Đồ án PLC Ứng dụng PID trong ổn định mức nước S71200

Tự động hóa quá trình công nghệ đã thực sự phát triển và ứng dụng mạnh mẽ trong công nghiệp, là sự lựa chọn tối ưu trong mọi lĩnh vực nhằm tạo ra sản phẩm chất lượng cao, tiết kiệm chi phí tạo khả năng cạnh tranh mạnh mẽ trên thị trường.Trong các ngành công nghiệp sản xuất chất lỏng như hóa chất, nước uống đóng chai, sữa, nước mắm, dầu ăn, dầu khí, … vấn đề cần điều khiển mức chất lỏng 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.

KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

ĐỒ ÁN PLC

GVHD : Th.S Nguyễn Tử Đức SVTH : Châu Thành Hiển - 14142097

Võ Duy Luyện - 14142187 Thủ Đức, 12 tháng 12 năm 2017

Tự động hóa quá trình công nghệ đã thực sự phát triển và ứng dụng mạnh mẽtrong công nghiệp, là sự lựa chọn tối ưu trong mọi lĩnh vực nhằm tạo ra sản phẩmchất lượng cao, tiết kiệm chi phí tạo khả năng cạnh tranh mạnh mẽ trên thị trường.Trong các ngành công nghiệp sản xuất chất lỏng như hóa chất, nước uốngđóng chai, sữa, nước mắm, dầu ăn, dầu khí, … vấn đề cần điều khiển mức chất lỏngcần đáp ứng với độ chính xác cao để phục vụ quá trình sản xuất đạt hiệu quả tốthơn, đảm bảo quá trình sản xuất các chất lỏng không bị gián đoạn, tăng tuổi thọthiết bị, người vận hành không cần phải trực tiếp kiểm tra trong các bồn chứa hoặcđóng mở bơm liên tục, vấn đề bị cạn hay tràn trong bồn chứa chất lỏng hoàn toànđược khắc phục cho dù đầu ra thay đổi.

Đó chính là lý do em thực hiện đề tài tốt nghiệp: Ứng dụng thuật toán PIDđiều khiển và ổn định mức nước Về nội dung đồ án được chia thành 4 chương: Chương 1 Tổng quan về hệ thống điều khiển ổn định mức nước

Chương 2 Cơ sở về PLC S7-300, WinCC và thuật toán PID

Chương 3 Lập trình trên S7-300 và WinCC

Chương 4 Thực hiện mô phỏng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC 5

I Giới thiệu chương 5

II Đặt vấn đề 5

III Ứng dụng 5

IV Lựa chọn phương án thực hiện 6

1 Điều khiển ON/OFF 6

2 Điều khiển PID 6

CHƯƠNG 2 CÁC THIẾT BỊ CẦN DÙNG CHO HỆ THỐNG 13

I Mô hình hệ thống điều khiển mức nước 13

II Sơ đồ khối 13

III Các thiết bị chính 14

CHƯƠNG 3 BẢN VẼ KẾT NỐI VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 23

I Kết nối phần cứng và bản vẽ 23

II Chương trình điều khiển 25

1 Chương trình chính 25

2 Khối PID – FC41 28

III Màn hình giám sát 29

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BẰNG FACTORY I/O 31

I Mô phỏng hệ thống bằng phần mềm Factory I/O 31

II Mô hình thực tế 32

Đồ án này tìm hiểu về ứng dụng của bộ điều khiển PID trong việc điều khiển

và ổn định mức nước Đồ án đã tìm hiểu về các vấn đề như: nguyên lý hoạt độngcủa cảm biến siêu âm, xử lý tín hiệu analog trên S7-300, bộ điều khiển PID, môphỏng hệ thống ổn định mức nước trên S7-300, WinCC và kiểm chứng với mô hình

mô phỏng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC

NƯỚC

I Giới thiệu chương

Trong chương này em giới thiệu tổng quan về hệ thống điều khiển mức nước,ứng dụng và giải pháp công nghệ đang được sử dụng Từ đó nêu lên nhiệm vụchung của đồ án

II Đặt vấn đề

Hiện nay, đất nước ta đang bước vào thời kỳ công nghiệp hóa hiện đại hóa, đểquá trình này phát triển nhanh chóng ta cần tập trung đầu tư vào các dây chuyền sảnxuất tự động hóa, nhằm mục đích giảm chi phí sản xuất, nâng cao năng suất laođộng và đem tới các sản phẩm có chất lượng cao Một trong những phương án đầu

tư vào tự động hóa là việc ứng dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật, ở đây là ứngdụng PLC vào các dây chuyền sản xuất, điều khiển và giám sát hệ thống tự động.Việc thực hiện điều khiển các quá trình, hệ thống bơm, hệ thống van xả, cảnhbáo một cách tự động có thể sử dụng trong nhiều lĩnh vực như: thủy lợi, nước sinhhoạt, hóa chất, dầu khí,… nói chung là việc thực hiện quá trình kết hợp của nhiềuthiết bị được sử dụng rộng rãi trong thực tế, nhằm phục vụ cho cuộc sống, sinh hoạt

và sản xuất Hệ thống điều khiển mức dùng PID ứng dụng một trong những thuậttoán điều khiển quá trình như : Điều khiển mức, điều khiển lưu lượng, điều khiểnvận tốc dòng chảy Việc ứng dụng PID điều khiển chính xác này vào thực tế nhằmlàm giảm sai số trong kết quả điều khiển, giúp điều khiển chính xác các quá trìnhtích nước cũng như các quá trình xả của van xả và điều khiển máy bơm trong cácbồn chứa của các nhà máy hóa chất, thực phẩm, trong các dây chuyền công nghệkhác

III Ứng dụng

Hệ thống bơm ổn định mức được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệpnói chung và ngành công nghiệp chất lỏng nói riêng như hóa chất, nước uống đóngchai, dầu ăn, sản xuất xi măng, sản xuất giấy, sản xuất điện năng… Đặc biệt trong

hệ thống cung cấp nước cho hộ dân, khu chung cư, nhà cao tầng

IV Lựa chọn phương án thực hiện

Trong các bộ điều khiển nhiệt ta thường thấy 2 chế độ điều khiển là điều khiểnON/OFF và điều khiển PID

1 Điều khiển ON/OFF

Có thể dễ dàng nhận thấy đây là chế độ điều khiển đơn giản nhất, được sửdụng từ khá lâu và hiện nay vẫn còn được ứng dụng khá nhiều trong các ngành khácnhau

Là kiểu điều khiển khi bơm nước tới một mức nào đó thì cho bơm ngừng hoạtđộng, và khi nước được tiêu thụ và giảm xuống tới mức đặt thấp thì cho bơm chạy

Ưu điểm của chế độ này là điều khiển đơn giản, dễ hiểu, giá thành thấp Tuy nhiên

nó lại có nhược điểm là hệ thống không ổn định, đáp ứng chậm và không tốt, độchính xác không cao, độ sai lệch lớn, dòng điện khởi động lớn gây sụt áp gây tổnthất năng lượng Với những đặc điểm như trên thì chế độ điều khiển ON/OFFthường được ứng dụng trong những hệ thống điều khiển nhiệt độ hay mức nước quy

mô lớn, cho phép độ sai lệch lớn

2 Điều khiển PID

PID: Proportional Integral Derivative (bộ điều khiển tỉ lệ vi tích phân ) là 1thuật ngữ để chỉ cơ chế điều khiển vòng phản hồi Ưu điểm của bộ điều khiển PID

là điều khiển với độ chính xác cao, tiết kiệm năng lượng tối đa, đảm bảo sự ổn địnhcủa hệ thống Nhưng kiểu điều khiển này có nhược điểm là thuật toán điều khiểnphức tạp, đòi hỏi người sử dụng có trình độ và kinh nghiệm

Có thể nói ngày nay PID đã xâm nhập vào hầu hết các ứng dụng điều khiển(ko chỉ mức nước mà còn nhiều lĩnh vực khác) Tuy nhiên nõ vẫn được ưu tiên hơn

cả khi hệ thống yêu cầu độ chính xác cao, khoảng thay đổi cho phép nhỏ

2.1 Điều khiển bằng khâu tỉ lệ P

Đây là hình thức điều khiển bằng cách đưa tín hiệu điều khiển dựa vào sự khácbiệt mức nước giữa mức nước thực tế của đối tượng và mức nước đặt, với KP đượcxem là độ khuếch đại tỷ lệ của bộ điều khiển.

Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu tỉ lệ (P)

Ta thấy hệ số khếch đại KP càng lớn thì sai số xác lập càng nhỏ tuy nhiên đápứng của hệ thống càng dao động, độ vọt lố càng cao Nếu KP tăng quá giới hạn thì

hệ thống sẽ trở nên mất ổn định Do đó không thể có sai số của hệ thống bằng 0 vàcũng không thể tăng hệ số khếch đại lên vô cùng

2.2 Điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ PD

Vấn đề về tính ổn định và quá tầm trong điều khiển tỷ lệ với độ khuếch đại lớn,

có thể được giảm đi khi thêm vào đó là khâu vi phân cho tín hiệu sai số

Với KD = KP TD; TD : là thời hằng vi phân của bộ điều khiển PD

Kỹ thuật đó được gọi là kỹ thuật điều khiển PD Khâu vi phân có thể hiệu chỉnhkhả năng đáp ứng sự thay đổi tại mức nước đặt, đó là giảm độ vọt lố , đáp ứng rac(t) bớt nhấp nhô hơn, được biểu diễn ở hình sau:

Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ (PD) với P = 1

Dựa vào đáp ứng quá độ của hệ thống khi thay đổi giá trị TD và giữ hệ số KP

bằng hằng số Ta thấy TD càng lớn thì đáp ứng càng nhanh, thời gian lên càng ngắn.Tuy nhiên, nếu thời gian lên nhanh quá thì sẽ dẫn đến vọt lố mặc dù đáp ứng không

có dao động

Bộ hiệu chỉnh PD không thể thực hiện bằng các linh kiện mạch thụ động, có thểdùng khếch đại thuật toán, điện trở và tụ điện Nhược điểm của bộ PD này là rấtnhạy về nhiễu vì bản thân bộ PD là mạch lọc thông cao, với độ lợi lớn hơn 1 sẽ làmtăng sự ảnh hưởng của tín hiệu nhiễu

2.3 Điều khiển bằng khâu tỉ lệ tích phân PI

Vấn đề về sai số xác lập có thể khắc phụ bằng hiệu chỉnh PI Hiệu chỉnh PI cótác dụng làm chậm đáp ứng quá độ, tăng độ vọt lố, giảm sai số xác lập Do hệ sốkhếch đại của khâu PI bằng vô cùng tại tần số bằng 0 nên khâu hiệu chỉnh PI làmcho sai số đối với tín hiệu vào là hàm nấc của hệ thống không có khâu tích phân lýtưởng bằng 0 (hệ vô sai bậc 1) Ngoài ra khâu PI là một bộ lọc thông thấp nên nócòn có tác dụng triệt tiêu nhiễu tần số cao tác động vào hệ thống

0

1 ( ) ( )

t I

Với: e( ) = TS –T0

Ki = Kp/TI, TI là thời hằng tích phân của bộ điều khiển PI

Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ (PI) với P = 1

Khâu hiệu chỉnh PI làm cho sai số xác lập của hệ thống đối với tín hiệu vào làhàm nấc bằng 0 Tuy nhiên khâu hiệu chỉnh PI lại làm cho hệ thống kém ổn định dolàm tăng thời gian xác lập

Dựa trên đáp ứng quá độ của hệ thống khi giảm thời hằng tích phân TI thì độ vọt

lố của hệ thống càng cao, hệ thống càng chậm xác lập Vậy hằng số thời hằng tíchphân TI ta nên cho giá trị lớn nhằm hạn chế độ vọt lố Tuy vậy khi TI bằng hằng sốthì ảnh hưởng của P đến chất lượng của hệ thống chính là ảnh hưởng của khâukhếch đại, P càng tăng thì độ vọt lố càng cao, tuy nhiên thời gian quá độ lại khôngthay đổi

2.4 Điều khiển bằng khâu vi tích phân tỉ lệ PID

Bộ điều khiển PID được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế để điều khiển nhiềuloại đối lập, với đầu vào thay đổi theo hàm nấc sẽ gây ra vọt lố và trong vài trườnghợp là không chấp nhận được đối với mạch động lực Sự có mặt của khâu vi phân tỉ

lệ (PD) làm giảm độ vọt lố và đáp ứng ra bớt nhấp nhô hơn và hệ thống sẽ đáp ứngnhanh hơn Khâu tích phân tỉ lệ(PI) có mặt trong hệ thống sẽ dẩn đến sai lệch tĩnhtriệt tiêu( hệ vô sai) Muốn tăng độ chính xác ta phải tăng hệ số khuếch đại, song

với mọi hệ thống thực đều bị hạn chế và sự có mặt của khâu PI là bắt buộc Khâuhiệu chỉnh vi tích phân tỉ lệ (PID) kết hợp những ưu điểm của khâu PI và PD, cókhả năng tăng độ dự trử pha ở tần số cắt, khử chậm pha Sự có mặt PID ở vòng hồitiếp có thể dẩn đến sự dao động trong hệ do đáp ứng quá độ bị vọt lố bởi hàm Dirac

(t).Các bộ hiệu chỉnh PID được ứng dụng nhiều trong công nghiệp dưới dạng thiết

bị điều khiển hay thuật toán phần mềm

Do sự thông dụng của nó nên nhiều hãng sản xuất thiết bị điều khiển đã cho rađời các bộ điều khiển thương mại rất thông dụng

Thực tế các phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID dùng quỹ đạo nghiệm số,giản đồ Bode hay phương pháp giải tích rất ít được sử dụng do việc khó khăn trongxây dựng hàm truyền đối tượng Phương pháp phổ biến nhất để chọn tham số PIDthương mại hiện nay là phương pháp Ziegler-Nichols

Sơ đồ điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID có hàm truyền liên tục như sau:

r(t) và c(t) là tín hiệu vào và đáp ứng ra của hệ thống.

Vấn đề thiết kế là cần xác định giá trị Kp, Ki, Kd sao cho thoả mãn các yêu cầu

về chất lượng

Đối tượng khác nhau như nhiệt độ lò nhiệt, tốc độ động cơ, mực chất lỏng trongbồn chứa,… Lý do bộ điều khiển này được sử dụng rộng rãi là vì nó có khả năngtriệt tiêu sai số xác lập, tăng đáp ứng quá độ, giảm độ vọt lố nếu các tham số bộđiều khiển được chọn lựa thích hợp

Khâu hiệu chỉnh khuếch đại tỉ lệ (P) được đưa vào hệ thống nhằm làm giảm sai

số xác

Dòng tuần hoàn của PID được xác định theo sơ đồ trên, dựa vào đó chúng ta cóthể cài đặt các biến cho khối PID (FC41) cho phù hợp với mục đích sử dụng Cácbiến cần thiết phải cài đặt như sau : PVPER_ON đặt ở mức 0, D_SEL đặt ở mức 1,

MAN_ON đặt ở mức 1, ngoài ra thông số DEABAND (sai số cho phép) có thểsetup tùy người dùng nhưng tốt nhaasrt nên set gia trị 0 để đạt ổn định đầu ra là caonhất

CHƯƠNG 2 CÁC THIẾT BỊ CẦN DÙNG CHO HỆ THỐNG

I. Mô hình hệ thống điều khiển mức nước

Hình 1.1 Mô hình hệ thống điều khiển mức nước

Sơ đồ khối của hệ thống

- Khối cảm biến: Gồm có cảm biến siêu âm, lấy thông tin mức nước đưa tín hiệu vềmodule tương tự

- Khối PLC: là khối đọc tín hiệu từ module tương tự (tín hiệu đã được chuyển đổi

về dạng số) báo về, xử lý tín hiệu số theo chương trình lập trình

- Khối máy tính: lập trình chương trình cho PLC, WinCC

- Bơm: bơm nước

* Lưu đồ chương trình của hệ thống :

Vậy nên bước này chúng ta hết sức lưu ý và cẩn thận:

2 Cảm biến siêu âm

Là loại cảm biến sử dụng sóng siêu âm phát ra từ đầu cảm biến tác động lênmột mặt phẳng như mặt nước, tấm kính, vách tường, mặt phẳng các loại dung dịchmiễn là có diện tích đủ lớn, từ đó sẽ xác định được khoảng cách từ đầu cảm biếnđến mặt phẳng, khi khoảng cách thay đổi thì tín hiệu ngõ ra của cảm biến xuất

ra cũng thay đổi theo, với dạng tín hiệu là 4-20mA hoặc 0-10VDC, ngoài ra cảm

biến còn có ngõ ra NPN hoặc PNP (trong phạm vi thì báo hoặc ngoài phạm vi thìbáo).

Chúng ta cứ hình dung cảm biến siêu âm như một đèn pin, ánh sáng phát ra làsóng siêu âm, và phạm vi sóng phát ra là dạng trụ, nên khi nghỉ tới ứng dụng siêu

âm thì phải nghỉ đến không gian đo có đủ rộng cho sóng hoạt động không, và khôngđược có bất kỳ vật cản nào trên đường sóng

Nhờ khả năng có thể đo được khoảng cách mà không cần tiếp xúc với vậtnên cảm biến siêu âm có ứng dụng rất rộng, báo mức của dung dịch keo, báo mứcdầu, báo mức các loại chất rắn… và tất cả các loại vật chất nào có mặt phẳng đủrộng là có thể báo được hết

Điều đặc biệt là cảm biến siêu âm có ngõ ra là dạng tín hiệu analog nên chúng

ta có thể biết và kiểm soát được từng mức cần đo Đó là ưu điểm lớn nhất của cảmbiến siêu âm so với các loại cảm biến khác như phao báo mức nước, cảm biến điệndung hoặc đo mức nước bằng điện cực Với tín hiệu này khi ta kết hợp với bộ điềukhiển PID ta có thể điều bơm đầy, xả cạn như chức năng của cảm biến báo mứcđiện cực

Thông số kỹ thuật cảm biến siêu âm đo khoảng cách, đo mức nước

Nguồn cấp: 15-30VDC

Output: 4-20mm/0-10VDC, NPN/PNP

IP: 67

Cáp: dài 2m PVC

Thời gian đáp ứng: <500ms ( loại 2200mm), <50ms (loại 400mm), <125ms(loại 900mm).

Power on delay: <300ms

Cấp chính xác: 1% F.S

Nhiệt độ hoạt động: -20~60 độ C

Góc phát sóng: 7 độ hoặc 8 độ

Cách nối dây cảm biến siêu âm:

Có 4 dây: nâu, xanh dương, trắng và đen

Trong đó 2 dây nâu và xanh dương là 2 dây nguồn, dây đen trả tín hiệu, ta cắmvào cổng Analog Input, dây trắng không cần sử dụng

Cách cài đặt khoảng cách hoạt động cho cảm biến siêu âm

– Đầu tiên ta xác định ngưỡng xa (P1) và ngưỡng gần (P2) phải đảm bào nằmtrong phạm vi hoạt động của từng loại cảm biến

– Cấp nguồn cho cảm biến, sau đó đặt cảm biến vuông góc với mặt phẳng( ngưỡng xa trước (P1)) Nhấn nút 1 lần trên cảm biến rồi nhả ra, thấy đèn chớp mộtcái rồi tắt vậy là xong ngưỡng xa P1 Sau đó di chuyển cảm biến lại ngưỡng gần(P2), nhấn nút 1 lần rồi nhả ra, thấy đèn chớp 5 lần rồi tắt, vậy là phần cài đặtkhoảng cách đã xong P2

3 Bơm

Lý thuyết :

Công suất bơm được tính bằng tích của lưu lượng nhân với áp suất Đâychính là diện tích trên đường đặc tuyến Ta có công thức tính công suất như sau:xét lưu lượng Q tính theo (m3 /s)

Q: lưu lượng bơm (m3/s) k: Tỷ số giữa công suất đầu ra với công suất trên trục của bơm.

Công suất động cơ là 2KW ta chọn biến tần 2,2KW.

ACS 150-03E-05A6-4 - 2.2KW – 380/440VAC

5 Lựa chọn CPU PLC

5.1.PS

Ta chọn bộ nguồn loại 2A của CPU 6ES7313-5BG04-0AB0 là phù hợp và vừa

đủ với mục đích sử dụng là cấp nguồn cho CPU PLC hoạt động

5.2.CPU

Ta chọn loại CPU S7-300 313C – 6ES7313-5BG04-0AB0

Module CPU 313c – 6ES7313-5BG04-0AB0Các thông số của CPU 313c

- Ngôn ngữ lập trình: Step 7, từ V5.1 hoặc cao hơn

- Kiểu kết nối: MPI

6 Bảng giá các thiết bị

Sau khi đã thống kê được các thiết bị cần thiết cho hệ thống thì ta có được

bảng kê giá trị tương đối của dự án như sau :

BẢNG BÁO GIÁ CÁC THIẾT BỊ

STT TÊN THIẾT BỊ SỐ LƯỢNG

Bảng giá các thiết bị

7 Kết luận chương

Chương 1 đã giúp ta hiểu về tính thực tế của đề tài, các ứng dụng của hệthống điều khiển mức, của bộ điều khiển PID và nguyên lý hoạt động của cảm biếnsiêu âm