Đồ án hệ điều khiển và giám sát: Xây dựng hệ giám sát, điều khiển ổn định áp suất và cảnh báo áp suất trên đường ống với dải đo: 0 ÷ 5bar.

LỜI NÓI ĐẦU 6 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN 7 1.1.Mục đích. 7 1.2. Phương pháp đo. 8 1.3. Tìm hiểu về đối tượng điều khiển. 9 1.4.Tìm hiểu về bộ điều khiển PLC s7300. 11 1.4.1.Phương pháp PID 12 1.4.2.Các phương pháp xác định các tham số của bộ PID 13 1.4.3.Các bước tổng hợp bộ điều khiển PID 16 1.5.Tìm hiểu về HMI( WinCC). 16 CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG 19 2.1. Lựa chọn thiết bị. 19 2.1.1. Biến tần MM440 19 2.1.2. Cáp kết nối RS485 22 2.1.3. Động cơ không đồng bộ 3 pha 24 2.2. Xây dụng sơ đồ khối, sơ đồ đấu dây 27 2.3.Sơ đồ thuật toán hệ thống. 29 2.4.Xây dựng phần mềm. 31 2.5.Thiết kế giao diện HMI. 35 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ ĐỀ TÀI 36 3.1.kết quả nghiên cứu lý thuyết. 36

LỜI NÓI ĐẦU 6

CHƯƠNG I TỔNG QUAN 7

1.1.Mục đích 7

1.2 Phương pháp đo 8

1.3 Tìm hiểu về đối tượng điều khiển 9

1.4.Tìm hiểu về bộ điều khiển PLC s7-300 11

1.4.1.Phương pháp PID 12

1.4.2.Các phương pháp xác định các tham số của bộ PID 13

1.4.3.Các bước tổng hợp bộ điều khiển PID 16

1.5.Tìm hiểu về HMI( WinCC) 16

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG 19

2.1 Lựa chọn thiết bị 19

2.1.1 Biến tần MM440 19

2.1.2 Cáp kết nối RS485 22

2.1.3 Động cơ không đồng bộ 3 pha 24

2.2 Xây dụng sơ đồ khối, sơ đồ đấu dây 27

2.3.Sơ đồ thuật toán hệ thống 29

2.4.Xây dựng phần mềm 31

2.5.Thiết kế giao diện HMI 35

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ ĐỀ TÀI 36 3.1.kết quả nghiên cứu lý thuyết 36

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN

Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt NamĐộc lập - Tự do - Hạnh phúc

ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÔN: HỆ ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT

Giảng viên hướng dẫn : NGUYỄN BÁ KHÁ

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Văn Luật

Trần Ngọc Tùng

Lớp : Điện 2-k7

Đề bài 4: Xây dựng hệ giám sát, điều khiển ổn định áp suất và cảnh báo áp suất

trên đường ống với dải đo: [0 ÷ 5]bar

Trong đó:

PC: Máy tính điều khiển và giám sát

Bộ ĐK: Trạm điều khiển (PLC, VXL…)

Bảng điều khiển tại chỗ

 Các nút ấn START, STOP: để khởi động và dừng hệ thống,

 Đèn RUN; Báo hệ thống làm việc,

ống

Cảm biếnBiến tần

 Đèn TLA: cảnh báo mức thấp,

 Đèn THA: cảnh báo mức cao

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, con người cùng với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiêntiến của thế giới, chúng ta đã và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đạihơn

Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với cácđặc điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ…là những yếu tốrất cần thiết góp phần cho hoạt động của con người đạt hiệu quả ngày càng caohơn

Tự động hóa đang trở thành một ngành khoa học đa nhiệm vụ Tự động hóa

đã đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng của các ngành, lĩnh vực khác nhaucho đến nhu cầu thiết yếu của con người trong cuộc sống hàng ngày Một trongnhững sản phẩm tiên tiến của nó là biến tần.Ứng dụng rất quan trọng của ngànhcông nghệ tự động hóa là việc điều khiển tốc độ động cơ bằng việc thay đổi tần

số với độ chính xác rất cao, với những thiết bị điều khiển từ xa rất tinh vi vàđạt được năng suất, kinh tế thật cao

Xuất phát từ những ứng dụng đó, chúng em xin phép được thiết kế một mạchứng dụng của biến tần đó là “xây dựng hệ giám sát, điều khiển ổn định áp suất

và cảnh báo áp suất trên đường ống” dùng PLC điều khiển biến tần

Đầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trong

khoa điện đặc biệt là giảng viên Nguyễn Bá Khá- giảng viên khoa điện trường

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI người đã trực tiếp giảng dạy và cho emkiến thức để hoàn thành đồ án môn học này Em kính mong thầy giáo góp ý để

em hoàn thành đồ án này được tốt hơn sau này

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo!Sinh viên thực hiện

CHƯƠNG I TỔNG QUAN

1.1.Mục đích.

Sự phát triển của PLC đã đem lại nhiều thuận lợi và làm cho các thao tácmáy trở nên nhanh, nhạy, dễ dàng và tin cậy hơn Nó có khả năng thay thếhoàn toàn cho các phương pháp điều khiển truyền thống dùng relay; khả năngđiều khiển thiết bị dễ dàng và linh hoạt dựa trên việc lập trình trên các lệnhlogic cơ bản; giải quyết các vấn đề toán học và công nghệ;

Biến tần (Inverter, Variable Speed Drive – VSD) là thiết bị dùng để điềukhiển tốc độ động cơ dựa trên sự thay đổi tần số làm việc Trên thế giới hiệnnay, biến tần được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp Ngoài ý nghĩa về mặtđiều khiển, nó còn có nhiều chức năng khác như khởi động mềm, hãm, đảochiều, điều khiển thông minh… Trong đa số trường hợp, việc sử dụng biến tầncòn mang lại hiệu quả kinh tế (tiết kiệm điện năng tiêu thụ) Biến tần đượcứng dụng nhiều cho các động cơ có yêu cầu về thay đổi tốc độ như: bơm, quạt,băng tải, thang máy…

 Lý do chọn đề tài

Các trạm bơm cung cấp nước với công suất lớn thường được sử dụngtrong khu công nghiệp, khu dân cư, các chung cư, khác sạn và tòa nhà caotầng, hệ thống phân phối nước sạch trong mạng lưới cấp nước sinh hoạt, cáctrạm cấp nước nông thông… Các trạm bơm nước phổ biến hiện nay đều đượcthiết kế theo phương pháp truyền thống với đặc điểm là các bơm được khởiđộng trực tiếp sao/ tam giác và tất cả các động cơ đều hoạt động ở tốc độ định

mức Phương pháp này có nhược điểm chính là tổn hao điện năng lớn và khókiểm soát được áp suất trong đường ống nước.

Trên cơ sở những kiến thức được trang bị trên ghế nhà trường, dựavào những tính năng ưu việt của PLC và biến tần Em xin được lựa chọn đề tài

“Điều khiển và giám sát hệ thống bơm ổn định áp suất” với những chức năng

cơ bản giống với một hệ thống biến tần đa bơm

 Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu của đề tài là ổn định áp suất trong đường ống ở một ngưỡngđặt trước thông qua sự điều khiển của PLC đối với biến tần, hệ thống bơm dựatrên tín hiệu mà cảm biến áp suất trong đường ống đưa về

 Ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài

Điều khiển tự động là xu thế phát triển tất yếu trong các lĩnh vực côngnghiệp cũng như sinh hoạt bởi những ưu điểm vượt trội của nó Ở các hệthống điều khiển tự động có quy mô vừa và lớn thì PLC được sử dụng làmthiết bị điều khiển cho toàn hệ thống

Kết hợp xây dựng một hệ thống điều khiển tự động với các thiết bị điện

tử công suất có ý nghĩa khoa học lớn trong việc xây dựng một hệ thống tựđộng hoàn chỉnh cả về chức năng lẫn hiệu quả kinh tế Đề tài “ Điều khiển vàgiám sát hệ thống bơm ổn định áp suất ” xây dựng mô hình kết hợp PLC vớibiến tần để ổn định áp suất nước trong đường ống một cách tối ưu nhất

Về mặt thực tiễn, đề tài đi theo hướng phát triển mới cho các hệ thốngcung cấp nước cho các tòa nhà, khu dân cư…, khắc phục được các nhược điểmtrong hệ thống cung cấp nước cũ

1.2 Phương pháp đo.

Các trạm bơm nước phổ biến hiện nay đều được thiết kế

có tối thiểu 2 bơm, cùng cấp nước vào một đường ống chính.

- Các bơm được khởi động trực tiếp hoặc sao/tam giác và tất cả cácđộng cơ đều hoạt động ở tốc độ định mức

- Trong quá trình trạm bơm hoạt động, thường luôn luôn để mộtbơm ở chế độ dừng (mang tính dự phòng)

- Thay đổi góc mở các van (van tay hoặc van điện) trong trườnghợp sự thay đổi áp lực ở khoảng cho phép

- Trường hợp áp lực vẫn thiếu hoặc thừa ta có thể ngắt hoặc đóngthêm bơm (có thể là một hoặc nhiều bơm)

- Việc thay đổi áp suất trên đường ống bằng valve hay tắt/mở cácbơm có các nhược điểm:

- Các bơm vẫn chạy đầy tải và liên tục, điều này gây lãng phí nănglượng điện vì có những thời điểm nhu cầu sử dụng nước

- giảm xuống thì bơm chỉ cần chạy

- 50 ÷ 60 % công suất là đã đáp ứng được

- Việc vận hành khó khăn và tốn chi phí nhân công vì phải cần côngnhân vận hành trực tiếp điều khiển góc mở valve hoặc tắt mở bơm

- Các bơm phải chạy liên tục dẫn đến giảm tuổi thọ phần cơ khí

- Khi thay đổi hệ thống hoặc nhu cầu sử dụng nước tăng lên, chi phíđầu tư sẽ tăng lên

- do phải tăng số lượng bơm

- Khó kiểm soát áp lực nước làm ảnh hưởng tuổi thọ của đường ống,ảnh hưởng tuổi thọ các mối nối

1.3 Tìm hiểu về đối tượng điều khiển.

Đối tượng chính điều khiển trong đồ án này là Cảm biến áp suất

 Định nghĩa

- Cảm biến được định nghĩa như một thiết bị dùng để biến đổi các đại lượngvật lý và các đại lượng không điện cần đo thành các đại lượng có thể đo được(như dòng điện, điện thế, điện dung, trở kháng ) Nó là thành phần quan trọngnhất trong một thiết bị đo hay trong một hệ điều khiển tự động

Với đề tài này ta sử dụng cảm biến áp suất WiseP117RMT1S04BCN

Hình 1.1 cảm biến áp suấtDải áp suất: 0 ~ 5 bar

Nguyên lý làm việc chung của các loại cảm biến áp suất là dựa trên cơ sởbiến dạng đàn hồi của các phần tử nhạy cảm với áp suất Sự biến dạng đànhồi đó sẽ làm di chuyển một bộ phận cơ học từ đó dẫn đến sự thay đổi củađiện trở, điện dung hay điện áp

1.4.Tìm hiểu về bộ điều khiển PLC s7-300.

Giới thiệu về PLC

- PLC ( Programmable Logic Controller ): Bộ điều khiển lập trình, PLCđược xếp vào trong họ máy tính, được sử dụng trong các ứng dụng côngnghiệp và thương mại

- PLC đặt biệt sử dụng trong các ứng dụng hoạt động logic điều khiển chuổi

sự kiện

- PLC có đầy đủ chức năng và tính toán như vi xử lý Ngoài ra, PLC có tíchhợp thêm một số hàm chuyên dùng như bộ điều khiển PID, dịch chuyển khối dữliệu, khối truyền thông,…

- PLC có những ưu điểm:

+ Có kích thước nhỏ, được thiết kế và tăng bền để chịu được rung động,nhiệt, ẩm và tiếng ồn, đáng tin cậy

+ Rẻ tiền đối với các ứng dụng điều khiển cho hệ thống phức tạp

+ Dễ dàng và nhanh chống thay đổi cấu trúc của mạch điều khiển

+ PLC có các chức năng kiểm tra lỗi, chẩn đoán lỗi

+ Có thể nhân đôi các ứng dụng nhanh và ít tốn kém

1.4.1.Bộ PID trong s7-300.

 Phương pháp PID

Tên PID là viết tắt của 3 thành phần cơ bản có trong bộ điều khiển

- P : phục vụ chính xác nhiệm vụ được giao

- I: tích phân làm việc có tính tích lũy kinh nghiệm để thực hiện tốt nhiệm vụ

- D: vi phân luôn có sáng kiến và phản ứng nhanh nhạy với thay đổi tìn huốngtrong quá trình thực hiện nhiệm vụ

Bộ điều khiển PID được sử dụng khá rộng rãi để điều khiển đối tượng theo nguyên tắc phản hồi

Hình 1.2 sơ đồ trong s7-300 Simems

Hình 1.3 Cấu trúc của bộ PID

Lý do được sử dụng rộng rãi là tính đơn giản của nó về cả cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc Bộ PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) của hệ trở về 0 sao cho quá trình quá độ thỏa mãn yêu cầu cơ bản về chất lượng

Nếu e(t) lớn thông qua khâu P tín hiệu điều chỉnh sẽ càng lớn

Nếu e(t) chưa bằng 0, qua khâu I vẫn còn tồn tại tín hiệu điều chỉnh( triệt tiêu sai lệnh tĩnh)

Nếu e(t) càng lớn thông qua khâu D phản ứng càng nhanh

Bộ điều khiển PÌD được mô tả bằng công thức:

1.4.2.Các phương pháp xác định các tham số của bộ PID

a)Phương pháp của Reinisch

Phương pháp thiết kế lý thuyết Reinisch dựa trên mô hình toán học của đối tượng

Mô hình động học của đối tượng được đưa về 2 dạng cơ bản là:

+Dạng khâu nguyên hàm với mô hình đặc trưng

+Dạng khâu động học có thành phần tích phân

b)Phương pháp thực nghiệm

Bảng 1.1:Ảnh hưởng của tham số PID tới bộ điều khiển

Cụ thể như sau:

Chỉ tiêu chất

lượng

Thay đổi tham số

Tín hiệu điều

khiển

Bền vững với

nhiễu đo

Nếu e(t) càng lớn thì thông qua thành phần tỉ lệ làm cho x(t) càng lớn ( vai trò của khâu P)

Nếu e(t) chưa bằng không thì thông qua thành phần tích phân , PID tạo tín hiệu điều chỉnh( vai trò của khâu I)

Nếu e(t) thay đổi lớn thì thông qua thành phần vi phân, pahrn ứng thích hợp x(t) càng nhanh ( vai trò của khâu D)

Dựa trên sơ đồ khối mà ta có được trên malap điều nay còn phải dựa trên kinh nghiệm của người lựa chọn thông số

c)Phương pháp Zlegier và Nichois

-Ziegler va Nichols đưa ra hai phương pháp thực nghiệm để xác định tham số bộ

điều khiển PID

+Phương pháp thứ nhất dùng mô hình xấp xỉ quán tính bậc nhất có trễ của đối tượng điều khiển:

+Phương pháp thứ hai không cần đến mô hình toán học của đối tượng nhưng chỉ

áp dụng cho một số lớp đối tượng nhất định

 Phương pháp Zieger-Nichols thứ nhất

Phương pháp này nhằm xác định các tham số Kp, Ki,Kd cho bộ điều khiển PID trên cơ sở xấp xỉ hàm truyền đạt thành khâu quán tính bậc nhất để hệ kín nhanh chóng về chế độ xác lập và độ quá điều chỉnh không quá 40%

 Phương pháp Zieger-Nichols thứ hai

Phương pháp này thay bộ điều khiển PID trong hệ kín bằng bộ khuyếch đại,sau đo tăng Kp cho đến khi hệ nằm ở biên giới ổn định tức là hệ kín trở thành khâu dao động điều hòa.Lúc đó ta có Kgh và chu kỳ của dao động đó là Tgh.Tham số cho

bộ điều khiển PID chọn theo bảng sau:

Bộ điềukhiển

PI 0,45.Kgh 0,83.Tgh

1.4.3.Các bước tổng hợp bộ điều khiển PID

-Bước 1: Xây dựng mô hình toán học đủ chính xác cho đối tượng điều khiển.Đây

còn gọi là bước nhận dạng mô hình đối tượng

-Bước 2: Đơn giản hóa mô hình

-Bước 3: Tuyến tính hóa mô hình

-Bước 4: Chọn bộ điều khiển thích hợp, ví dụ như bộ điều khiển P, PI, PD, hay PID và xác định các chỉ tiêu chất lượng mà hệ thống cần phải đạt được

-Bước 5: Tính toán thông số KP, TI, TD của bộ điều khiển PID Để thực hiện việc xác định thông số cho bộ điều khiển PID có rất mhiều phương pháp như kể trên, trong đó phương pháp thực nghiệm (phương pháp thứ hai của Zeigler- Nichols) là thông dụng nhất

-Bước 6: Kiểm tra bộ điều khiển PID vừa thiết kế bằng cách ghép nối với mô hình đối tượng điều khiển, nếu kết quả mô phỏng không được như mong muốn, phải thiết kế lại theo các bước từ 2 đến 6 cho đến khi đạt được kết quả mong muốn.-Bước 7: Đưa bộ điều khiển PID vừa thiết kế vào điều khiển đối tượng thực và kiểm tra quá trình làm việc của hệ thống Nếu chưa đạt kết quả yêu cầu, thiết kế lại bộ điều khiển theo các bước từ 1 đến 7 cho đến khi đạt được các chỉ tiêu chất lượng mong muốn

1.5.Tìm hiểu về HMI( WinCC).

Giới thiệu WinCC (Windows Control Center)

Các bước để tạo một Project trong WinCC

– Khởi động WinCC

– Tạo một Project mới

– Cài đặt Driver kết nối PLC

– Tạo các biến

– Tạo và soạn thảo một giao diện người dùng

– Cài đặt thông số cho winCC Runtime

Chạy chương trình (Activate

Khởi động WinCC

Nhấn nút Start – Simatic – WinCC – Windows Control Center

 Tạo một Project mới

Chọn Single-User

Project

Gõ tên Project vào project name

Hình 1.4 tạo project mới trong WinCC

 Cài đặt Driver kết nối PLC

Hình 1.5 Driver kết nối với PLCHộp thoại xuất hiện chọn Driver: OPC.chn

Hình 1.6.Hộp thoại Graphics Designer

Phải chuột vào TagManagement

Hình 1.7 màn hình Graphics Designer xuất hiện.

Trong màn hình này ta tạo các vùng liên kết, các nút nhấn và đồ thị hiển thị…

Và chỉnh sửa sao cho phù hợp với người dùng

a.Tổng quan về biến tần

- Biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều ở tần số này thành dòng điện xoay chiều ở tần số khác có thể điều chỉnh được

Hình 2.2 các loại biến tần của SimemsPhân loại biến tần:

- Biến tần máy điện

- Biến tần van

+ Biến tần trực tiếp

+ Biến tần gián tiếp

• Biến tần nguồn áp ( hay là bộ nghịch lưu nguồn áp)

• Biến tần nguồn dòng ( hay là bộ nghịch lưu nguồn dòng)

Ở đây ta xét đến biến tần nguồn áp

Cấu tạo của biến tần

 Bộ chỉnh lưu

 Bộ lọc

 Bộ nghịch lưu

Nguyên lý hoạt động của biến tần

Nguyên lý làm việc cơ bản của biến tần cũng khá đơn giản Đầu tiên, nguồnđiện xoay chiều 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều

bằng phẳng Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụđiện Nhờ vậy hệ số công suất cosФ của hệ biến tần đều có giá trị không phụthuộc vào tải và có giá trị ít nhất 0,96 Điện áp 1 chiều này được biến đổi(nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng Công đoạn này hiện nayđược thực hiện thông qua hệ IGBT (transistor lưỡng cực có cách ly) bằngphương pháp điều chế độ rung(PWM) Nhờ tiến độ công nghệ vi xử lí và côngnghệ bán dẫn lực hiện nay, tần số chuyển mạch xung có thể lên tới dải tần sốsiêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động cơ và giảm tổn thất trên lõi sắt động cơ.

b.Biến tần MM440

Với mô hình này em sử dụng biến tần MM440 của siemens

Thông số của MM440

- Tên : MICROMASTER 440

- Đầu vào: 3AC 380-480 V +10/-10%, 47-63 HZ

- Đối với điện áp vào 1 pha: 200V - 240V