Hệ thống ổn định lưu lượng nước bằng bơm lưu lượng 3 pha 220v. Dùng bộ điều khiển PLC siemens và Biến Tần Mitsubishi, Hệ thống hoạt động dựa trên bộ điều khiển PID_compact được tích hợp sẳn trên PLC siemens , và bộ điều kiển PID trên biến tần, Hệ thống hoạt động 2 chế độ điều khiển đó là chạy PID trên PLC và chuyển chế độ PID trên biến tần,
Giới Thiệu Đề Tài
Giới thiệu chung
Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp hóa, hiện đại hóa và tiến bộ khoa học kỹ thuật, kỹ thuật điều khiển tự động đóng vai trò vô cùng quan trọng Nhờ đó, hiệu quả trong quá trình sản xuất và đời sống được nâng cao đáng kể, tạo tiền đề cho sự phát triển bền vững trong tương lai.
Trong quá trình điều khiển, yêu cầu của bài toán đặt ra có nhu cầu rất cao về độ tin cậy và tính sẵn sàng Với mỗi hệ thống điều khiển cần có một quy trình chặt chẽ và cụ thể Nên trong điều khiển quá trình công nghệ ta phải thiết lập một hệ thống phù hợp với đặc thù của quá trình công nghệ
Vấn đề điều khiển ổn định lưu lượng cần đáp ứng độ chính xác cao.Với yêu cầu ứng dụng thực tế như vậy, đề tài nghiên cứu đối tượng chính ở đây là ổn định lưu lượng trong đường ống Trong đề tài này nhóm thực hiện đã sử dụng bơm lưu lượng 3 pha công suất 1HP, lưu lượng kế có tầm đo từ 0[L/min] đến 150[L/min], cảm biến lưu lượng có tầm đo 0[L/min] đến 150[L/min], sử dụng PLC S7-1200 DC/DC/DC, biến tần FR E700, sử dụng màn hình HMI WEINVIEW Để điều khiển được ổn định lưu lượng theo yêu cầu của đề tài nhóm đã sử dụng 2 cách Cách 1 là sử dụng hàm PID của PLC, biến tần là cơ cấu chấp hành, giá trị setpoint đc cài trên màn hình HMI Cách 2 là sử dụng bộ PID trên biến tần để thay đổi công suất bơm, giá trị setpoint được thay đổi bằng cách vặn biến trở Trong đề tài này nhóm đã sử dụng 4 van khóa để thấy rõ được sự ổn định của lưu lượng Khi khóa 1 van hoặc 2 van hoặc 3 van lưu lượng trong đường ống vẫn duy trì sự ổn định nhờ sự thay đổi của công suất bơm để đáp ứng được lưu lượng đã cài đặt ban đầu.
Mục tiêu của đề tài
Mục đích của đề tài là “ Đo, điều khiển, và ổn định lưu lượng trên đường ống” ở một ngưỡng đặt trước thông qua sự điều khiển của PLC đối với biến tần hoặc sử dụng biến tần để điều khiển ổn định lưu lượng trên đường ống Với đề tài này, nhóm đã sử dụng PLC kết hợp biến tần và bơm để mô tả hoạt động của hệ thống Để thực hiện được đề tài chúng em đã:
− Tìm hiểu về PLC Siemens S7-1200: Nghiên cứu cấu trúc phần cứng, cấu trúc bộ nhớ của PLC S7-1200
− Tìm hiểu về cách sử dụng biến tần
− Lựa chọn biến tần và động cơ có công suất hợp lý
− Tìm hiểu giao tiếp giữa PLC S7-1200 và biến tần
− Tìm hiểu giao tiếp giữa PLC S7-1200 và HMI
− Tìm hiểu cách sử dụng phần mềm TIA PORTAL dùng để lập trình cho PLC S7-1200
− Tìm hiểu cách sử dụng phần mềm HMI EasyBuilder8000.
Cấu trúc quyển báo cáo
Quyển báo cáo này gồm:
Trong chương này giới thiệu về đề tài
− Tổng quan về đề tài
− Mục tiêu của đề tài
Cơ Sở Lý Thuyết
Giới thiệu thuật toán điều khiển
2.1.1 Thuật toán điều khiển PID
Bộ điều khiển PID (A proportional integral derivative controller) là bộ điều khiển sử dụng kỹ thuật điều khiển theo vòng lặp có hồi tiếp được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động Một bộ điều khiển PID cố gắng hiệu chỉnh sai lệch giữa tín hiệu ngõ ra và ngõ vào sau đó đưa ra một tín hiệu điều khiển để điều chỉnh quá trình cho phù hợp
Chúng ta coi hệ thống được thiết kế hồi tiếp âm đơn vị có sơ đồ khối như sau:
Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vòng kín
Bộ điều khiển PID là một cơ chế điều khiển lặp hồi tiếp được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điều khiển công nghiệp do dễ sử dụng Một bộ điều khiển PID điều chỉnh giữa giá trị biến đo được và giá trị mong muốn đạt được bằng cách tính toán và xuất ra một "tín hiệu điều chỉnh" nhanh chóng để giữ cho sai lệch ở mức nhỏ nhất có thể được
Bộ điều khiển PID gồm 3 thông số riêng: Tỷ lệ, Tích phân và Vi phân
Hình 2.2: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID
Thành phần tỉ lệ (Kp) có tác dụng làm tăng tốc độ đáp ứng của hệ, và làm giảm, chứ không triệt tiêu sai số xác lập của hệ (steady-state error) Thành phần tích phân (Ki) có tác dụng triệt tiêu sai số xác lập nhưng có thể làm giảm tốc độ đáp ứng của hệ
Thành phần vi phân (Kd) làm tăng độ ổn định hệ thống, giảm độ vọt lố và cải thiện tốc độ đáp ứng của hệ
Như vậy, từ ba thành phần (tỉ lệ, tích phân, vi phân), có thể xây dựng thêm các bộ điều khiển khác như bộ điều khiển P, bộ điều khiển PI, bộ điều khiển PD, tùy vào đối tượng tác động cụ thể mà ta sử dụng các bộ điều khiển cho thích hợp ở đây chỉ nghiên cứu sâu về bộ điều khiển PID
Xét ảnh hưởng của các thành phần Kp, Ki, Kd đối với hệ kín được tóm tắt trong bảng sau:
Bảng 2.1: Ảnh hưởng của các khâu lên hệ thống
Thành phần Thời gian đáp ứng Độ vọt lố Thời gian quá độ Sai số xác lập
KP Giảm Tăng Thay đổi ít Giảm
KI Giảm Tăng Tăng Bị loại bỏ
KD Thay đổi ít Giảm Giảm Thay đổi ít
Hình 2.3: Đặc tính đáp ứng đầu ra của bộ điều khiển
Lưu ý rằng quan hệ này không phải chính xác tuyệt đối vì Kp, Ki và
Kd còn phụ thuộc vào nhau Trên thực tế, thay đổi một thành phần có thể ảnh
6 hưởng đến hai thành phần còn lại Vì vậy bảng trên chỉ có tác dụng tham khảo khi chọn Kp, Ki, Kd Bộ điều khiển 3 thành phần:
Hàm truyền của bộ điều khiển PID có dạng:
Kp = hệ số tỉ lệ;
Ki = hệ số tích phân;
Kd = hệ số vi phân;
Trước hết ta khảo sát bộ PID làm việc thế nào trong hệ kín có sơ đồ khối như trên Biến e là thành phần sai lệch, là hiệu giữa giá trị tín hiệu vào mong muốn và tín hiệu ra thực tế (e=SP-PV) Tín hiệu sai lệch (e) sẽ đưa tới bộ PID, và bộ điều khiển tính toán cả thành phần tích phân lẫn vi phân của (e) Tín hiệu ra (u) của bộ điều khiển bằng:
Lúc này đối tượng điều khiển có tín hiệu vào là (u), và tín hiệu ra là (Y) (Y) được hồi tiếp về bằng các cảm biến để tiếp tục tính sai lệch (e) Và bộ điều khiển lại tiếp tục như trên
Khi thiết kế bộ PID nên theo các bước sau để có kết quả như mong muốn:
+ Tìm đáp ứng hệ hở và xác định thông số nào cần cải thiện
+ Thêm thành phần Kp để cải thiện thời gian đáp ứng
+ Thêm thành phần Kd để giảm độ vọt lố
+ Thêm thành phần Ki để triệt tiêu sai số xác lập
+ Điều chỉnh Kp, Ki, Kd cho đến khi đáp ứng các thông số yêu cầu
Thường xuyên tham khảo bảng phân tích để hiểu rõ đặc tính của từng thành phần trong bộ điều khiển Chỉ nên sử dụng các thành phần Kp, Ki, Kd khi thật cần thiết Nếu bộ điều khiển PI đã đáp ứng được yêu cầu thì không cần thêm thành phần vi phân Kd Nói chung, bộ điều khiển càng đơn giản càng tốt.
2.1.2 Các khâu trong bộ điều khiển PID
Khâu P tạo ra tín hiệu điều khiển tỉ lệ với giá trị của sai lệch Việc này được thực hiện bằng cách nhân sai lệch e với hằng số KP – gọi là hằng số tỉ lệ
Khâu P được tính dựa trên công thức: out P ( )
Với: Pout: giá trị ngõ ra
KP: hằng số tỉ lệ e: sai số: e = SP – PV
Sơ đồ khối của khâu P:
Nếu chỉ có khâu P thì trong mọi trường hợp sai số tĩnh luôn xuất hiện, trừ khi giá trị đầu vào của hệ thống bằng 0 hoặc đã bằng với giá trị mong muốn Trong hình sau thể hiện sai số tĩnh xuất hiện khi thay đổi giá trị đặt
Hình 2.4:Đáp ứng của khâu P
Nếu giá trị khâu P quá lớn sẽ làm cho hệ thống mất ổn định
Khâu I cộng thêm tổng các sai số trước đó vào giá trị điều khiển Việc tính tổng các sai số được thực hiện liên tục cho đến khi giá trị đạt được bằng với giá trị đặt, và kết quả là khi hệ cân bằng thì sai số bằng 0 Khâu I được tính theo công thức:
Với: Iout: giá trị ngõ ra khâu I
Ki: hệ số tích phân e: sai số: e = SP – PV
Khâu I thường đi kèm với khâu P, hợp thành bộ điều khiển PI Nếu chỉ sử dụng khâu I thì đáp ứng của hệ thống sẽ chậm và thường bị dao động
Hình sau chỉ ra sự khác biệt giữa khâu I và PI:
Hình 2.5: Đáp ứng của khâu I và PI
Ta có thể nhận thấy là khâu I làm cho đáp ứng của hệ thống bị chậm đi rất nhiều, còn khâu PI giúp triệt tiêu sai số xác lập
Khâu D cộng thêm tốc độ thay đổi sai số vào giá trị điều khiển ở ngõ ra Nếu sai số thay đổi nhanh thì sẽ tạo ra thành phần cộng thêm vào giá
10 trị điều khiển Điều này cải thiện đáp ứng của hệ thống, giúp trạng thái của hệ thống thay đổi nhanh chóng và mau chóng đạt được giá trị mong muốn Khâu D được tính theo công thức: out D
Với: Dout: ngõ ra khâu D
KD: hệ số vi phân e: sai số: e = SP – PV
= E S =Khâu D thường đi kèm với khâu P thành bộ PD, hoặc với PI để thành bộ PID
Hình 2.6: Đáp ứng của khâu D và PD
Theo hình trên, bộ PD tạo đáp ứng có thời gian tăng trưởng nhỏ hơn so với bộ P Nếu giá trị D quá lớn sẽ làm cho hệ thống không ổn định
• Tổng hợp 3 khâu – bộ PID hoàn chỉnh
Bộ điều khiển PID là cấu trúc ghép song song giữa 3 khâu P, I và D Phương trình vi phân của bộ PID lý tưởng:
Sơ đồ khối: Đáp ứng của bộ PID:
Hình 2.7: Đáp ứng của khâu P, PI và PID
2.1.3 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 kế
Thiết kế giao diện giám sát HMI
Để có thể thiết kế giao diện giám sát, điều khiển trên màn hình HMI Weinview MT8070iH, ta phải sử dụng phần mềm EasyBuilder8000 Sau đây là một số hướng dẫn cơ bản để thiết kế giao diện
2.2.1 Cài đặt chương trình easybuilder 8000
2.2.2 Các bước cài đặt Easybuilder8000 Để đĩa chương trình vào ổ CD Máy tính sẽ tự động chạy chương trình và
1 cửa sổ sẽ hiện ra:
Chọn [install] và 1 cửa sổ mới sẽ hiện ra và ta chọn [Next] như hình sau:
Chọn phiên bản của EB8000 sau đó chọn [Next] để tiếp tục:
Chọn [Next] tiếp 1 cửa sổ mới hiện ra ta có thể chọn để hiện 1 icon của chương trình lên màn hình desktop:
Cuối cùng ta chọn [Install] để tiến hành cài đặt:
29 Sau khi cài xong sẽ có 1 bảng thông báo hiện ra và ta chọn [finish]:
Hình 2.12: Các cổng I/O của HMI
- USB port: kết nối thiết bị với USB, như là chuột, keyboard, USB stick, Printer
- Ethernet port: kết nối với ethernet như là PLC, laptop……
- Serial I/O Port: Com port, RS-232, RS485-2w/4w, có thể kết nối với PLC qua các cổng
2.2.4 Tạo một Project mới trên EB8000
• Tạo project mới : Đầu tiên chọn [New] biểu tượng như hình dưới.Sau đó ấn OK
Chọn model của HMI click vào [Use template] và chọn OK
Cài đặt các thuộc tính của mục [Device Properties] cho đúng để kết nối với PLC
Trong phần device properties → cấu hình PLC type→ chọn PLC S7- 1200PLC I/F (Ethernet) → cấu hình địa chỉ PLC ở setting → chọn OK
Tiếp đến nhập địa chỉ IP của PLC →OK
Ví dụ: Tạo 1 [Toggle Switch] cho project của mình ta click chọn[ Toggle Switch] như biểu tượng bên dưới:
Một hộp thoại được tạo ra Ta chọn và cài đặt các tham số cho đúng và click [OK]
• Lưu và biên dịch cho project:
Chọn [File] [Save],sau khi lưu ta chọn [Tools] và chọn [Compile] để biên dịch
Nếu biên dịch thành công sẽ có biểu tượng như hình dưới hiện ra
• Chạy mô phỏng offline và online Simulation:
Mô phỏng không cần kết nối với PLC click chọn [Off-line Simulation]
Sau đó ta có thể thấy project của mình như hình:
Mô phỏng cần kết nối với PLC click chọn [On-line Simulation]
Download một Project xuống HMI, trong Menu ta chọn [Tool] rồi chọn [Download]
Sau khi click vào [download] cửa sổ sẽ hiện ra bảng ta kiểm tra lại địa chỉ IP và [download]
Thiết Kế Hệ Thống Và Tính Chọn Thiết Bị
Sơ đồ hệ thống
Hình 3.1: Ngoại quan hệ thống ổn định lưu lượng
- Bơm: Lấy nước trực tiếp từ bồn
- Cảm biến lưu lượng đọc tín hiệu lưu lượng nước trên đường ống
- Lưu lượng kế dùng để đọc giá trị lưu lượng trong đường ống và so sánh giá trị lưu lượng trên màn hình HMI
- Các van khóa có công dụng hạn chế dòng chảy trong đường ống
- Tủ điều khiển: bao gồm các thiết bị như biến tần, PLC và các thiết bị khác dùng để điều khiển bơm, HMI dùng để hiển thị thông số
Setpoint, tín hiệu trả về từ cảm biến và tần số Hz từ biến tần
Sơ đồ khối hệ thống điều khiển
3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID PLC
Hình 3.2: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển Khối nguồn: cung cấp nguồn cho các thiết bị
Bộ điều khiển trung tâm PLC: tiếp nhận các tín hiệu điều khiển và gửi tín hiệu đã được xử lý đến cơ cấu chấp hành (biến tần, bơm)
Mạch chuyển đổi: chuyển đổi tín hiệu PWM từ bộ điều khiển trung tâm thành tín hiệu analog để cài đặt biến tần
Biến tần: xuất điện áp theo tín hiệu điều khiển để điều khiển bơm Bơm: bơm nước cho mô hình
Màn hình giám sát HMI: hiển thị các thông số mô hình đang hoạt động và nhập các giá trị để hệ thống hoạt động theo mong muốn
Khối nút nhấn: bao gồm nút START, STOP, E-STOP…
Cảm biến lưu lượng: đo lưu lượng dòng chảy của nước trong đường ống rồi chuyển tín hiệu về bộ điều khiển trung tâm
❖ Giải thích hệ thống: Khối nguồn cấp nguồn điện cho toàn bộ hệ thống , bộ điều khiển trung tâm PLC sẽ nhận tín hiệu Digital Input từ các nút nhấn START, STOP, E-STOP trên tủ điều khiển khi muốn hệ thống dừng hoặc chạy Nhấn START hệ thống hoạt động, khi đó PLC xuất tín hiệu PWM [0-100%] vào mạch chuyển, mạch chuyển sẽ chuyển đổi tín hiệu PWM [0-100%] thành giá trị Analog tương ứng với điện áp [0-10VDC] đưa vào biến tần để so sánh và cấp tần số Hz tương ứng cho bơm hoạt động Khi bơm chạy sẽ đẩy nước đi, cảm biến lưu lượng trên đường ống sẽ đọc tín hiệu xung và trả về cho PLC, PLC nhận tín hiệu xung từ cảm biến và quy đổi thì giá trị lưu lượng hiện tại mà cảm biến đọc được (lít/phút), PLC giao tiếp với HMI để hiển thị thông số, biểu đồ, lưu lượng hiện tại
3.2.2 Sơ đồ khối hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID biến tần
Hình 3.3: Sơ đồ khối hệ thống sử dụng bộ PID biến tần
Khối nguồn: cung cấp nguồn cho các thiết bị
Bộ điều khiển trung tâm PLC: tiếp nhận các tín hiệu điều khiển và gửi tín hiệu đã được xử lý đến cơ cấu chấp hành (biến tần, bơm)
PWM to Analog: chuyển đổi tín hiệu PWM từ bộ điều khiển trung tâm thành tín hiệu Analog để cài đặt biến tần
Biến tần: xuất điện áp theo tín hiệu điều khiển để điều khiển bơm
Bơm: bơm nước cho mô hình
Màn hình giám sát HMI: hiển thị các thông số mô hình đang hoạt động và nhập các giá trị để hệ thống hoạt động theo mong muốn
Khối nút nhấn: bao gồm nút START, STOP, E-STOP
Cảm biến lưu lượng: đo lưu lượng dòng chảy của nước trong đường ống rồi chuyển tín hiệu về bộ điều khiển trung tâm
Bộ Relay chuyển chế độ: dùng để chuyển đổi chế độ giữa chạy PID PLC với chạy PID biến tần
F[Hz] to Analog: chuyển đổi tần số được đọc lên từ biến tần thành tín hiệu
Analog để bộ điều khiển trung tâm truyền lên HMI hiển thị
Khối biến trở: cài đặt giá trị Setpoint cho bộ PID biến tần
❖ Giải thích hệ thống: Khối nguồn cấp điện cho toàn bộ hệ thống Bộ điều khiển trung tâm sẽ nhận tín hiệu Digital Inputs từ các nút nhấn START, STOP, E-STOP Khi nhấn START, hệ thống hoạt động Khi đó PLC sẽ đọc tín hiệu xung được trả về từ cảm biến lưu lượng, sau đó sẽ xuất tín hiệu PWM [0-100%] theo giá trị lưu lượng quy đổi được từ cảm biến thực đo [L/min] Tín hiệu PWM này sẽ được truyền đến mạch chuyển đổi PWM to Analog, chuyển đổi tín hiệu Analog, sau đó được đưa đến biến tần, chân PV (Process Value) của bộ PID biến tần Biến trở sẽ đóng vai trò là Setpoint của bộ PID Khi biến tần hoạt động, kết hợp với bộ điều khiển PID biến tần điều khiển bơm hoạt động theo đúng mức lưu lượng được cài đặt trước đó Để hiển thị được tần số (công suất) đang hoạt động của biến tần, mạch chuyển đổi F to Analog được sử dụng để chuyển đổi tần số thành tín hiệu Analog để bộ điều khiển đọc được để hiển thị lên HMI Khối hiển thị HMI dùng để giám sát và điều khiển toàn bộ hệ thống thông qua giao tiếp với bộ điều khiển trung tâm
Sơ đồ đấu dây của mạch động lực và mạch điều khiển
Theo yêu cầu đề bài đặt ra thì khối ngõ vào và khối ngõ ra của PLC gồm các thiết bị sau:
Bảng 3.1: Các thiết bị ngõ vào
STT Ngõ vào Địa chỉ
1 Tín hiệu xung cảm biến lưu lượng I0.0
− Các thiết bị ngõ ra:
Bảng 3.2: Các thiết bị ngõ ra
STT Ngõ ra Địa chỉ
Thiết bị Địa chỉ Thiết bị Địa chỉ
Tín hiệu xung cảm biến lưu lượng (CBLL) I0.0 Tín hiệu xung PWM Q0.0
Tín hiệu setpoint từ BT AI0 RL0 Q0.4
Tín hiệu đọc tần số từ
BT AI1 RL1, RL2, RL3 Q0.5
3.3.2 Sơ đồ đấu dây các thiết bị ngõ vào/ra với bộ điều khiển PLC
Hình 3.4: Sơ đồ kết nối các thiết bị với ngõ vào và ngõ ra của PLC
Hình 3.5: Đấu nối cảm biến với PLC
Hình 3.6: Sơ đồ kết nối mạch chuyển đổi từ PWM sang
Hình 3.7: Sơ đồ kết nối mạch chuyển đổi từ tần số sang analog[0-10 VDC]
Hình 3.8: Sơ đồ đấu nối biến tần
Tính chọn thiết bị
3.4.1 Chọn bộ điều khiển PLC S7-1200
Tổng hợp lại hệ thống có số lượng ngõ vào ra như sau:
Tra theo tài liệu kỹ thuật của hãng Siemens (S7-1200 Programmable controller) thì PLC S7-1200 có một số dòng với số lượng ngõ vào ra theo bảng như sau
Bảng 3.4: Một số loại PLC S7-1200 và số lượng ngõ vào ra
STT PLC S7-1200 Số lượng ngõ vào ra
1 CPU1211C 6 DI, 4 DO, 2 AI (10VDC)
2 CPU1212C 8 DI, 6 DO, 2 AI (10VDC)
3 CPU1214C 14 DI, 10 DO, 2 AI (10VDC)
CPU1212C có số lượng ngõ vào ra là:
− 6 DO (ngõ ra DC hoặc ngõ ra Relay)
So sánh các ngõ vào, ngõ ra của hệ thống cần điều khiển và các ngõ vào ra của PLC thì ta có thể dùng loại PLC CPU1212C là phù hợp nhất Ta có thể dùng các PLC loại khác có nhiều ngõ vào ra hơn nhưng sẽ gây lãng phí PLC CPU1212C có các loại sau:
Trong đề tài chọn PLC CPU1212C DC/DC/DC
Hệ thống ổn định lưu lượng nước trong đề tài là điều khiển bơm ổn định trong tầm đo được từ tầm đo của cảm biến là 5-150 [L/min]
Theo bảng tham khảo của hãng bơm TECO:
Bảng 3.5: Bảng mã bơm và thông số kỹ thuật
Ta chọn bơm có mã G-31-40 có thông số sau:
Lựa chọn biến tần phù hợp thì nên lựa chọn biến tần có công suất lớn hơn hoặc bằng công suất của động cơ bơm
Theo trên nhãn thông số kỹ thuật của động cơ: 𝑃 đ𝑐 = 1hp = 0.75 kW Suy ra : 𝑃 𝑖𝑛𝑡 ≥ 0.75 kW
Từ datasheet của hãng Mitsubishi ta chọn dòng FR-E700
Bảng 3.6: Bảng tra thiết bị ngoại vi của biến tần Mitsubishi FR-E700
Từ bảng thiết bị ngoại vi ta chọn biến tần có công suất lớn hơn động cơ 1 cấp Động cơ 1hp → Biến tần 2hp
Vỡ biến tần ta chọn loại đầu vào là 3ứ220V, mà mạng lưới điện lại khụng cú điện 3ứ220V ,vậy nờn ta cấp vào biến tần điện ỏp 1ứ220V , khi cấp vào điện áp như thế thì công suất của biến tần sẽ giảm đi 25%
Vì vậy giải pháp tối ưu nhất là phải chọn công suất biến tần lớn hơn động cơ 1 cấp
Vậy ta chọn biến tần Mitsubishi FR-E720 1.5KW
Vì hệ thống chỉ có 1 bơm nên: dm
Ta chọn CB tổng có dòng I lớn hơn hoặc bằng I tt
Tham khảo bảng giá CB của hãng Chint:
Bảng 3.7: Bảng giá MCB Chint
Từ bảng tra giá của hãng Chint ta chọn CB có mã NXB-63 2P C6 6kA
3.4.5 Tính chọn dây cho mạch động lực
Tính chọn dây mạch động lực cho mỗi máy bơm Cách chọn tiết diện dây được tính theo công thức:
S: Tiết diện dây dẫn [ mm 2 ] J: Mật độ dòng điện cho phép[ /A mm 2 ] Đối với dây đồng thường khoảng 5 [ /A mm 2 ]
Ta có dòng định mức qua động cơ bơm đã tính là:
Suy ra tiết diện dây dẫn là:
= J = = [mm 2 ] Theo hãng Cadivi sản xuất các dây điện 3 pha có tiết diện như sau: Dây 3 lõi có: 1.5, 2.5, 4, 6…[mm 2 ]
Do đó ta chọn dây có tiết diện 1.5 [mm 2 ]
3.4.6 Tính chọn dây dẫn cho mạch điều khiển
Tính chọn dây mạch điều khiển cho hệ thống Cách chọn tiết diện dây được tính theo công thức:
Ta có bộ điều khiển PLC có điện áp là 24VDC, 2A:
= J = = [mm 2 ] Theo hãng Cadivi sản xuất các dây điện có tiết diện như sau:
Do đó ta chọn dây có tiết diện 0.5 [mm 2 ]
Bộ Điều khiển PID Trên Biến Tần
Giới thiệu về PID trên biến tần
Bộ điều khiển PID là sự kết hợp của ba thông số: tỷ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D) Bộ điều khiển này được sử dụng rộng rãi để điều khiển các hệ thống như lưu lượng, áp suất và nhiệt độ Nó hoạt động bằng cách so sánh giá trị đầu vào với giá trị phản hồi và tính toán lỗi Sau đó, bộ điều khiển điều chỉnh tần số đầu ra của biến tần để giảm lỗi.
Hình 4.1: Giới thiệu bộ PID trên biến tần
Sơ đồ đấu nối biến tần
Hình 4.2: Sơ đồ đấu nối biến tần
❖ Giải thích nguyên lý hoạt động
• Biến tần chạy PID để điều khiển ổn định lưu lượng
• PLC đóng vai trò là kích cho biến tần chạy và đọc các giá trị Setpoint từ biến tần và đọc lưu lượng bên ngoài
• Sau đó PLC chạy chương trình con kích Relay (RL1,RL2,RL3) các tiếp điểm sẽ thay đổi trạng thái cho phép chạy PID biến tần
• Biến trở dùng để thay đổi giá trị setpoint cho biến tần [0-10vdc] tương ứng [5-150lp]
• PLC đọc tín hiệu từ cảm biến và sẽ tính toán chuyển đổi từ L/min sang [0-100%] PWM mạch chuyển chuyển đổi thành [0-10v] đưa vào chân 4 (biến tần)
• Khi đó chân 4 sẽ thành tín hiệu hồi tiếp cho Biến tần do PLC đọc cảm biến bên ngoài đổ tín hiệu vào
Rơle 1 đóng hai tiếp điểm RL, RM của biến tần Tiếp điểm RL đóng cho phép chạy tần số đã cho bộ PID, tiếp điểm RM đóng khi nhận tín hiệu hồi tiếp chân 4 với e = (SV - PV).
Chương Trình Điều Khiển
Lưu đồ giải thuật
5.1.1 Lưu đồ giải thuật chương trình chính
Lưu đồ giải thuật của chương trình main của hệ thống ổn định lưu lượng:
Khởi đầu, ta sẽ đấu nối các thiết bị theo sơ đồ kết nối các thiết bị ở chương 3 Sau đó, ta sẽ cài đặt các thông số phù hợp cho biến tần (được liệt kê ở chương 4) Cuối cùng, cài đặt các thông số cần thiết cho các khối chức năng HSC, PWM như trong chương 2 đã hướng dẫn Ta cũng sẽ thêm khối ngắt Cyclic Interrupt để đảm bảo việc xử lý PID hoàn thiện hơn
Sau đó, hệ thống sẽ vào chu trình lặp không dừng Hệ thống sẽ nhận các tín hiệu điều khiển từ các nút nhấn trên tủ và màn hình HMI Dựa vào tín hiệu điều khiển mà xuất tín hiệu điều khiển biến tần phù hợp và hiển thị đèn để dễ dàng theo dõi, giám sát
Khởi tạo khối HSC, khai báo ngõ vào cảm biến I0.0 Khởi tạo khối PWM, khai báo ngõ ra PWM Q0.0 Cài đặt các thông số cần sử dụng cho biến tần Khai báo ngắt Cyclic interrupt Cài đặt các thông số Parameter của biến tần
Nhận tín hiệu điều khiển từ màn hình HMI và nút nhấn trên tủ.
Xuất tín hiệu điều khiển biến tần và hiển thị trạng thái lên đèn trên tủ.
Hình 5.1: Lưu đồ giải thuật chương trình chính
5.1.2 Lưu đồ giải thuật của chương trình ngắt
Chương trình ngắt dùng để tối ưu hoá khả năng xử lý tín hiệu từ cảm biến Cứ mỗi 10ms thì tín hiệu cảm biến sẽ được đọc và chuyển đổi thành giá trị lưu lượng (L/min) Sau đó, sẽ kiểm tra hệ thống đang chạy theo chế độ nào Nếu hệ thống đang chạy chế độ PID PLC (MODE=0), hệ thống sẽ gọi chương trình con PID PLC Ngược lại, nếu hệ thống chạy chế độ PID biến tần (MODE=0), sẽ gọi chương trình con PID VFD
Xử lý tín hiệu cảm biến
Hình 5.2: Lưu đồ giải thuật chương trình ngắt
5.1.3 Lưu đồ giải thuật chương trình con xử lý tín hiệu cảm biến
Chương trình con đọc tín hiệu từ cảm biến gồm các thông số đã cài đặt trước tại bộ HSC, thời gian lấy mẫu 10ms, loại đếm là tần số và dữ liệu đếm được lưu vào bộ nhớ tạm tại địa chỉ ID1000 Từ đó, giá trị biến F sẽ bằng giá trị được lưu trữ tại địa chỉ ID1000 Tính toán lưu lượng thực tế chảy qua đường ống dựa trên công thức quy đổi lưu lượng được cung cấp bởi cảm biến lưu lượng Lưu lượng này được biểu thị bằng Q (L/min) và được trả về giá trị (PV) cho bộ PID PLC.
Hình 5.3: Lưu đồ giải thuật chương trình xử lý tín hiệu cảm biến
5.1.4 Lưu đồ giải thuật chương trình con kiểm tra nút nhấn
Chương trình kiểm tra nút nhấn sẽ kiểm tra nút nhấn nào được nhấn thì sẽ SET chế độ chạy theo nút được nhấn
Nhấn nút START, biến RUN=1 và hệ thống sẽ hoạt động, cho đến khi nhấn nút STOP, biến RUN sẽ về 0, hệ thống dừng Với nút SWITCH trên HMI, ở vị trí thường đóng (SWITCH=0) sẽ chạy chế độ PID PLC Khi nhấn nút SWITCH sẽ thay đổi, SWITCH=1 chạy chế độ PID biến tần
Switch chuyển MODE trên HMI
Hình 5.4: Lưu đồ giải thuật chương trình kiểm tra nút nhấn
5.1.5 Lưu đồ giải thuật chương trình con sử dụng bộ điều khiển PID PLC
Trong chương trình xử lý bộ PID PLC, giá trị mong muốn được nhập vào dưới dạng SETPOINT Nếu chế độ MODE được đặt thành 0 (chạy PID PLC), hệ thống sẽ tiếp tục xử lý Ngược lại, hệ thống sẽ thoát khỏi chương trình.
Nếu MODE=0, hệ thống sẽ kiểm tra SETPOINT có nhỏ hơn 0 hay không (nếu SETPOINT âm, chiều dòng nước bị đảo chiều) Nếu có thì sẽ cho SETPOINT = 0, nếu không thì bỏ qua bước này để xử lý tiếp Sau đó kiểm tra lớn hơn 150 hay không (max lưu lượng của bơm là 150L/min) Nếu lớn hơn sẽ giới hạn lại bằng 150, nếu không thì bỏ qua mà xử lý tiếp
Sau khi kiểm tra SETPOINT hợp lệ với các yêu cầu đưa ra, hệ thống sẽ truyền thông số này đến đầu vào Setpoint của bộ PID, kết hợp với giá trị lưu lượng thực đang chạy, xuất ra giá trị output điều khiển Ta chuyển đổi trong khối PID Compact xuất ra giá trị 0 – 100% công suất, từ đó đưa vào khối xuất xung PWM để xuất xung PWM sang mạch chuyển đổi PWM to Analog, rồi đưa vào biến tần điều khiển bơm
Sai Đưa Setpoint vào chân Setpoint bộ PID Compact Đưa Q vào chân Input bộ PID Compact Chuyển đổi giá trị đưa vào 0 – 150 L/min → 0 – 100%
Hình 5.5: Lưu đồ giải thuật chương trình sử dụng bộ điều khiển PID của
5.1.6 Lưu đồ giải thuật chương trình con sử dụng bộ điều khiển PID VFD
Với chương trình điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID VFD, ta sẽ kích thêm ngõ ra Q0.5 để kích hoạt bộ Relay chuyển mạch Thay vì ta trực tiếp đưa giá trị lưu lượng thực (Q) đang chạy trong đường ống vào khối PID Compact như với chương trình sử dụng bộ điều khiển bộ PLC, ta phải chuyển đổi Q thành giá trị PWM, sau đó qua mạch chuyển PWM to Analog để đưa vào chân nhận tín hiệu trả về của bộ PID biến tần (chân 4)
Chuyển đổi giá trị cảm biến
0 - 150 L/min → 0 – 100% PWM Kích ngõ ra Q0.5 để kích hoạt chế độ PID của biến tần
Hình 5.6: Lưu đồ giải thuật chương trình sử dụng bộ điều khiển PID của biến tần
5.1.7 Lưu đồ giải thuật chương trình con xuất xung PWM
Trong chương trình xuất xung PWM, ta sẽ kiểm tra hệ thống đang chạy ở chế độ nào:
75 Đối với chế độ PID PLC, xung PWM sẽ được xuất ra theo giá trị Output của bộ PID Compact (0 – 100%), qua mạch chuyển đổi điều khiển tần tần số được đưa vào bơm Đối với chế độ PID biến tần, giá trị được lựa chọn để xuất xung PWM là giá trị lưu lượng thực đang chạy trong đường ống Vì biến tần không thể đọc được tín hiệu xung nên PLC sẽ đọc, chuyển đổi giá trị xung đó thành xung PWM, sau đó truyền đến mạch chuyển đổi PWM to Analog để biến tần đọc được nhưng để bộ PID biến tần hoạt động đúng thì phải đưa vào chân đọc tín hiệu trả về cho bộ PID là chân 4
Xuất PWM theo Out PID PLC
Chuyển đổi giá trị cảm biến
0 - 150 L/min → 0 – 100% PWM Xuất xung PWM theo %PWM
Hình 5.7: Lưu đồ giải thuật chương trình con xuất xung PWM
5.1.8 Lưu đồ giải thuật các ngõ ra
Khi RUN=0 (hệ thống dừng), đèn START và E-STOP sẽ tắt, đèn STOP sáng Ngõ ra Q0.4 (Kích biến tần chạy) và Q0.5 (bộ Relay chuyển) ngừng kích
Khi nhấn START (RUN=1), đèn START sáng, đèn E-STOP và đèn STOP tắt
Khi MODE=0 (chế độ PID PLC), PLC sẽ chỉ kích Q0.4 để kích biến tần chạy
Khi MODE=1, PLC kích Q0.4 và Q0.5 để chạy chế độ PID biến tần
Tắt đèn STOP, E-STOP Bật đèn START Kích Q0.4 nhưng không kích Q0.5
Tắt đèn STOP, E-STOP Bật đèn START Kích Q0.4 và Q0.5 Sai Sai
Hình 5.8: Lưu đồ giải thuật các ngõ ra
Chương trình điều khiển
5.2.1 Khối khởi tạo HSC và PWM
5.2.3 Chương trình xử lý tín hiệu cảm biến
5.2.6 Chương trình xuất xung PWM
5.2.7 Chương trình kiểm tra nút nhấn
5.2.8 Setpoint biến tần hiển thị HMI
5.2.9 Khối đọc tần số biến tần lên PLC
Vận Hành Mô Hình Và Kết Quả Đạt Được
Hướng dần vận hành mô hình
6.1.1 Ngoại quan ngoài tủ điều khiển
Hình 6.1: Ngoại quan tủ điều khiển
Bước 1: Cấp nguồn vào hệ thống điện áp 220VAC ở bên ngoài tủ điều khiển
Các đèn báo Màn hình
Bước 2: Bật CB tổng trong tủ điều khiển
Bước 3: Chờ cho màn HMI sáng lên rồi tiến hành chọn vào cài các thông số
Bước 4: Tiến hành lựa chọn chế độ vân hành:
Chế độ 1: Chế độ chạy sử dụng PID trên PLC:
Khi ta đã chọn vào nút PID PLC trên màn hình, thì màn hình sẽ xuất hiện ra ra giao diện kế tiếp cho phép người cài giá trị setpoint
Tiếp đến nhấn Start để hệ thống hoạt động, trong quá trình hoạt động ta đóng mở các van để hạn chế dòng chảy trong đường ống để xem đáp ứng của hệ thống có tốt hay không
Sau khi đóng lần lượt từng van ta theo dõi giá trị lưu lượng từ lưu lượng kế
Nút Start, Stop Biểu đồ hệ thống
Tần số từ biến tần
Chế độ 2: Chế độ chạy sử dụng PID trên biến tần:
Sau khi click vào PID VFD thì HMI sẽ hiện ra giao diện giống như giao diện của PID trên PLC Ở giao diện ngày người dùng không trực tiếp cài giá trị lưu lượng trên HMI mà phải cài biến trở trên tủ
Vặn biến trở trên tủ để thay đổi lưu lượng
Sau khi điều chỉnh biến trở hồi tiếp và nhấn nút khởi động hệ thống, hệ thống sẽ bắt đầu hoạt động Lúc này, người vận hành có thể theo dõi giá trị lưu lượng thực tế trên màn hình HMI và lưu lượng kế, tương tự như khi vận hành trên hệ thống PLC.
Dừng khẩn cấp Dừng Chạy
LƯU Ý : Ta có thể nhấn chạy bằng nút Start trên HMI hoặc nút vật lý trên tủ
Trường hợp xảy ra sự cố ta nhấn nút E_Stop dừng khẩn cấp cho toàn bộ hệ thống.
Kết quả đạt được
Hình 6.2: Mặt trước (mặt chính) của mô hình
Hình 6.3: Mặt sau của mô hình
Hình 6.4 : Giao diện điều khiển từ bên ngoài sảnh
Hình 6.5: Giao diện điều khiển PID trên PLC
Hình 6.6: Giao diện điều khiển PID trên Biến tần
Kết luận
Đồ án của em đã hoàn thành đúng với tiến độ đề ra, đáp ứng được cơ bản các yêu cầu đặt ra trong nhiệm vụ thiết kế Trong quá trình nghiên cứu và làm đồ án, em đã đạt một số kết quả:
Tính toán, chọn thiết bị và thiết kế thành công tủ điện điều khiển cho hệ thống
Nắm được những kiến thức cơ bản về Wincc Biết cách dùng phần mềm TIA Portal + Wincc để tạo giao diện điều khiển, giám sát hệ thống tự động cho màn hình máy tính
Hiểu được nguyên lý hoạt động của hệ thống Cách vận hành, giám sát điều khiển một hệ thống.
Điểm còn hạn chế
− Do chưa có kinh nghiệm nên việc lựa chọn thiết bị cho hệ thống chưa được tốt về mặt công năng cũng như giá thành
− Chương trình điều khiển chưa được tối ưu nhất
− Hệ thống giám sát còn sơ sài, chưa tối ưu hoá tối đa khả năng giám sát và điều khiển
− Vẫn còn sai số về nhiệt độ đáp ứng, thời gian xác lập còn chậm
− Kích thước mô hình còn cồng kềnh chưa nhỏ gọn.