BTL Tự động hóa quá trình công nghệ

Đại học công nghiệp Hà Nội Sử dụng phần mềm Wincc hoặc TIA Portal và thiết bị lập trình S71200 để thực hiện các nội dung của đề tài bao gồm: + Thiết lập giao diện điều khiển, giám sát áp suất của đường ống nước sạch. + Viết chương trình phần mềm xử lý dữ liệu áp suất. + MởTắt động cơ bơm áp suất từ giao diện màn hình. + Hiển thị giá trị áp suất đó.

BỘ CƠNG THƯƠNG CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VNAM TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Độc lập – Tự – Hạnh phúc BÀI TẬP LỚN: Tự động hóa q trình cơng nghệ Giáo viên hướng dẫn: Thầy Nghiêm Xuân Thước NỘI DUNG Sử dụng phần mềm Wincc TIA Portal thiết bị lập trình S7-1200 để thực nội dung đề tài bao gồm: + Thiết lập giao diện điều khiển, giám sát áp suất đường ống nước + Viết chương trình phần mềm xử lý liệu áp suất + Mở/Tắt động bơm áp suất từ giao diện hình + Hiển thị giá trị áp suất PHẦN THUYẾT MINH Tổng quan 1.1 Đặt vấn đề (Nhu cầu thực tế, giải pháp, giá thành) 1.2 Giới thiệu phần mền Wincc TIA Portal + Đặc điểm phần mềm + Những ưu điểm Wincc TIA Portal + Cách thức tạo giao diện điều khiển Thiết bị đo lường 2.1 Giới thiệu thiết bị đo + Phân loại thiết bị đo lường tốc độ + Đặc điểm thiết bị đo lường tốc độ + Đại lượng đo lường 2.2 Những tham số thiết bị đo lường (dùng cho tập lớn nhóm) + Dải tín hiệu đo (phạm vi đo), độ xác, độ nhạy + Dải tín hiệu vào: - Tốc độ góc rad/s, vòng/phút - Áp xuất - Nhiệt độ - Độ ẩm, nồng độ CO2 - moomen, dòng điện, nồng độ PH + Dải tín hiệu ra: Dòng điện – 20mA (cảm biến dòng) Điện áp – 10V (cảm biến áp) 2.3 Bộ chuẩn hóa để tương thích tín hiệu vào/ra Mạch điều khiển 3.1 Thuật toán (giải thuật, lưu đồ thuật tốn) 3.2 Chương trình phần mềm + Đặc điểm phần mềm + Những ưu điểm Wincc TIA Portal + Cách thức tạo giao diện điều khiển đề tài 3.3 Kết nối vào/ra thiết bị + Sơ đồ đấu nối chân vào/ra thiết bị với mạch điều khiển + Phân tích q trình hoạt động sơ đồ đấu nối Kết thực nghiệm 4.1 Những kết đạt Hình ảnh, nội dung số liệu giao diện 4.2 Nhận xét ưu nhược điểm + Đặc điểm chương trình giao diện tập lớn + Những ưu điểm chương trình (bài tập lớn thực hiện) + Những hạn chế chương trình (bài tập lớn thực hiện) Ngày giao BTL:…………… ….…… Ngày hoàn thành:………….…………… Chương 1: Tổng quan 1.1 Đặt vấn đề 1.1.1 Nguyên tắc điều khiển hệ thống 1.1.2 Phương thức điều khiển bơm 1.1.3 Những ưu điểm điều khiển tốc độ bơm thiết bị biến tần: .4 1.2 Giới thiệu phần mền Wincc TIA Portal 1.2.1 Những ưu điểm Wincc: 1.2.2 Các đặc điểm Wincc: 1.2.3 Các mô đun sản phẩm: .9 1.2.4 Cách thức tạo giao diện điều khiển: Chương 2: Thiết bị đo lường 13 2.1 Giới thiệu thiết bị đo .13 2.2 Những tham số dùng cho thiết bị đo 15 2.3 Bộ chuẩn hóa để tương thích tín hiệu vào/ra .17 Chương 3: Mạch điều khiển 20 3.1 Thuật toán 20 3.1.1.Lưu đồ thuật toán chọn chế độ hoạt động .20 3.1.2 Bộ chuẩn hóa PID 21 3.1.3 Lưu đồ thuật toán điều khiển 22 3.2 Chương trình phần mềm .23 3.2.1 Đặc điểm phần mềm .23 3.2.2 Những ưu điểm Wincc TIA Portal 25 3.2.3 Cách thức tạo giao diện điều khiển đề tài 26 3.3 Kết nối vào/ra thiết bị 35 Chương 4: Kết thực nghiệm 40 4.1 Những kết đạt 40 4.2 Nhận xét ưu nhược điểm .40 4.2.1 Đặc điểm chương trình giao diện tập lớn 40 4.2.2 Những ưu điểm chương trình (bài tập lớn thực hiện) 41 4.2.3 Những hạn chế chương trình (bài tập lớn thực hiện) 41 Chương 1: Tổng quan 1.1 Đặt vấn đề Trên giới Việt Nam nhu cầu tiêu thụ lượng ngày tăng dần có nhiều cảnh báo tiết kiêm lượng Các nghành cơng nghiệp nói chung ngành nước nói chung sử dụng cơng nghệ truyền động khơng thích hợp,điều khiển thụ động, không linh hoạt Đối với nhà máy nước, yếu tố cấu thành giá nước bị chi phối phần lớn chi phí điện bơm nước( 30-35%) Trước tồn quan điểm việc đầu tư vào tiết kiệm lượng công việc tốn không mang lại hiệu thiết thực Với công nghệ biến tần tính tốn việc đầu tư vào hệ thống điều khiển tiết kiệm lượng cho trạm bơm cấp II có thời gian hồn vốn đầu tư ngắn giảm chi phí cho cơng tác quản lý vạn hành thiết bị.Máy bơm quạt gió ứng dụng thích hợp với truyền động biến đổi tốc độ tiết kiệm lượng Trong phạm vi đồ án, đề cập tới việc sử dụng thiết bị biền tần điều khiển tốc độ tiết kiệm lượng cho máy bơm ổn định áp suất đường ống cấp nước Đối với hệ thống bơm cấp nước thực tế,người ta sử dụng máy bơm công suất lớn, biến tần công suất lớn để bơm cấp nước cho khu dân cư, thành phố, cho khu công nghiệp Với đề tài này,chúng em mơ hình hóa hệ thống nên sử dụng biến tần công suất nhỏ động không đồng để mô tả hoạt động thống với tín hiệu giả đưa tư triết áp Một phần máy bơm ba pha thường to nặng kéo theo hệ thống không đơn giản, lý chi phí cho đồ án lớn với khả chúng em Để thực đề tài chúng em đã: - Nghiên cứu kĩ hệ thống bơm cấp nước thực tế, nắm rõ trình tự điều khiển máy bơm Trang - Tìm hiểu biến tần sử dụng - Lựa chọn biến tần động có cơng suất hợp lý - Tìm hiểu giao tiếp PLC với biến tần - Lập trình PLC - Lập trình PID để điều khiển máy bơm - Thiết kế giao diện WinCC để giám sát điều khiển Mỗi trạm bơm thường có nhiều máy bơm cấp nước vào đường ống.Áp lực lưu lượng đường ống thay đổi hang theo nhu cầu.Bơm thiết bị kèm đường ống van,đài nước thiết kế với lưu lượng nước bơm lớn.Vì điều chỉnh lưu lượng nước bơm thực phương pháp sau: - Điều chỉnh cách khép van ống đẩy bơm - Điều chỉnh đóng mở máy bơm hoạt động đồng thời - Điều khiển thay đổi tốc độ quay khớp nối thủy lực Điều khiển theo phương pháp không tiết kiệm lượng điện tiêu thụ mà gây nên hỏng hóc thiết bị đường ống chấn động đóng mở van gây nên,đồng thời máy bơm cung cấp không bám sát chế độ tiêu thụ mạng lưới Để giải vấn đề kể sử dụng phương pháp điều khiển truyền động biến đổi tốc độ thiết bị biến tần.Thiết bị biến tần thiết bị điều chỉnh biến đổi quay động cách thay đổi tần số dòng điện cung cấp cho động Trang 1.1.1 Nguyên tắc điều khiển hệ thống Đầu PLC nối với biến tần để điều khiển biến tần từ biến tần điều khiển tốc độ động Khi sử dụng thiết bị biến tần cho phép điều chỉnh cách linh hoạt lưu lượng áp lực cấp vào mạng lưới theo yêu cầu tiêu thụ Với tín hiệu từ cảm biến áp lực phản hồi PLC.PLC so sánh giá trị truyền với giá trị đặt để từ lệnh cho biến tần giúp thay đổi tốc độ động cách thay đổi tần số dòng điện đưa vào đông để đảm bảo áp suất nước đường ống ổn định Sự điều chỉnh linh hoạt máy bơm sử dụng biến tần cụ thể sau: - Điều chỉnh tốc độ quay áp suất thay đổi - Đa dạng phương thức điều khiển máy bơm trạm bơm.Một thiết bị biến tần điều khiển tới máy bơm 1.1.2 Phương thức điều khiển bơm Có phương thức điều khiển máy bơm:  Điều khiển theo mực nước: Trên sở tín hiệu mực chất lỏng bể hut hồi tiếp PLC.Bộ vi xử lý so sánh tín hiệu hồi tiếp với mực chất lỏng cài đặt.Trên sở kết so sánh PLC điều khiển đóng mở máy bơm cho phù hợp để mực chất lỏng bể ln giá trị cài đặt.Ngược lại tín hiệu hồi tiếp lớn giá trị cài đặt,biến tần điều khiển bơm để mực chất lỏng luông đạt giá trị đặt  Điều khiển theo hình thức chủ động thụ động: Trang Mỗi máy bơm nối với biến tần có biến tần chủ động,các biến tần khác thụ động.Khi tín hiệu hồi tiếp biến tần chủ động vi xử lý biến tần so sánh với tín hiệu đặt để từ tác động đến biến tần thụ động điều chỉnh tốc độ quay máy bơm cho phù hợp không gây tượng đập thủy lực phản hồi từ hệ thống.Phương thức điều khiển linh hoạt khắc phục kho khăn trình vận hành bơm khác với thiết kế.Phương thức sử dung co trương hợp thay đổi lưu lượng áp suất mạng lưới  Điều khiển theo hình thức biến tần điều khiển bơm: Một máy bơm thơng qua thiết bị biến tần,các máy bơm lại đóng mở trực tiếp khởi động mềm.Khi tín hiệu áp lực lưu lượng mạng lưới hồi tiếp PLC.Bộ vi xử lý so sánh với giá trị cài đặt điều khiển tốc độ máy bơm chạy với tốc độ phù hợp.Đây cách mà nhóm em tiến hành làm.Khi mà bơm điều khiển biến tần hoạt động chế độ định mức mà chưa đáp ứng áp suất ống PLC lệnh để đưa máy bơm khởi động mềm tham gia vào thống nhằm trì áp suất mong muốn đường ống.Đến lúc đó,khi mà áp suất đường ống đủ PLC ngắt bơm phụ tránh áp suất cao gây nguy hiểm cho đường ống.Trong trường hợp ngắt tất bơm mà áp suất cao PLC lệnh cho biến tần đẻ biến tần giảm dần tần số động để đưa áp suất đường ống gần giá trị đặt nhanh thời gian có thể.Tất việc theo dõi giám sát WinCC qua hình máy tính(hoặc điều khiển tay) 1.1.3 Những ưu điểm điều khiển tốc độ bơm thiết bị biến tần: - Hạn chế dòng khởi động cao - Tiết kiệm lượng Trang - Điều khiển linh hoạt máy bơm - Dãy công suất rộng từ 1,1 – 400Kw - Tự động ngừng đạt tới điểm cài đặt - Tăng tốc nhanh giúp biến tần bắt kịp tốc độ thời động - Tự động tăng tốc giảm tốc tránh tải điện áp khởi động - Bảo vệ động :ngắn mạch,mất pha,lệch pha,quá tải,quá dòng,quá nhiệt… - Kết nối với máy tính chạy hệ điều hành Windows - Kích thước nhỏ gọn khơng chiếm diện tích nhà trạm - Mô-men khơỉ động cao với chế độ tiết kiệm lượng - Dễ dàng lắp đặt vận hành - Hiển thị thông số động biến tần 1.2 Giới thiệu phần mền Wincc TIA Portal 1.2.1 Những ưu điểm Wincc: WinCC hệ thống HMI (Human Machine Interface: tức giao diện người máy) cho phép hoạt động chấp hành quy trình chạy máy Truyền thơng WinCC máy diễn thông hệ thống tự động WinCC dùng để thị trình cấu hình giao diện đồ hoạ người dùng Bạn sử dụng giao diện người dùng để hoạt động quan sát trình WinCC cung cấp khả sau: Trang 10 - WinCC cho phép bạn lưu trữ trình Khi làm việc với WinCC, giá trị q trình in lưu trữ theo kiểu điện tử Điều tạo điều kiện cho thu thập thông tin quy trình cho phép truy cập đến liệu sản sinh khứ 3.2.3 Cách thức tạo giao diện điều khiển đề tài - Khởi động TIA PORTAL V13 - Tạo project Add new device =>Controller =>SIMATIC S7 – 1200 => CPU => Chọn CPU với module PLC có - Để mơ WinCC ta add thêm WinCC vào file: Portal view => PC System => SIMATIC HMI application => WinCC RT Profestional - Kết nối HMI với PLC: Network View =>Kết nối Network Connection = > Save Project - Lập trình PID Trong PLC S7 – 1200, máy tự lấy thơng số P, I D Cài đặt thời gian lấy mẫu ( Chương trình ngắt ) Program blocks Add new block => Organization block => Cyclic interrupt = > Cyclic time ( Thời gian lấy mẫu - ms ) : Chọn 300 => OK - Lập trình PID Trang 30 - Lấy PID Program block => Cyclic interrupt => Technology => PID Control => Compac PID => PID_Compact => Kéo netwwork => Chọn tên mặc định PID_Compact_1 => OK - Cài đặt tên, tiếp điểm : Setpoint : Đặt tên SET_POINT => RIGHT CLICK => define tag : MD50 Input_PER : Đặt tên READ_SENSOR => RIGHT CLICK => define tag : IW64 ManualEnable : Đặt tên MANUAL ENABLE => RIGHT CLICK => define tag : M0.0 ManualValue : Đặt tên MANUAL_INPUT => RIGHT CLICK => define tag : MD51 Output_PER : Đặt tên OUT_PUT => RIGHT CLICK => define tag :QW64 * Lưu ý : Trong plc s1200 tiếp điểm IW64 ( tín hiệu từ cảm biến - Analog )mặc định đầu vào pid * Tương tự với đầu ta QW64 ( Analog ) - Cài đặt thông số : Click “opens the configuration window “ *Basic settings: + Controller type : Pressure Trang 31 Active mode after CPU restart : Automatic mode + Input / out put parameters : Input : Input_PER ( analog ) Output : Output_PER ( analog ) *Process value settings : + Process value limits : ( Giá trị giới hạn ) Process value high limit : 10.0 Process value low limit : 0.0 + Process value scalling : ( Giá trị tỉ lệ ) Bar Input_PER Scaled high process value : 1200 High : 27648.0 ( 20 mA) Scaled high process value : Low : 0.0 ( 4mA ) *Advanced settings : + Process value monitoring : Warning high limits: 3.402822E+38 Warning low limits: -3.402822E+38 + PWM limits : Minimum ON time : 0.0s Minimum OFF time : 0.0s + Output value limits : Output value high limit :100.0% Trang 32 Input value low limit :0.0% + PID Parameters : Proportional gain : 1.0 Intergral action time : 20.0s Derivative action time : 0.0 = > Save project - Sau cài đặt ta có chương trình sau : Trang 33 * Chương trình tự sửa lỗi : - Mở cửa sổ commisionning : ( Khi có PLC thực tế ) Download to device => Yes Click “opens the commissioning window “ Trang 34 Click “ Start “ => Chạy đồ thị Click “ Start PID_Compact => Bộ PID hoạt động Setpoint Input Output 500 < 500 Tăng 500 >500 Giảm Khi output tăng van tác động mở để bơm thêm nước vào, van khóa Khi output giảm van tác động mở xả, van khóa Vậy mức logic van ngược Ví dụ: Trang 35 - Bật chế độ tay: Trang 36 - Kiểu liệu chân Setpoint : Real Input_PER : Real ManualEnable : Bool ManualValue : Real Output_PER : Real - Mô : Thiết kế WinCC, mở giao điện điwwù khiên HMI PC-System_1 [SIMATIC PCs ] =>HMI_RT_1 [ WinCC RT ] => Screens => Add new screen - Tạo nút ấn có tên : PID_ON Properties => Events => Press left mouse botton => Add function => SetBit =>link đến PID_ON bên PLC - Tạo nút ấn có tên : PID_OFF Properties => Events => Press left mouse botton => Add function => ResetBit =>link đến PID_ON - Tạo đèn báo PID hoạt động :Basic Objects Trang 37 - Tạo giá trị đặt: Elements => I/O field => Properties => General => Tag : SET_POINT => Mode : Input/ Output - Hiển thị giá trị thực tế : Elements => I/O field => Properties => General => Tag : HIEN THI - Lập trình hiển thị áp suất từ cảm biến hàm Scale plc S1200 3.3 Kết nối vào/ra thiết bị + Sơ đồ đấu nối chân vào/ra thiết bị với mạch điều khiển Trang 38 Sơ đồ mạch động lực Trang 39 Sơ đồ đấu dây + Phân tích q trình hoạt động sơ đồ đấu nối Mơ hình vận hành dựa ngun tắc: Để ổn định áp lực ta cần có cảm biến áp suất đặt điểm cần ổn định, cảm biến áp suất chuyển đổi tín Trang 40 hiệu áp lực thành tín hiệu điện, làm khâu phản hồi đưa điều khiển áp suất, điều khiển áp suất vào giá trị áp suất đặt (áp suất mong muốn) giá trị thực tế phản hồi từ cảm biến đưa điều khiển PLC, điều khiển PLC đưa tín hiệu điều khiển cho biến tần, biến tần thay đổi tần số điện áp vào động làm cho tốc độ động thay đổi cho áp suất đường ống ổn định Khi lưu lượng người sử dụng tăng lên làm áp lực hệ thống giảm xuống qua cảm biến áp suất đưa tín hiệu điều khiển PLC, điều khiển PLC tăng tín hiệu điều khiển làm tăng tần số điện áp nguồn biến tần, dẫn đến tăng tốc độ động làm tăng áp suất lưu lượng nước giá trị đặt Khi lưu lượng người sử dụng giảm xuống làm áp lực hệ thống tăng lên qua cảm biến áp suất đưa tín hiệu điều khiển, điều khiển giảm tín hiệu điều khiển làm giảm tần số điện áp nguồn biến tần, dẫn đến giảm tốc độ động làm giảm áp suất lưu lượng nước giá trị đặt HMI có nhiệm vụ giao diện, giao tiếp người hệ thống Tất thông số hệ thống cập nhật, hiển thị, người điều khiển giám sát tất trạng thái hoạt động hệ Như người khơng cần phải có mặt trường mà điều khiển giám sát hoạt động hệ thống Đặc biệt lưu trữ thông tin, đưa cảnh báo, dẫn có lỗi làm cho xử lý cố dễ dàng nhanh chóng Trong hệ thống có tất máy bơm:một máy bơm pha máy bơm pha.Biến tần điều khiển trực tiếp máy bơm pha,máy bơm pha bơm dự phòng mà máy bơm pha chạy hết công suất định mức mà áp suất vẫm chưa ổn định giá trị setpoint.Máy bơm dự phòng điều khiển trực tiếp điện lưới 220V Khởi động hệ thống lên máy bơm pha điều khiển biến tần động chạy đạt áp suất đặt,khi áp suất đường ống áp suất đặt biến tần giữ ổn định tốc độ máy bơm này.Trường hợp tải thay đổi tức áp suất thay đổi,tùy theo tải tăng hay giảm biến tần điều khiển máy bơm chạy nhanh hay chậm Trang 41 Khi tải tăng tức áp suất giảm,lúc muốn ổn định áp suất biến tần điều khiển máy bơm chạy nhanh hơn(tức tăng tần số máy bơm pha) đạt áp suất đặt Ngược lại,khi tải giảm biến tần giảm tần số máy bơm xuống đạt áp suất đặt Nếu lúc tải giảm mạnh nhất(áp suất tăng lên cao) bơm dự phòng tự động dừng bơm biến tần hoạt động.Hệ thống hoạt động liên tục vậy,áp suất đường ống ln ln giữ ổn định tránh tình trạng áp suất tăng cao gây vỡ đường ống cấp nước Trang 42 Chương 4: Kết thực nghiệm 4.1 Những kết đạt Hình ảnh mơ WinCC 4.2 Nhận xét ưu nhược điểm 4.2.1 Đặc điểm chương trình giao diện tập lớn - Chương trình dễ vận hành, giao diện đơn giản - Độ ổn định tương đối - Điều khiển tỉ lệ (Kp) có ảnh hưởng làm giảm thời gian lên(thời gian độ) làm giảm không loại bỏ sai số xác lập - Điều khiển tích phân (Ki) loại bỏ sai số xác lập làm đáp ứng độ xấu - Điều khiển vi phân (Kd) có tác dụng làm tăng ổn định hệ thống, giảm vọt lố cải thiện đáp ứng độ Trang 43 - Ảnh hưởng điều khiển Kp, Ki, Kd lên hệ thống vòng kín tóm tắt bảng bên dưới: Bảng 5.4: Đặc trưng thông số điều khiển PID Đáp ứng Thời gian vòng kín lên Kp Giảm Ki Kd Vọt lố Thời gian Sai số xác lập xác lập Tăng Thay đổi nhỏ Giảm Giảm Tăng Tăng Loại bỏ Thay đổi nhỏ Giảm Giảm Thay đổi nhỏ 4.2.2 Những ưu điểm chương trình (bài tập lớn thực hiện) - Hiển thị thông số rõ ràng - Hoạt động bình thường ổn định theo chương trình lập trình cài đặt - Hình ảnh rõ ràng dễ hiểu - Dễ dàng điều chỉnh tham số xảy lỗi nhỏ 4.2.3 Những hạn chế chương trình (bài tập lớn thực hiện) - Chương trình chạy chưa tối ưu - Vẫn gặp phải số vấn đề trình cài đặt xử lý tín hiệu - Gặp số lỗi qua trình thiết lập - Giao diện dễ dùng nưng khó việc xử lý Trang 44 ... máy bơm công suất lớn, biến tần công suất lớn để bơm cấp nước cho khu dân cư, thành phố, cho khu công nghiệp Với đề tài này,chúng em mơ hình hóa hệ thống nên sử dụng biến tần công suất nhỏ động. .. nhanh giúp biến tần bắt kịp tốc độ thời động - Tự động tăng tốc giảm tốc tránh tải điện áp khởi động - Bảo vệ động :ngắn mạch,mất pha,lệch pha ,quá tải ,quá dòng,q nhiệt… - Kết nối với máy tính chạy... hoạt động chấp hành quy trình chạy máy Truyền thơng WinCC máy diễn thông hệ thống tự động WinCC dùng để thị trình cấu hình giao diện đồ hoạ người dùng Bạn sử dụng giao diện người dùng để hoạt động