Báo cáo thực tập tự động hóa tại phòng thí nghiệm tự động hóa Trường Đại học Mỏ Địa Chất

MỤC LỤC Phần I. Tổng quan về phòng thí nghiệm tự động hóa : 4 Phần II. Các công việc thực hiện trong quá trình thực tập 10 1. Tìm hiểu mô hình điều khiển hệ thống trạm bơm: 10 1.1. Những thiết bị chính của mô hình: 10 1.2. sơ đồ nguyên lý của mô hình: 17 1.3. nguyên lý hoạt động 18 2. Tìm hiểu mô hình điều khiển áp suất : 22 2.1.sơ đồ nguyên lý mô hình 22 2.2. nguyên lí hoạt động 24 2.3. Cải tiến và mở rộng bài toán: 25 Phần III. Kết quả thu được 26

MỤC LỤC

Phần I Tổng quan về phòng thí nghiệm tự động hóa : 4

Phần II Các công việc thực hiện trong quá trình thực tập 10

1 Tìm hiểu mô hình điều khiển hệ thống trạm bơm: 10

1.1 Những thiết bị chính của mô hình: 10

1.2 sơ đồ nguyên lý của mô hình: 17

1.3 nguyên lý hoạt động 18

2 Tìm hiểu mô hình điều khiển áp suất : 22

2.1 sơ đồ nguyên lý mô hình 22

2.2 nguyên lí hoạt động 24

2.3 Cải tiến và mở rộng bài toán: 25

Phần III Kết quả thu được 26

LỜI NÓI ĐẦU

Là một sinh viên ngành kỹ thuật chuẩn bị ra trường, quá trình thực tập là một cơ hôi đểtiếp xúc với công việc sắp tới và định hướng cho mình những bước sau khi ra trường Quátrình thực tập cũng là một thử nghiệm trong quá trình tìm việc sau này Áp dụng nhữngkiến thức được học trong trường để bước đầu thực hiện, nghiên cứu một dự án hoàn chỉnh

và có thêm những hiểu biết về công việc sau này

Trong quá trình thực tập, được sự giúp đỡ và tạo điều kiện của thầy Nguyễn Chí Tìnhcũng như phòng thí nghiệm bộ môn tự động hóa trường đại học Mỏ - Địa chất, em đãđược tiếp xúc với các mô hình thực nghiệm hiện đại, các thiết bị tự động hóa từ đó môphỏng và thực hiện các bài toán sẽ gặp trong tương lai

Do nhận thức và trình độ còn hạn hẹp nên bài viết không tránh khỏi thiếu sót, em xinnhận được ý kiến và đóng góp của các thầy cô để nâng cao kiến thức và phục vụ cho quátrình làm việc sau này

Em xin chân thành cảm ơn !

Báo cáo thực tập của em gồm 3 phần chính:

Phần 1: tổng quan về phòng thí nghiệm bộ môn tự động hóa trường đại học Mỏ Địa ChấtPhần 2: các công việc thực hiện trong quá trình thực tập

Phần 3: kết quả thu được sau quá trình thực tập

Phần I Tổng quan về phòng thí nghiệm tự động hóa :

Địa chỉ: Tầng 1,2 nhà B2 – khu A, Trường Đại học Mỏ - Địa Chất,

Số 18 Phố Viên, P.Đức Thắng, Q.Bắc Từ Liêm, TP.Hà Nội

Các phòng thí nghiệm của Bộ môn Tự động hóa xí nghiệp Mỏ - Dầu khí là một trongnhững tổ hợp phòng thí nghiệm được xây dựng nhằm tổ chức triển khai các hoạt động đàotạo thực hành, thí nghiệm, nghiên cứu khoa học mang tính hiện đại, tính chiến lược thuộclĩnh vực Tự động hóa trên cơ sở bám sát các mục tiêu đào tạo, định hướng nghiên cứu,yêu cầu của thực tiễn sản xuất và nhu cầu nguồn nhân lực chất lượng cao của xã hội Nhóm các Phòng thí nghiệm đã và đang triển khai xây dựng từ thời kỳ đầu thành lập Bộmôn năm 2002 đến nay gồm có:

Phòng thí nghiệm Tự động hóa 01 (Xây dựng từ năm 2002)

Phòng thí nghiệm Tự động hóa 02 (Công ty Astec tài trợ năm 2016)

Phòng thí nghiệm Tự động hóa cơ sở Vũng Tàu (Công ty Astec tài trợ 2014)

CHỨC NĂNG VÀ NHIỆM VỤ CHUNG:

Tạo môi trường thuận lợi cho công tác thực hành thí nghiệm, đào tạo, nghiên cứu khoahọc cũng như hợp tác đào tạo, nghiên cứu, chuyển giao công nghệ với các tổ chức, cánhân bên ngoài

Tích hợp hệ thống tự động sử dụng thiết bị điều khiển, cảm biến và cơ cấu chấp hành.Phân tích, thiết kế, lập trình các ứng dụng đo lường điều khiển giao tiếp máy tính sửdụng cổng ngoại vi, Card đo lường, các hệ thống điều khiển sử dụng mạng

Thực nghiệm các thuật toán điều khiển tự động từ kinh điển đến hiện đại áp dụng chocác hệ thống thực, robot thông minh và các quá trình sản xuất phức tạp

Đào tạo kỹ năng phân tích, thiết kế, cấu hình và tích hợp hệ thống mạng truyền thôngcông nghiệp.

Huấn luyện kỹ năng phân tích, thiết kế, vận hành và bảo dưỡng các thiết bị và hệ thốngthu thập dữ liệu và điều khiển giám sát tập trung và phân tán cho các xí nghiệp côngnghiệp tự động, các công ty thuộc lĩnh vực khai thác Mỏ và Dầu khí,…

Nghiên cứu và phát triển, thiết kế các mô hình đào tạo, các hệ thống tự động hóa thôngminh trong dân dụng và công nghiệp Thực nghiệm và triển khai các đề tài nghiên cứukhoa học các cấp

Thiết kế, chế tạo các mô hình học tập và đào tạo phục vụ cho các đề tài NCKH sinhviên, đồ án tốt nghiệp, thi Robocon, đề tài NCKH các cấp, cao học và NCS, thực hiệnchuyển giao công nghệ cho các tổ chức, các cơ quan xí nghiệp…

1 Phòng thí nghiệm tư động hóa 01:

Phòng thí nghiệm được xây dựng từ những ngày đầu thành lập Bộ môn Tự động hóa.Được thiết kế tích hợp phục vụ NCKH, có thể đào tạo thực hành thí nghiệm nhiều mônhọc khác nhau như: Kỹ thuật đo lường, kỹ thuật vi điều khiển, điện tử công suất, lý thuyếtĐKTĐ, cảm biến và các phần tử tự động, lập trình tin học công nghiệp PLC, CNC, điềukhiển tự động truyền động điện, tự động hóa QTSX…Phòng được đầu tư, trang bị tươngđối đồng bộ, hoàn chỉnh và hiện đại nhiều mô hình với các thiết bị cơ bản: cảm biến, cơcấu chấp hành, thiết bị điều khiển PLC,Vi điều khiển, biến tần đa dạng và phong phú củacác hãng khác nhau

Các chức năng chính của PTN Tự động hóa-01:

Đo lường các đại lượng điện và phi điện, đo lường và điều khiển bằng máy tính trên

mô hình trong PTN

Khảo sát, phân tích, đánh giá các thiết bị tự động: các loại cảm biến, bộ truyền động,

cơ cấu chấp hành…

Thực nghiệm xây dựng mô hình toán cho đối tượng, sử dụng thành thạo phần mềmchuyên dụng thiết kế và mô phỏng hệ thống.

Thiết kế hiệu chỉnh và ổn định cho các hệ thống tự động, thực nghiệm bộ điều khiểnthiết kế trên các hệ thống thực, phân tích đánh giá các kết quả thực nghiệm

Nghiên cứu phát triển, thiết kế chế tạo Robot, ứng dụng trong lĩnh vực khai thác mỏ,địa chất và dầu khí

Các mô hình tự động hóa quá trình sản xuất

Robot thăm dò khảo sát địa hình và quan trắc môi trường.

Mô hình thí nghiệm đo lường

Một số module thực hành khác tại PTN TĐH 01

1 Phòng thí nghiệm tự động hóa 02:

Đây là phòng thí nghiệm hiện đại về Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa vừa mớiđược thành lập với các trang thiết bị cập nhật khá hoàn chỉnh và tiên tiến, được tài trợ bởiCông ty ứng dụng giải pháp công nghệ (Astec) Với 10 bàn thí nghiệm và thực hành đồng

bộ thiết bị điều khiển lập trình PLC, Logo, Biến tần, cơ cấu chấp hành…cùng với hàngchục các module ghép nối chuyên dụng của các hãng nổi tiếng khác nhau: như Siemens,Danfoss, ABB, Omron, Mitsubishi, Toshiba…Sự ra đời của PTN TĐH-02 đã đáp ứngđược các nhu cầu ngày càng tăng về quy mô đào tạo, thực hành nâng cao, nghiên cứukhoa học và nguồn nhân lực chất lượng cao về lĩnh vực Tự động hóa trong các xí nghiệpcông nghiệp Mỏ và Dầu khí

Các chức năng chính của PTN Tự động hóa-02:

Thiết lập các cấu hình giao tiếp, giao diện người dùng, thu thập số liệu và điều khiểnthông qua cổng ngoại vi máy tính, card chuyên dùng

Phân tích và thiết kế, cài đặt luật điều khiển số cho hệ thống sử dụng các ngôn ngữ lậptrình thông dụng như VB, C++, Matlab hoặc Labview,

Tích hợp, lập trình, vận hành điều khiển và giám sát thông qua mạng truyền thông côngnghiệp Thiết kế xây dựng dự án sử dụng mạng truyền thông công nghiệp

Đào tạo vận hành hệ thống điều khiển thủy lực và khí nén trong tự động hóa quá trìnhsản xuất

Đào tạo kĩ năng tích hợp hệ thống, lắp đặt và bảo trì các hệ thống tự động trong thực tế.Cài đặt biến tần và ứng dụng trong công nghiệp, thực hiện các chương trình điều khiển

sử dụng PLC – Biến tần, giao tiếp người máy (HMI),

Thiết bị tại phòng thí nghiệm 02

Phần II Các công việc thực hiện trong quá trình thực tập

1 Tìm hiểu mô hình điều khiển hệ thống trạm bơm:

Mô hình điều khiển hệ thống trạm bơm

1.1 Những thiết bị chính của mô hình:

 PLC S7 200 CPU 224

- Nguồn nuôi: 220 VAC

- Đầu vào số (khi chưa mở rộng): 14

- Đầu ra số (khi chưa mở rộng): 10

- Cổng truyền thông

 Van điều khiển áp suất:

Trong mô hình thí nghiệm điều khiển áp suất van điều khiển là van kiểu điện khí với

độ đóng mở van có thể thay đổi được bằng cách thay đổi tín hiệu điều khiển đưa vàoConverter Khi tín hiệu vào thay đổi từ 4 – 20mA thì thông qua Converter sẽ có một ápsuất khí nén tương ứng để đóng mở van.Cụ thể như sau:

+ 4mA tới đầu vào Converter = 3 psi từ đầu ra Converter -> Van điều khiển khí nén

mở

+ 20mA tới đầu vào Converter =15 psi từ đầu ra Conveter -> Van điều khiển khí nénđóng.

Van điều khiển trong thí nghiệm điều khiển áp suất là van mở an toàn vì khi không cótín hiệu điều khiển thì van mở hoàn toàn Chiều tác động của van là chiều tác động thuậnnghĩa là khi tín hiệu điều khiển tăng thì độ mở van giảm

Van khí nén

 Biến tần LS IE5

- Loại biến tần SV0004iE5-IC

- Đầu vào: 200 – 230V, 5.5A , 1 pha , 50/60Hz

- Đầu ra: 0 – 200/230V, 2.5A , 3pha , 0 – 200Hz

- Công suất: 0.5HP/0.4kW

- Kích thước : 68mm x 115mm x 128mm

- Khối lượng: 0.68kg

- Dòng điện đầu ra: 15mA

- Dải đo : 1 – 30 l/min

 Thiết bị biến đổi tín hiệu dòng / áp suất (IP converter)

- Đây là cơ cấu chấp hành trong hệ thống, có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện từ

bộ điều khiển thành tín hiệu khí nén để vận hành van điều khiển:

- Tín hiệu đầu vào là 4-20mA

- Tín hiệu đầu ra là 3 – 15psi (0,2-1 bar)

 Bộ chuyển đổi đo chuẩn (transmitter):

Bộ chuyển đổi đo chuẩn Easy Flow 8035Một bộ chuyển đổi đo chuẩn (Transmitter) là một bộ chuyển đổi đo mà đầu vào là tínhiệu không chuẩn (lưu lượng, áp suất, nhiệt đô,…) và tín hiệu ra là một tín hiệu chuẩn (ví

dụ 1-10V, 0-20mA, 4-20mA, RS-485, tín hiệu bus trường, ) Ở đây sử dụng thiết bị:Easy flow loại 8035 của hãng burket , vận tốc dòng chảy 0.3-10 m/s, tín hiệu output 4-

20 mA

- Ngoài ra còn có các thiết bị:

 Van đóng mở bằng tay

1.2 sơ đồ nguyên lý của mô hình:

Sơ đồ kết nối các thiết bị mô hình trạm bơm.Trong đó :

 VĐ1,2,3,4,5,6 - van điện từ 1-6

 I/P converter - bộ biến đổi tín hiệu dòng điện / áp suất

 Bơm ly tâm - Bơm 1,2,3

 FM - lưu lượng kế (flow metter)

 LM – mức kế ( level metter )

 V1, V2, V3, V4, V5 – Van đóng mở bằng tay

1.3 nguyên lý hoạt động

1.3.1 Bài toán 1: tự động hóa trạm bơm thoát nước mỏ

a, yêu cầu kỹ thuật

- Bơm theo mức :

Cảm biến mức 1 và 2 cho biết mức nước trong bình 2 , cảm biến 1 tương đương vớimức nước cao, cảm biến 2 tương ứng với mức nước thấp.Nếu mức nước cao, hệ thốngbơm hoạt động bơm nước từ bình 2 lên bình 1 đến khi mức nước thấp thì dừng lại

- Bơm tuần tự:

Hệ thống bơm có 3 bơm ly tâm 1,2,3, các máy bơm lần lượt hoạt động, giả sử trong lầnbơm thứ nhất bơm 1 hoạt động, sau khi mực nước trở về mức thấp thì đóng bơm 1, khimực nước ở mức cao lần 2 thì chạy bơm 2, cứ thế tiếp tục

b, các thiết bị chính của thí nghiệm:

- cơ cấu chấp hành: máy bơm, bơm mồi, biến tần, các cơ cấu đường ống, contactor,các van

- Bơm mồi:

Các bơm ly tâm 1,2,3 cần mồi nước trước khi hoạt động nên một bơm mồi được sửdụng trong bài thí nghiệm Nguồn nước mồi lấy ngay từ bình 2, đường ống dẫn nướcmồi được sử dụng các van một chiều để khi các bơm hoạt động thì nước không bị đẩyngược về bơm mồi

Thiết bị đo:

Lưu lượng nước trong các đường ống được đo bởi các lưu lượng kế FM1, FM2 Tínhiệu ra từ lưu lượng kế chuyển qua bộ chuyển đổi đo chuẩn (easy flow 8035 ) chuyểnthành tín hiệu chuẩn (4-20mA)

Giá trị ra của bộ chuyển đổi đo chuẩn được gửi về bộ điều khiển (PLC)

- Thiết bị điều khiển:

PLC S7 200 CPU 224 tích hợp cùng module mở rộng EM235 điều khiển theo chươngtrình tự động được thiết lập để vận hành hệ thống.

c, Ứng dụng của bài toán

- Mục đích thí nghiệm: giả lập bài toán trạm bơm thoát nước mỏ đáp ứng các yêu cầu

kỹ thuật của bài toán

Máy bơm có thể được khởi động trực tiếp bằng hệ thống contactor

Tuy nhiên trong thực tế các động cơ có công suất vừa và lớn nên để bảo vệ động cơ vàtiết kiệm năng lượng có thể điều khiển đóng mở thông qua PLC kết nối với biến tầntương ứng, áp dụng khởi động mềm

1.3.2 Bài toán 2 ổn định mức bình chứa 1:

a yêu cầu kỹ thuật:

ổn định mức nước trong bình chứa 1 ở giá trị đặt cho trước bằng cách điều chỉnh lượngkhí cấp cho van khí nén từ đó điều chỉnh độ đóng mở van Độ đóng mở van quyết địnhlượng nước bơm vào bình 1 qua nhánh 3

b Thiết bị chính:

- Cơ cấu chấp hành: máy bơm, van khí nén, bộ biến đổi dòng áp suất, các cơ cấutruyền động thủy lực

- Thiết bị đo: cảm biến lưu lượng đo lưu lượng nước qua đường ống, mức kế đo mứcnước trong bình chứa 1, truyền tín hiệu về bộ điều khiển

- Thiết bị điều khiển: PLC S7 200 CPU 224 nhận tín hiệu từ thiết bị đo, xác địnhthông số Kp Ki Kd từ đó xuất tín hiệu ra điều khiển độ mở van của van khí nén,hoặc điều khiển tốc độ động cơ máy bơm

c Hướng cải tiến hoặc mở rộng:

- Sử dụng bộ PLC có chức năng tự chỉnh định thông số PID như S7 1200….hoặc sửdụng PLC của các hãng khác

- Thiết kế giao diện giám sát điều khiển mô hình trên WinCC

- Kết hợp bộ điều khiển PID cho máy bơm và PID cho van áp suất để nâng cao hiệuquả điều khiển

1.3.3 Bài toán 3 thí nghiệm khảo sát đặc tính đối tượng:

Nhận dạng hàm truyền đạt đối tượng điều khiển từ đồ thị đáp ứng quá độ của đối tượngứng với một giá trị đầu vào do ta đặt trước

Như lưu lượng, mức nước, …

Hoặc khảo sát đặc tính của máy bơm

2 Tìm hiểu mô hình điều khiển áp suất :

2.1 sơ đồ nguyên lý mô hình

Mô hình thiết bị thực tế :

Mô hình kết nối thiết bị thực tế

Module điều khiển

Sơ đồ nguyên lí hệ thống :

Sơ đồ kết nối các thiết bị bàn thí nghiệm điều khiển áp suất

Mô hình giám sát trên wincc :

E đã tiến hành thiết kế giao diện giám sát điều khiển theo sơ đồ nguyên lý của mô hìnhtrên phần mềm WinCC để giả lập một số chức năng của mô hình

2.2 nguyên lí hoạt động

Khí được cấp từ một máy khí nén vào quá trình qua một thiết bị lọc khí (Filter) Thiết

bị lọc khí có tác dụng làm sạch nguồn khí trước khi đưa vào quá trình để tránh làm bụibẩn van và các thiết bị đo, gây sai số lớn cho quá trình Khí sau khi được lọc sẽ được cấpcho hai nhánh của quá trình

Khí vào nhánh số 1 cấp cho thiết bị chấp hành của hệ thống Áp suất hoạt động đượcchỉ thị trên áp kế G1 và được điều chỉnh bởi núm điều chỉnh R1 Khí vào nhánh 1 dùng đểđiều chỉnh độ đóng mở van điều khiển, áp suất khí được đưa vào để điều khiển van thôngqua một

thiết bị biến đổi tín hiệu dòng điện/ khí nén (I/P Converter) Độ đóng mở van sẽ quyếtđịnh lưu lượng khí đi vào quá trình qua nhánh 2, đồng thời quyết định áp suất đo được ởcảm biến áp suất (tại đồng hồ G5)

Khí cấp cho quá trình qua nhánh 2 được điều chỉnh bởi núm điều chỉnh R2 và áp suấthoạt động được chỉ thị trên áp kế G3 Với một độ mở van đã được điều khiển, lưu lượngkhí đi vào quá trình được hiển thị trên một lưu lượng kế thuỷ tinh (Flowmeter) Dòng khísau khi đi qua van điều khiển sẽ được thải trực tiếp ra ngoài khí quyển hoặc qua một bìnhkhí nén (tank) để thay đổi “sự trễ quá trình”

a các thiết bị chính

1 Thiết bị lọc khí đầu vào (Filter)

2 Hai núm điều chỉnh áp suất R1, R2

3 Thiết bị biến đổi tín hiệu dòng điện/ áp suất ( I/ P Converter)

4 Van điều khiển khí nén ( Pneumatic Control Valve)

5 Cảm biến áp suất ( Pressure Sensor)

6 Một bộ chuyển đổi đo chuẩn ( Transmitter)

7 Một bình khí nén ở cuối quá trình (Tank)

8 Một lưu lượng kế thuỷ tinh ( Flowmeter)

9 Sáu van đóng mở bằng tay kí hiệu từ V1÷ V6 (Manual valve)

10 Sáu áp kế kí hiệu từ G1- G6

2.3 Cải tiến và mở rộng bài toán:

Áp dụng nguyên lý hoạt động của mô hình điều khiển áp suất trên với trang thiết bịhiện có tại phòng thí nghiệm tại trường, có một số hướng mở rộng bài toán như:

- Thay đổi biến điều khiển là áp suất khí bằng lưu lượng nước hoặc mức chất lỏng

- Nâng cấp bộ điều khiển với các PLC có chức năng cao hơn như S7 1200

- Thiết kế giao diện giám sát điều khiển trên wincc để điều khiển và giám sát từ xa

Phần III Kết quả thu được

Sau quá trình tìm hiểu các mô hình thí nghiệm em đã được tiếp xúc với các thiết bị,

- Tìm hiểu nguyên lý hoạt động và các ứng dụng của thiết bị

- Chức năng của nó trong mô hình

- Cấu trúc của một hệ thống tự động

- Thiết kế một hệ thống giám sát điều khiển trên WinCC

- Yêu cầu kỹ thuật của bài toán thoát nước mỏ, bài toán ổn định áp suất

- Từ đó đề xuất cải tiến hiện đại hóa mô hình với các thiết bị điều khiển tân tiến hơn,

áp dụng , kết hợp các sách lược điều khiển giải quyết bài toán với yêu cầu cao hơn