Đồ án tốt nghiệp về thiết kế và thi công mô hình ổn định mức nước

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC GVHD: ThS... Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc ******* BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC

GVHD: ThS NGUYỄN TẤN ĐỜI SVTH: NGUYỄN VIỆT TUẤN MSSV: 11151212

SVTH: PHẠM ĐÌNH BÁCH MSSV: 11151191

Tp Hồ Chí Minh, tháng 1/2016

S K L 0 0 4 2 2 7

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƢỢNG CAO

Giảng viên hướng dẫn: ThS NGUYỄN TẤN ĐỜI ĐT:

Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động

1 Tên đề tài:

Thiết kế và thi công mô hình ổn định mức nước

2 Nhiệm vụ và nội dung:

 Thiết kế hệ thống điện mô hình

 Thiết kế giao diện điều khiển qua HMI

 Sử dụng biến tần DELTA và cảm biến siêu âm điều khiển máy bơm

Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

*******

BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hoá

Tên đề tài: Thiết kế và thi công mô hình ổn định mức nước

NHẬN XÉT

1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

*******

BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Giáo viên phản biện :

Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hoá

Tên đề tài: Thiết kế và thi công mô hình ổn định mức nước

NHẬN XÉT

1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

5 Đánh giá loại:

6 Điểm:……….(Bằng chữ: )

Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2016

Giáo viên phản biện

LỜI NÓI ĐẦU

Ở Việt Nam cũng như hầu hết các nước đang phát triển hiện nay trên thế giới đều hướng đến việc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước Với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật nên việc áp dụng các thành tựu của nó vào trong quá trình sản xuất từ lâu đã không còn xa lạ với con người Chính vì thế trong công nghiệp, tự động điều khiển đóng một vai trò rất quan trọng, nó nâng dần tính hiện đại hóa của công nghiệp đẩy nền công nghiệp từ thô sơ lên một nền đại công nghiệp mà đỉnh cao của nó là sự tự động hóa một cách hoàn toàn

Nhờ việc ứng dụng công nghệ tự động trong công nghiệp mà sức lao động của con người giảm đi rất nhiều nhờ đó mà năng suất lao động được tăng lên rất nhiều Con người ít phải quan tâm đến các vấn đề phụ như nhấn nút, canh thời gian hoạt động …

Và một người có thể làm công việc của nhiều người

Sau hơn bốn năm học tập ngành công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa tại trường Đại học sư phạm kỹ thuật TP Hồ Chí Minh, được sự chỉ bảo và giúp đỡ tận tình của quý thầy cô cùng những nhu cầu thiết thực ngoài thực tế nên đồ án tốt nghiệp này chúng em quyết định chọn đề tài: ―Thiết kế và thi công mô hình ổn định mức nước‖

Mô hình của chúng em được xây dựng dựa trên mục đích của đề tài Vì kiến thức, sự hiểu biết công nghệ còn hạn chế cũng như thời gian tìm hiểu, thực hiện nên chúng em chưa thể phát huy hết ý tưởng vào mô hình này Chúng em rất mong nhận được sự thông cảm của quý thầy cô

Đồ án―Thiết kế và thi công mô hình ổn định mức nước‖ chính là sự vận dụng tổng hợp kiến thức mà chúng em đã được học dưới sự giảng dạy của thầy cô Hơn nữa

đồ án cũng cho em thấy được cũng như hiểu được phần nào công việc của người cử nhân trong môi trường làm việc tương lai Tuy nhiên với những kiến thức còn hạn chế nên trong quá trình làm đồ án chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, sai phạm kính mong quý thầy cô góp ý, chỉ bảo để chúng em có thể hoàn thiện hơn

Bên cạnh sự nỗ lực, cố gắng, ý thức của bản thân mỗi người trong nhóm nhưng

để hoàn thành tốt đồ án này chúng em đã nhận được sự giúp đỡ của các thầy cô, các bạn đồng nghiệp và đặc biệt là thầy Nguyễn Tấn Đời Thầy đã tận tình, hướng dẫn, chỉ bảo những sai sót và những kinh nghiệm quý báu trong thực tế để giúp chúng em hoàn thành đề tài này một cách tôt nhất

Do đó lời cảm ơn đầu tiên chúng em xin chân thành gửi đến thầy Nguyễn Tấn Đời Kế đến chúng em xin cảm ơn quý thầy cô trong ngành Điện- Điện tử nói riêng và toàn thể quý thầy cô trường đại học sư phạm kỹ thuật TP Hồ Chí Minh nói chung đã truyền đạt kiến thức cho chúng em để chúng em có thể hoàn thành đồ án này một cách tốt nhất

Một lần nữa chúng em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i

BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ii

BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu đề tài 1

1.3 Nội dụng đề tài 2

1.4 Giới hạn của đề tài 2

1.5 Phương pháp, đối tượng nghiên cứu 2

1.5.1 Phương pháp nghiên cứu 2

1.5.2 Đối tượng nghiên cứu 2

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 Bộ điều khiển chính 4

2.1.1 Giới thiệu chung về PLC của hãng SIEMENS 4

2.1.2 PLC SIMATIC S7-200 CPU 224 5

2.1.3 Module chuyên dụng EM231 8

2.1.4 Module chuyên dụng EM232 10

2.1.5 Cổng truyền thông 12

2.1.6 Thực hiện chương trình 13

2.1.7 Cấu trúc chương trình 13

2.1.8 Các vùng nhớ của S7-200 14

2.2 Lý thuyết giải thuật điều khiển PID 15

2.2.1 Thuật toán điều khiển PID 15

2.2.2 Chức năng của các khâu trong bộ điều khiển PID 16

2.2.3 Phương pháp tính toán các thông số của bộ điều khiển PID 19

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 22

iv

3.1 Yêu cầu thiết kế 22

3.2 Thiết bị và thiết kế hệ thống 23

3.2.1 Khối nguồn cung cấp 23

3.2.2 Khối tín hiệu ngõ vào 23

3.2.3 Khối cơ cấu chấp hành 25

3.2.4 Khối điều khiển 33

3.2.5 Khối PLC 34

3.2.6 Các thiết bị khác 35

3.2.7Sơ đồ kết nối mô hình với PLC 36

3.2.8 Sơ đồ mạch động lực 38

3.3 Yêu cầu hoạt động của hệ thống 38

3.4 Lưu đồ chương trình 39

3.5 Cách lựa chọn thông số PID cho đề tài 40

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT VÀ THU THẬP DỮ LIỆU 41

4.1 Yêu cầu điều khiển và giám sát trên HMI 41

4.2 Cách kết nối với PLC 41

4.3 Cách thiết kế giao diện giám sát, điều khiển dùng HMI 42

4.3.1 Giới thiệu phần mềm thiết kế giao diện HMI 42

4.3.2 Cách sử dụng phần mềm DOPSOFT 42

4.3.3 Thiết kế giao diện HMI cho đối tượng 47

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ, THỰC NGHIỆM, PHÂN TÍCH, TỔNG HỢP 54

5.1 Kết quả mô hình cơ khí 54

5.2 Kết quả mô hình hệ thống điện 57

5.3 Vận hành 57

5.4 Kết quả điều khiển, giám sát với PLC S7-200 và HMI 58

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 63

6.1 Kết luận 63 6.2 Hướng phát triển 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

Hình 4.18: Màn hình điều khiển chính 53

iii

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC VIẾT TẮT

1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Đặt vấn đề

Hiện nay, sự nghiệp công nghiệp hóa hiện đại hóa ngày càng phát triển mạnh

mẽ, sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, trong đó kỹ thuật điều khiển tự động cũng góp phần rất lớn tạo điều kiện để nâng cao hiệu quả trong quá trình sản xuất Vì thế tự động hóa quá trình công nghệ đã thực sự phát triển và ứng dụng mạnh mẽ trong công nghiệp, cũng là sự lựa chọn tối ưu trong mọi lĩnh vực nhằm tạo ra sản phẩm chất lượng cao, tiết kiệm chi phí sản xuất tạo khả năng cạnh tranh mạnh mẽ trên thị trường

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

là hệ thống bồn chất lỏng, hệ thống bồn chất lỏng được hình thành với hệ thống bơm

và xả chất lỏng nhưngluôn giữ ổn định giá trị mức đặt trước, mức chất lỏng của bồn được duy trì ổn định,để làm được điều này thì đòi hỏi ta phải điều khiển lưu lượng chất lỏng từ máy bơm vào hệ thống bồn nước, làm mức chất lỏng trong bồn luôn giữ giá trị không đổi là giá trị đặt trước Việc điều khiển hệ thống này để giữ mức chất lỏng trong bồn là ổn định là tương đối khó, cần phải có sự đáp ứng nhanh để điều khiển máy bơm khi lưu lượng nước từ van xã thay đổi, vì vậy cần phải có những bộ điều khiển hiện đại, chính xác và đáng tin cậy PLC là một sự lựa chọn tốt nhất cho các ứng dụng trong công nghiệp với độ chính xác, ổn định và độ tin cậy cao

Với sự phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động hiện nay thì có nhiều cách để điều khiển mức chất lỏng của hệ thống bồn nước, nhưng ở đây chúng em sử dụng PLC

1.2 Mục tiêu đề tài

Sau khi xác định được đối tượng, chủ thể và giới hạn phạm vi nghiên cứu, việc xác định mục tiêu sẽ là bước quan trọng kế tiếp nhằm định hướng đúng đắn cho quy trình thực hiện đề tài Mục tiêu đề tài cụ thể được thể hiện như sau:

 Thiết kế, thi công hệ thống phần cứng gồm mối quan hệ giữa bồn nước, chất lỏng, cảm biến, hệ thống PLC, biến tần,bơm và màn hình giao tiếp HMI

 Lựa chọn thiết bị cho mô hình

Mức chất lỏng được đặt theo yêu cầu của người vận hành, sau đó hệ thống được cho phép hoạt động bằng nút nhấn START trên màn hình HMI Bơm sẽ bắt đầu hoạt động bơm chất lỏng từ bồn dướilên do biến tần điều khiển với điện áp có tần số lớn nhất là 60Hz và tần số sẽ giảm dầnđến khi mực chất lỏng bồn trên bằng giá trị mực chất lỏng được đặt, khi mực chất lỏng đã ổn định thì tần số được điều khiển bằng biến tần sẽ thay đổi khi lưu lượng nước từ 2 van xã thay đổi Hệ thống cứ hoạt động liên tục như vậy khi ta ấn nút STOP thì hệ thống sẽ dừng lại.

1.4 Giới hạn của đề tài

 Hệ thống được thực hiện bằng mô hình đơn giản

 Đề tài chỉ tập trung vào việc ổn định mức chất lỏng

 Chất lỏng cung cấp cho hệ thống chỉ là nước

1.5 Phương pháp, đối tượng nghiên cứu

1.5.1 Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện đề tài nhóm đã tham các tài liệu trong sách, trên internet và dựa trên hệ thống,yêu cầu thực tế để xây dựng lại mô hình đáp ứng được những yêu cầu đó Các bước nhóm thực hiện:

 Đề ra mục tiêu và hướng đi cụ thể

 Thiết kế hệ thống đáp ứng được các yêu cầu đã đề ra

 Nghiên cứu các tài liệu liên quan

 Hoàn thành từng thành phần riêng lẻ

 Tích hợp thành một hệ thống hoàn chỉnh

 Viết chương trình điều khiển, giám sát

1.5.2 Đối tượng nghiên cứu

 PLC S7-200 Siemens

 Biến tần DELTA

 Màn hình HMI DELTA BO7S411 với phần mềm DOPSOFT

3

 Các thiết bị cảm biến siêu âm Carlo gavezzi, máy bơm nước ly tâm 3 pha

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Bộ điều khiển chính

2.1.1 Giới thiệu chung vềPLC của hãng SIEMENS

PLC (Programmable Logic Controller) là bộ điều khiển lập trình, PLC được xếp vào trong họ máy tính, được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp và thương mại PLC có đầy đủ chức năng và tính toán như vi xử lý Ngoài ra, PLC có tích hợp thêm một số hàm chuyên dùng như bộ điều khiển PID, dịch chuyển khối dữ liệu, 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 chóng 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

Một PLC gồm có những phần cơ bản sau:

 Bộ nguồn: cung cấp nguồn thiết bị và các module mở rộng được kết nối vào

 CPU: thực hiện chương trình và dữ liệu để điều khiển tự động các tác vụ hoặc quá trình

 Vùng nhớ

 Các ngõ vào/ra: gồm có các ngõ vào/ra số, vào/ra tương tự Các ngõ vào dùng

để quan sát tín hiệu từ bên ngoài đưa vào (cảm biến, công tắc), ngõ ra dùng để điều khiển các thiết bị ngoại vi trong quá trình

 Các cổng/module truyền thông (CP: Communication Professor): dùng để nối CPU với các thiết bị khác để kết nối thành mạng, xử lý thực hiện truyền thông giữa các trạm trong mạng

 Các loại module chức năng (FM: Function Module) Ví dụ các module điều khiển vòng kín, các module thực hiện logic mờ…

5

Cấu trúc bên trong của PLC:

Hình 2.1: Cấu trúc của PLC 2.1.2PLCSIMATICS7-200 CPU 224

S7-200 là thiết bị điều khiển logic khả trình loại nhỏ của hãng SIEMENScó cấu

trúc theo kiểu Module và có các module mở rộng Các module này đƣợc sử dụng cho nhiều ứng dụng lập trình khác nhau Thành phần cơ bản của S7-200 là khối vi xử lý CPU-224

Sơ đồ 2.1:Sơ đồ khối của PLC

 Số đầu vào,ra số cực đại (sử dụng Module mở rộng): 168

 Số đầu vào/ra tương tự (sử dụng ModuleAnalog mở rộng):28AI/14AO

 Kích thước: Rộng x Cao x Sâu: 120.5 x 80 x 62

Sơ đồ 2.2: Các cổng vào ra của PLC

Các chế độ làm việc của CPU 224:

 RUN: Khi PLC thực hiện chương trình từng bộ nhớ, PLC sẽ chuyển từ RUN

sang STOP nếu trong máy có sự cố hoặc trong chương trình gặp lệnh STOP

 STOP: Cưỡng bức PLC dừng chương trình đang chạy và chuyển sang chế độ

 RUN (đèn xanh): Đèn xanh RUN chỉ định PLC đang ở chế độ làm việc và thực

hiện chương trình được nạp vào trong máy

 STOP (đèn đỏ): Đèn đỏ STOP chỉ định rằng PLC đang ở chế độ dừng chương

trình và đang thực hiện lại