ họa trực quan cho phép người dùng dễ dàng theo dõi và đánh giá tình trạng của hệ thống, giúp đưa ra các quyết định về quyền kiểm soát và điều chỉnh.

Xây dựng lưu đồ thuật toán cho mô hình

Lưu đồ thuật toán là một biểu đồ dùng để trình bày các bước thực hiện của một thuật toán dưới dạng các hình khối và các mũi tên chỉ dẫn Mỗi hình khối trong lưu đồ thường biểu thị một loại thao tác cụ thể như bắt đầu/kết thúc (hình oval), xử lý (hình chữ nhật), quyết định (hình thoi), và đầu vào/đầu ra (hình bình hành) Các mũi tên kết nối các hình khối cho biết trình tự thực hiện các bước Người lập trình và người sử dụng có thể dễ dàng hiểu và theo dõi quá trình thực hiện của thuật toán nhờ lưu đồ thuật toán Điều này làm cho việc phát hiện và sửa lỗi dễ dàng hơn

4.2.2 Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống

Nút Stop Đọc giá trị áp suất

Khởi tạo PID Reset chế độ Auto Đ ặ t giá tr ị SP,

Xuất tín hiệu điều khiển cho biến tần

Biến tần điều khiển động cơ

Nút On/Off, Đặt giá trị tần số

Xuất tín hiệu điều khiển cho biến tần Biến tần điều khiển động cơ

Hình 4 2 Lưu đồ thuật toán điều khiển

Thiết lập các thông số biến tần

Các thống số cài đặt trên biến tần sử dụng ở đề tài:

Pr01 = 0.0 Hz : Tốc độ nhỏ nhất của động cơ

Pr02 = 50.0 Hz : Tốc độ lớn nhất của động cơ

Pr03 = 5 s : Thời gian tăng tốc

Pr04 = 10 s : Thời gian giảm tốc

Pr05 = AI.AV : Đặt tần số bằng ngõ vào AI (0-10V)

- Cài đặt thông số động cơ:

Pr06 = 4 A : Dòng điện định mức của động cơ

Pr07 = 2820 rpm : Tốc độ định mức của động cơ

Pr08 = 230 V : Điện áp định mức của động cơ

Pr09 = 0.85 : Cos𝜑 của động cơ

Giới thiệu phần mềm TIA Portal

Một giải pháp phần mềm của TIA Portal cung cấp nhiều hệ thống quản lý điều khiển tự động và điện Nó đại diện cho một nền tảng tự động hóa tiên phon, được thiết để tối ưu hóa việc phá triển và triển khai phần mềm điều khiển trên các ứng dụng đa dạng trong một môi trường thống nhất

TIA Portal được các kỹ sữ của Siemens phát triển vào năm 1996 và cho phép người dùng tạo mẫu và triển khai hiệu phần mềm quả lý tùy chỉnh nhanh chóng Bằng cách tổng hợp các ứng dụng khác nhau vào một nền tảng duy nhất, TIA Portal giảm đáng kể sự phức tạp trong việc tích hợp thường gắn liền với các hệ thống phân tán

TIA Portal là trung tâm của tất cả phần mềm tự động hóa của Siemens, cung cấp khả năng lập trình và cấu hình thiết bị một cách liên kết với một số sản phẩm khác nhau Một đặc điểm nổi bật là khả năng thống nhất cơ sở dữ liệu, đảmbảo tính nhất quán và tính toán viện giữa các ứng dụng để quản lý và điều khiển hoạt động hiệu quả

Các tính năng quan trọng của Portal TIA bao gồm:

- Cung cấp môi trường thân thiện cho lập trình và thực thi các nhiệm vụ

- Hỗ trỡ thiết kế giao diện trực quan với chúc năng kéo và thả, hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình

- Quản lý toàn diện quyền truy câp người dùng, triển khai mã lệnh vầ giám sát dự án

- Cho phép hoạt động trực tuyến và chuẩn đoán hệ thống nhanh chóng xác định và khắc phục lỗi trên tất cả thiết bị tích hợp

- Tích hợp nhiều thiết bị và tối giản hóa quy trình cấu hình

Với nhiều phiên bản bao gồm từ V15, V16, V17, V18 và gần đây là phiên bản mới nhất V19, phục vụ các tác vụ của người dùng khác nhau và các cải tiên cũng như sửa lỗi trong tự động hóa công nghiệp.

Chương trình điều khiển

• Các tag được sử dụng trong chương trình PLC

Hình 4 3 Các tag sử dụng trong chương trình PLC

• Các tag giao tiếp với Webserver

- Network 1 và 2 thực hiện chức năng của các nút nhấn “START”, “STOP”

Hình 4 4 Các tag giao tiếp với Webserver

Hình 4 5 Chương trình chính (network 1 và 2)

- Network 3 và 4 gọi các hàm chức năng “FTinhASThucTe”, “FC_AUTO_MODE” và “FC_MANUAL_MODE” dùng để tính giá trị áp suất thực tế và thực hiện chức năng của chế độ auto hoặc manual

- Network 5 và 6 gọi chương trình con “transformData” để giao tiếp với Webserver

Hình 4 8 Chương trình chính (network 7) Hình 4 6 Chương trình chính (network 3 và 4)

Hình 4 7 Chương trình chính (network 5 và 6)

- Network 7 dùng để kiểm tra lỗi không có nước trong đường ống khi bơm hoạt động, nếu không có nước thì sau 15s hệ thống sẽ tắt

4.5.2 Chương trình chế độ manual

- Chương trình này sử dụng khối chức năng NORM_X và SCALE_X để chuẩn hóa và tỉ lệ hóa giá trị thực thành giá trị nguyên và từ đó sử dụng để điều khiển bơm

4.5.3 Chương trình chế độ auto

- Chương trình này gọi chương trình con “PID_To_Freq” để thực hiện điều khiển tự động

4.5.4 Chương trình scale giá trị cảm biến áp suất

- Chương trình này sử dụng khối NORM_X và SCALE_X để thực hiện đọc giá trị từ cảm biến áp suất sau đó sẽ thực hiện chuẩn hóa và tỉ lệ từ 0 (kPa) đến 2000 (kPa) để đưa vào chương trình ngắt PID

Hình 4 9 Chương trình con chế độ manual

Hình 4 10 Chương trình con chế độ auto

Hình 4 11 Chương trình con scale

4.5.4.2 Chương trình con “PID_To_Freq”

- Chương trình này sử dụng khối NORM_X và SCALE_X để thực hiện đọc giá trị từ chương trình ngắt PID sau đó sẽ thực hiện chuẩn hóa và tỉ lệ tần số từ 0 đến 50Hz Sau đó chuẩn hóa và tỉ lệ giá trị thực của tần số sang giá trị nguyên để điều khiển bơm

4.5.5 Chương trình hàm ngắt PID

- Chương trình này sử dụng khối PID_Compact để đưa giá trị SetPoint

“PID.Setpoint” từ HMI hoặc WebServer và đọc giá trị đã được chuẩn hóa và tỉ lệ của cảm biến áp suất “PV_Pressure” để đưa ra giá trị “PID.Output” để thực hiện đưa vào khối “PID_To_Freq” để có thể điều khiển bơm một cách tự động

4.5.6 Chương trình giao tiếp Webserver

4.5.6.1 Khối chức năng “sql_Trigger_Change” và “sql_Trigger_Alarm”

Từ các Input để tổng hợp thành 1 câu lệnh SQL, sử dụng “sqlTrigger” làm tính hiệu để thực hiện Alarm và đưa ra output để thực hiện trên Database của MySQL

Hình 4 12 Chương trình con “PID_To_Freq”

Hình 4 13 Chương trình ngắt PID

• Các tag “sql_Trigger_Change”

• Các tag “sql_Trigger_Alarm”

Các thông số chỉ đọc để đưa lên WebServer gồm: Process Value của cảm biến áp suất và Tần số ở chế độ tự động để điều khiển bơm

Các thông số đọc và có thể thay đổi trên HMI và WebServer gồm: SetPoint,

Ti, Td, Gain, Tần số ở chế độ bằng tay

Nguyên lý hoạt động của các thông số đọc và có thể thay đổi trên phần mềm TIA Portal

Ví dụ: Cho SetPoint và tương tự cho các thông số khác

Hình 4 14 Các tag “sql_Trigger_Change”

Hình 4 15 Các tag “sql_Trigger_Alarm”

Hình 4 16 Chương trình con "transformData"

41 Hình 4 17 Nguyên lí thay đổi thông số trên phần mềm PLC

42 Ở đây ta sẽ có “PID.SetPoint” là tag sẽ được đưa vào chương trình ngắt PID để thực hiện tính toán Đầu tiên chương trình sẽ so sánh tag “PID.SetPoint” với hai tag phụ đó là “DB_WebServer_WebSite.SetPoint” của WebServer đưa xuống hoặc

“HMI.HMI_SetPoint” của HMI khi chỉnh sửa nếu một trong 2 khác giá trị với

“PID.Setpoint” sẽ kích một xung để thực hiện việc gán giá trị cho “PID.Setpoint”, tag còn lại là HMI hoặc WebServer không được chỉnh sửa sẽ được gán giá trị tương tự và sẽ kích một xung để “Set” giá trị cho “DB_WebServer_Alarm.sql_Alarm_Trigger1” lên

1 để thực hiện việc đưa ra một câu lệnh SQL để máy chủ Node.js sẽ thực hiện câu lệnh xuống DataBase và “Reset” giá trị cho “DB_WebServer_Alarm.sql_Alarm_Trigger1”.

Tìm thông số bộ PID

4.6.1 Cấu hình bộ PID_Compact

Bước 1 : Mở trình chỉnh sửa cấu hình bằng cách chọn CPU → Technology object

Bước 2: Mở “Control Type” trong “Basic setting”

Xác định: o Đơn vị vật lý nào sẽ được sử dụng để hiển thị giá trị đặt và giá trị thực tế o Xác định đầu ra của bộ điều khiển có bị đảo ngược hay không

Hình 4 18 Mở trình chỉnh sửa cấu hình PID_Compact [19]

43 o Nếu bộ điều khiển có duy trì “inactive” sau khi khởi động lại CPU hoặc thay đổi chế độ vận hành được lưu tại “Mode” o Ở “Set mode to”: Chế độ vận hành sẽ được kích hoạt sau khi tải xuống hoàn toàn vào thiết bị

Bước 3: Điều chỉnh “Input/Output parameter” trong cài đặt cơ bản cho các cảm biến/ thiết bị chấp hành sử dụng o Giá trị thực tế dưới dạng số thập phân được chuẩn bị sẵn “Input” hoac dưới dạng giá trị analog “Input_PER” o Biến điều khiển dưới dạng số thập phân “Output”, dưới dạng giá trị analog

“Output_PER” hoặc dưới dạng tính hiệu điều khiển chế độ rộng xung kỹ thuật số “Output_PWM”

Bước 4: Xác định giá trị thực tế ở trong “Process value limits” trong “Process value setting”

Lưu ý: Phải đảm bảo rằng giá trị cao nhất và thấp nhất của giá trị xử lý phải chính xác, vì bộ điều khiển coi việc vượt quá các giới hạn này là lỗi

Hình 4 19 Xác định loại và đơn vị điều khiển

Hình 4 20 Xác định giá trị đầu vào và đầu ra

Hình 4 21 Xác định giới hạn giá trị thực tế

Bước 5: Mở “Output Value” trong “Advanced settings”: o Giới hạn giá trị đầu ra (Output value limits)

▪ Xác định các giới hạn phần trăm của tính hiệu sẽ được xuất ra cho thiết bị chấp hành o Phản hồi với lỗi (Respones to errors)

▪ Bộ điều khiển có thể được chuyển sang trạng thái không hoạt động hay không

▪ Biến điều khiển hiện tại có được tồn tại trong suốt thời gian lỗi hay không

▪ Một giá trị đầu ra thay thế được chỉ định có được xuất ra như một biến điều khiển hoặc trong thời gian xảy ra lỗi hay không

Bước 6: Mở “PID Paramter” trong “Advanced Settings”:

Tại đây có thể nhập giá trị khởi đầu của các tham số bộ điều khiển một cách thủ công

Các giá trị này sau đó sẽ được ghi vào khối dữ liệu instance của

“PID_Compact” và được chuyển đổi thành các giá trị thực sau khi khởi động nguội (tải dự án xuống bộ điều khiển)

Quy tắc tinh chỉnh (Tuning)

Tùy thuộc vào cấu trúc bộ điều khiển được chọn, các giá trị ban đầu cho các quy tắc thiết lập của “pre-tuning” hoặc “fine tuning” sẽ được thiết lập thành:

Hình 4 22 Xác định giới hạn đầu ra

45 o PID theo Chien, Hrones và Reswick hoặc PID tự động o PID thoe Chien, Hrones và Reswick hoặc Ziegler-Nichols PI

Bước 7: Lưu dự án Và tải chương trình xuống thiết bị

4.6.2 Vận hành bộ PID_Compact

Bước 1: Mở trình vận hành bằng cách chọn CPU → Technology objects → PID_Compact_1 → Commissioning

Hình 4 23 Xác định cấu trúc bộ điều khiển

Hình 4 24 Mở trình vận hành

Hình 4 25 Khởi động quá trình đo

Bước 3: Sẽ tìm được bộ thông số PID tốt nhất khi sử dụng “pretuning” và “fine tuning”

Các yêu cầu để “pretuning” là: o ManualEnable = FALSE, Reset = FALSE o PID_Compact đang ở chế độ “Manual”, “Inactive” hoặc “Automatic” o Các giới hạn đã được cấu hình trước đó bao gồm cả giá trị thực tế và giá trị đặt.Sự khác biệt giữa giá trị đặt và giá trị thực tế lớn hơn 30% so với sự khác biệt giữa giới hạn trên của giá trị thực tế và giới hạn dưới của giá trị thực tế o Khoảng cách giữa hai giá trị này lớn hơn 50% của giá trị đặt

Nếu có thể, nhập một giá trị mục tiêu vào giữa phạm vi giá trị thực tế (Ví dụ: thông qua một bảng quan sát, giá trị khởi đầu của giá trị mục tiêu đã được xã định trước đó tương wusng trong dự án) Bắt đầu quá trình tinh chỉnh sơ bộ(pre-tuning) [19]

Bước 4: Quá trình tinh chỉnh sơ bộ (Pretuning) xác định phản ứng của quy trình đối với sự thay đổi của biên độ trong giá trị đầu ra và xác định điểm cân bằng Các thông số PID được lấy từ độ dốc tối đa của hệ thống và thời gian phản ứng của nó Thông qua biểu đồ đáp ứng, có thể theo dõi quá trình tinh chỉnh sơ bộ (pretuning) và điều chỉnh sau đó đến giá trị đặt với các thông số

Bước 5: Sau khi thành không điều chỉnh sơ bộ, bộ điều khiển sẽ chuyển đổi sang chế độ tự động

Hình 4 26 Khởi động quá trình tinh chỉnh sơ bộ (pretuning)

Hình 4 27 Biểu đồ đáp ứng quá trình tinh chỉnh sơ bộ

Các giá trị được xác định có thể được xem qua “Go to PID Parameter” Thực hiện "Load PID parameter”, các giá trị sẽ được ghi vào dự án như các giá trị khởi đầu trong khối dữ liệu instance của “PID_Compact”

Bước 6: Các yêu cầu để việc tinh chỉnh chính xác (fine tuning): o ManualEnable = FALSE, Reset = FALSE o Giá trị đặt và giá trị thực tế nằm trong các giới hạn được cấu hình o Vòng điều khiển ổn định tại điểm vận hành Điểm vận hành được khi giá trị thực tế tương ứng giá trị đặt o Không có sự thay đổi giá trị đặt o PID_Compact ở chế độ “Inactive”, “Automatic” hoặc “Manual”

Bước 7: Quá trình tinh chỉnh chính xác (fine tuning) tạo ra một dao động ổn định, có giới hạn của giá trị thực tế Biên độ và tần số của giao động này được sử dụng để tối ưu hóa các thông số PID Tất cả các thông số PID được tính lại từ kế quả này Các thông số PID từ tinh chỉnh chính xác (fine tuning) thường mang lại hiệu suất điều khiển và đáp ứng tốt hơn so với các thông số từ quá trình tinh chỉnh sơ bộ (pretuning)

Bước 8: Sau khi thành công hoàn thành quá trình tinh chỉnh chính xác (fine tuning) có thể tải các thông số PID vào dự án và bắt đầu dự án

Hình 4 28 Tải thông số PID của quá trình tinh chỉnh sơ bộ

Hình 4 29 Khởi động quá trình tinh chỉnh chính xác

Sơ đồ kết nối phần cứng

4.7.1 Sơ đồ kết nối mạch điều khiển

Hình 4 30 Mạch kết nối ngõ vào

Hình 4 32 Mạch kết nối CPU Hình 4 31 Mạch kết nối ngõ ra

4.7.2 Sơ đồ kết nối mạch động lực

Thiết kế chương trình điều khiển và giám sát hệ thống

Quản lý và điều khiển các hệ thống tự động hóa trong thời đại công nghệ số hiện nay đang trở nên ngày càng phức tạp Nhiều nhà sản xuất để phát triển nhiều loại giao diện điều khiển để có thể giải quyết vấn đề này WebServer và màn hình HMI là hai loại phố phổ biến nhất Đối với WebServer là một phầm mềm máy chủ Web, giúp người dùng quản lý và truy cập hệ thống thông qua quá trình duyệt web Nó cung cấp người dùng xem dữ liệu, quản lý các thiết bị và cấu hình từ xa WebServer hoạt động như một cổng thông tin trực tuyến, giúp Người dùng có thể quản lý và truy cập hệ thống từ bất kỳ địa điểm nào họ có internet Ngoài ra, màn hình người dùng (HMI) là một thiết bị vật lý được cài trực tiếp vào hệ thống, cho phép người dùng xem dữ liệu và điều khiển trực tiếp các thiết bị Để người dùng dễ dàng giám sát hệ thố và điều khiển hệ thống, HMI có iao diện trực quan với nhiều biểu đồ, đồ thị và nút nhấn Tùy thuộc theo yêu cầu của từng hệ thống, các ứng dụng của WebServer và màn hình HMI có nhiều lĩnh vực khác nhau để sử dụng Webserver thường được sử dụng trong các lĩnh vực như quản lý sản xuất, quản lý thòa nhà thông minh và giám sát và điều khiển hệ thống năng lượng vì chúng rất linh hoạt và có thể truy cập từ xa Màn hình HMI được sử dụng trong các lĩnh vực như điều khiển máy móc công nghiệp, ô tô và vận tải, y tế và chăm sóc sức khỏe Sau khi phân tích các đặc điểm và sử dụng của cả Webserver và màn hình HMI, đã phát

Hình 4 33 Sơ đồ kết nối mạch động lực

50 hiện ra rằng việc sử dụng kết hợp và linh hoạt của cả hai loại là giải pháp tối ưu Đó là lý do tại sao mục tiêu của đề tài này là đạt được

4.8.1 Giới thiệu phần mềm Symbol Factory 3

Phần mềm Symbol Factory 3 được phát triển để thiết kế giao diện đồ họa HMI cho các giám sát công nghiệp và hệ thống điều khiển Phần mềm này cho phép người dừng tạo ra các màn hình giao diện trực quan, điều khiển và giám sát các thiết bị, dây chuyền sản xuất và các hệ thống tự động hóa khác Tính năng mạnh mẽ, dễ sử dụng và khả năng tính hợp cao với các hệ thống điều khiển

- Cách sử dụng phần mềm Symbol Factory 3

➢ Các bước tạo 1 Symbol cho hệ thống:

Bước 1: Lựa chọn Symbol cần sử dụng

Bước 2: Kích chuột phải vào Symbol -> Export

Bước 3: Lựa chọn nơi lưu file → Chọn Saves as tuye png

Hình 4 35 Lưu file định dạng png

4.8.2 Giao diện điều khiển trên HMI

4.8.2.1 Các bước thiết lập màn hình HMI

Bước 1: Tạo project mới hoặc mở project có sẵn

Bước 2: Vào Devices & networks → Add new device → HMI

Bước 3: Kết nối HMI với Plc S7-1500

Hình 4 37 Khai báo phần cứng

Hình 4 38 Thiết lập kết nối phần cứng

4.8.2.2 Các bước thiết kế màn hình HMI

Bước 1: Screens → Add new screen

Bước 2: Vào Screen vừa được thêm vào → Toolbox

Giao diện điều khiển được chia làm 4 trang: Trang giới thiệu, trang tổng quan, trang chế độ tự động và trang chế độ bằng tay

Trang giới thiệu là nơi giới thiệu tổng quan về đề tàu đã chọn thể hiện qua tên đề tài, giảng viên hướng dẫn, sinh viên thực hình và phần "ĐĂNG NHẬP" để tiếp tục đến trang sau Để thực hiện đăng nhập thực hiện theo các bước sau:

Bước 1: Nhấn vào nút “ĐĂNG NHẬP” ①

Hình 4 39 Cách tạo screen mới

Hình 4 40 Cách sử dụng toolbox

Bước 2: Nhập tên tài khoản tại ô “User:” ② và nhập mật khẩu tại ô

“Password:” ③ sau đó nhấn nút “OK” ④

Bước 3: Nhấn lại nút “ĐĂNG NHẬP” ⑤

Trang tổng quan dùng để giám sát hệ thống thông qua các đèn báo, hình ảnh và các I/O field hiển thị giá trị làm việc của hệ thống Ngoài ra trang này có 3 nút nhấn lần lượt là “HOME”, “AUTO”, “MAN” Nút “HOME” cho phép quay về trang giới thiệu, nút “AUTO” sẽ chuyển sang trang chế độ tự động và nút “MAN” sẽ chuyển sang trang chế độ bằng tay Việc chuyển sang trang chế độ tự động hay chế độ bằng tay sẽ phụ thuộc vào quyền đăng nhập ở trang giới thiệu

• Trang chế độ tự động

Trang này sẽ cho phép người dùng có thể giám sát và điều khiển hệ thống hoạt động tự động thông qua các switch, I/O filed, đồ thị …

① - Cài đặt Setpoint mong muốn

② - Giá trị áp suất hiện tại

⑤ - Công tắc chuyển đổi chế độ điều khiển

• Trang chế độ bằng tay

Trang này cho phép người sử dụng có thể giám sát và điều khiển hệ thống bằng tay như cho phép động cơ chạy, cài đặt tần số cho động cơ thông qua các switch, I/O field, đồ thị …

⑥ - Công tắc bật tắt chế độ bằng tay

Hình 4 43 Trang chế độ tự động

Hình 4 44 Trang chế độ bằng tay

⑦ - Cài đặt tần số đầu ra chế độ bằng tay

4.8.3 Công cụ hỗ trợ thiết kế Webserver

• Ngôn ngữ lập trình HTML/CSS/JavaScript

➢ HTML Chức năng: HTML là ngôn ngữ đánh dấu phổ biến được sử dụng để tạo và định hình các trang web Nó có thể xác định các yếu tố như tiêu đề, đoạn văn, hình ảnh, liên kết và nhiều thứ khác Ứng dụng: Giao diện cơ bản của Webserver được tạo ra bằng HTML, cho phép người dùng truy cập và quản lý hệ thống thông qua trình duyệt web

➢ CSS Chức năng: CSS là ngôn ngữ dùng để mô tả định dạng và giao diện của tài liệu HTML Nó cho phép điều chỉnh bố cục, màu sắc, phông chữ và các thành phần khác của trang web Ứng dụng: CSS được sử dụng để thiết kế giao diện trực quan và hấp dẫn cho WebServer, giúp việc quản lý và điều khiển hệ thống trở nên dễ dàng và hiệu quả hơn

➢ JavaScript Chức năng: JavaScript là một ngôn ngữ lập trình cho phép bạn tạo ra các trang web có thể tương tác và hoạt động Xử lý sự kiện, xác thực dữ liệu và tạo ảnh động là một số ứng dụng của nó

• Hệ thống OPC SERVER - KEPServerEX 6

“OPC” trong các hệ thống thúc đẩy doanh nghiệp và tự động hóa công nghiệp hỗ trợ ngành công nghiệp Dây là một công nghệ client/server, trong đó một ứng dụng hoạt động như một máy chủ (cung cấp dữ liệu) và một ứng dụng khác hoạt động như một máy chủ (sử dụng dữ liệu)

OPC bao gồm một loại các kỹ thuật: OPC Data Access(DA) là chuẩn phổ biến nhất OPC DA là một chuẩn giao tiếp công nghiệp được chấp nhận rộng rãi, cho phép trao đổi giữa các thiết bị từ nhiều nhà sản xuất khác nhau và các ứng dụng điều khiển mà không có hạn chế độc quyền Một máy chủ OPC có thể giao tiếp dữ liệu liên tục giữa các PLC trên nhà máy, RTU trong lĩnh vực, các trạm HMI và các ứng dụng phần mềm trên máy tính cá nhân Việc tiêu chuẩn OPC giúp việc giao tiếp liên tục trong thời gian

56 thời gian thực trở nên khả thi (ngay cả phần cứng và phầm mềm đều từ các nhà sản xuất khác nhau)

KEPServerEX 6 là một phải giáp phầm mềm mạnh mẽ cho việc kết nối, quản lý truy cập từ các thiết bị tự động hóa và cảm biến trong môi trường công nghiệp Điểm nổi bật của KEPServerEX 6 bao gồm:

Hỗ trợ nhiều giao thức: KEPServerEX 6 hỗ trợ loạt các giao thức giao tiếp như OPC, Modbus, Profinetet và các giao thức công nghiệp khác, giúp tích hợp dễ dàng vào hệ thống tự động hóa hiện có

Quản lý dữ liệu hiệu quả: Với các công cụ quản lý mạnh mẽ, KEPServerEX 6 giúp tổ chúc và quản lý dữ liệu hiệu quả từ nhiều nguồn

Linh hoạt và mở rộng: KEPServerEX 6 được thiết kế có khả năng mở rộng cho phép thay đổi chức năng và tính năng để phù hợp với yêu cầu cụ thể của dự án và môi trường làm việc

Nguyên lý hoạt động của Kepware OPC:

Các thuộc tính OPC giúp kết nối máy khách và máy chủ, hỗ trợ truy cập dữ liệu thời gian thực và giám sát cảnh báo và sự kiện truy xuất dữ liệu cho các ứng dụng khác

Kích bản kết nối OPC cổ điển kết nối máy khách và máy chủ trên cùng một máy tính Ngoài ra, còn có nhiều tùy chọn:

- OPC Consortium: Kết nối nhiều máy OPC đến nhiều máy chủ OPC khác nhau

- Máy khách OPC qua mạng đến máy chủ OPC: Cho phép csac máy khách OPC kết nối đến các máy chủ OPC qua mạng

KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC

Kết quả phần cứng

Hình 5 1 Đồ thị áp suất với giá trị đặt 15(kPa) Hình 5 3 Đồ thị áp suất với giá trị đặt 10(kPa) Hình 5 2 Đồ thị áp suất với giá trị đặt 5(kPa)

Từ các đồ thị áp suất theo thời gian ta thấy rằng áp suất đạt được gần như duy trì ở mức áp suất đặt mong muốn trong suốt quá trình Sự ổn định này cho thấy khả năng điều khiển của bộ điều khiển PID khá tốt Cụ thể, dù có sự dao động nhỏ, nhưng chúng rất ít và không vượt qua ranh giới cho phép, cho thấy rằng bộ điều khiển đã điều chỉnh áp suất một cách hiệu quả Để xác định sai số xác lập, sự khác biệt giữa giá trị áp suất đặt và giá trị thực được tính toán Mặc dù có một số thay đổi nhỏ, nhưng tỷ lệ sai số này vẫn rất nhỏ trên các mức đặt khác nhau Điều này cho thấy bộ điều khiển PID có khả năng duy trì hiệu suất ổn định đồng thời giảm sai số xác lập

Việc bộ điều khiển PID hoạt động hiệu quả ở các mức áp suất đặt khác nhau (5,

10 và 15 kPa) là một bằng chứng rõ ràng cho tính linh hoạt và đa năng của nó Bộ điều khiển PID có khả năng tùy chỉnh, cho phép nó thích ứng và đáp ứng tốt với các yêu cầu điều khiển khác nhau của hệ thống

Từ đồ thị trên ta có thể thấy việc áp suất vẫn duy trì ở mức đặt sau khi mở hoặc đóng van một cách đột ngột là một bằng chứng tích cực cho thấy khả năng ổn định của bộ điều khiển PID Điều này cho thấy bộ điều khiển có khả năng phản ứng nhanh chóng và điều chỉnh đầu ra của hệ thống một cách hiệu quả để duy trì áp suất mong muốn

Thời gian phản ứng của hệ thống rất ngắn sau khi thay đổi van đột ngột Điều này chứng minh khả năng của bộ điều khiển PID đáp ứng nhanh chóng đối với sự thay đổi trong điều kiện hoạt động của hệ thống Sự nhanh nhạy này giúp giảm thiểu thời gian hệ thống rơi vào trạng thái không ổn định sau các biến động nhanh chóng

Hình 5 4 Đồ thị áp suất khi có sự thay đổi áp suất đột ngột

Tóm lại, bộ điều khiển PID đã thể hiện hiệu suất ổn định và đáng tin cậy trong việc duy trì áp suất ở các mức đặt khác nhau, bộ điều khiển còn có khả năng ổn định và đáp ứng nhanh trong điều kiện nhiễu Kết quả hệ thống hoạt động ổn định và ứng dụng hiệu quả trong việc duy trì áp suất ổn định Hệ thống đã đáp ứng được yêu cầu và mục tiêu đề ra ban đầu.

Kết quả giao diện điều khiển

Trang giới thiệu sẽ hiển thị thông tin về đề tài và cần phải đăng nhập để điều khiển và giám sát hệ thống

Sau khi đăng nhập, người dùng có thể xem hệ trạng thái hoạt động, chế độ hoạt động, giá trị điểm đặt và thông số của bộ PID trên trang tổng quan

Từ trang này người dùng có thể vào trang chế độ tự động hoặc trang chế độ bằng tay

Trang chế độ tự động sẽ cho phép người dùng cài đặt các giá trị của hệ thống như là setpoint và các thông số của bộ PID, cũng như có thể quan sát đồ thị áp suất theo thời gian

Trang chế độ bằng tay người dùng có thể bật tắt động cơ tùy ý và cũng có thể quan sát đồ thị áp suất theo thời gian

Hình 5 7 Trang chế độ tự động

Hình 5 8 Trang chế độ bằng tay

Người dùng có thể đăng nhập vào webserver thông qua trang đăng nhập

Sau khi đăng nhập người dùng có thể xem được thông tin đề tài ở phần giới thiệu

Trang “Control” có chức năng quan sát trạng thái hệ thống, điều chỉnh các thông số khác của hệ thống Trang “Control” cũng có chức năng điều khiển gồm: điều khiển chế độ tự động và chế độ bằng tay

Khi vào trang “DashBoard” dùng để theo dõi các thông số trong thời gian hệ thống hoạt động và xuất báo cáo

Khi vào trang “Alarm” dùng để quan sát được những thay đổi trạng thái các giá trị khi hệ thống hoạt động

Trang “Tren” có chức năng quan sát được đồ thị đáp ứng áp suất theo thời gian của hệ hệ thống

Nhận xét – Đánh giá kết quả

Đề tài này được thực hiện từ ngày 1/3 cho đến nay, kết quả thực hiện đã đạt được: Ưu điểm:

• Hệ thống hoạt động ổn định, áp suất luôn được duy trì ở mức xác định

• Giao tiếp giữa PLC và biến tần khá tốt

• Trong suốt quá trình hoạt động cảm biến không gặp vấn đề gì, dữ liệu gửi về không có chênh lệch nhau

Mô hình chỉ có 1 bơm nên thuật toán điều khiển còn hạn chế, đáp ứng của hệ thống chậm và khi bơm bị lỗi hệ thống sẽ mất ổn định áp suất do không có bơm thay thế.