Thiết kế và xây dựng bộ PID để điều khiển mức nước trong bể chứa công nghiệp ứng dụng PLC kết nối biến tần

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÕNG ISO 9001:2008 THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG BỘ PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC TRONG BỂ CHỨA CÔNG NGHIỆP ỨNG DỤNG PLC KẾT NỐI BIẾN TẦN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG CƠNG NGHIỆP HẢI PHỊNG - 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÕNG ISO 9001:2008 THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG BỘ PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC TRONG BỂ CHỨA CÔNG NGHIỆP ỨNG DỤNG PLC KẾT NỐI BIẾN TẦN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP Sinh viên: Vũ Trọng Nghĩa Người hướng dẫn: Th.S Nguyễn Đức Minh HẢI PHỊNG - 2019 Cộng hồ xã hội chủ nghĩa Việt Nam Độc lập – Tự Do – Hạnh Phúc o0o BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Sinh viên : Vũ Trọng Nghĩa – MSV : 1312102012 Lớp : ĐC1701- Ngành Điện Tự Động Công Nghiệp Tên đề tài : Thiết kế xây dựng PID để điều khiển mức nước bể chứa công nghiệp ứng dụng PLC kết nối biến tần NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI Nội dung yêu cầu cần giải nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp (về lý luận, thực tiễn, số liệu cần tính tốn vẽ) Các số liệu cần thiết để thiết kế, tính tốn Địa điểm thực tập tốt nghiệp : CÁC CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Người hướng dẫn thứ nhất: Họ tên Học hàm, học vị Cơ quan công tác Nội dung hướng dẫn : : : : Nguyễn Đức Minh Thạc sĩ Trường Đại học dân lập Hải Phịng Tồn đề tài Người hướng dẫn thứ hai: Họ tên Học hàm, học vị Cơ quan công tác Nội dung hướng dẫn : : : : Đề tài tốt nghiệp giao ngày tháng năm 2019 Yêu cầu phải hoàn thành xong trước ngày tháng .năm 2019 Đã nhận nhiệm vụ Đ.T.T.N Sinh viên Đã giao nhiệm vụ Đ.T.T.N Cán hướng dẫn Đ.T.T.N Vũ Trọng Nghĩa Th.S Nguyễn Đức Minh Hải Phòng, ngày tháng năm 2019 HIỆU TRƯỞNG GS.TS.NGƯT TRẦN HỮU NGHỊ PHẦN NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1.Tinh thần thái độ sinh viên trình làm đề tài tốt nghiệp Đánh giá chất lượng Đ.T.T.N ( so với nội dung yêu cầu đề nhiệm vụ Đ.T.T.N, mặt lý luận thực tiễn, tính tốn giá trị sử dụng, chất lượng vẽ ) Cho điểm cán hướng dẫn ( Điểm ghi số chữ) Ngày……tháng…….năm 2019 Cán hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ CỦA NGƯỜI CHẤM PHẢN BIỆN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Đánh giá chất lượng đề tài tốt nghiệp mặt thu thập phân tích số liệu ban đầu, sở lý luận chọn phương án tối ưu, cách tính tốn chất lượng thuyết minh vẽ, giá trị lý luận thực tiễn đề tài Cho điểm cán chấm phản biện ( Điểm ghi số chữ) Ngày……tháng…….năm 2019 Người chấm phản biện (Ký ghi rõ họ tên) MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG ỨNG DỤNG CỦA ĐỀ TÀI TRONG THỰC TIỄN VÀ QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ CỦA MƠ HÌNH 1.1 ỨNG DỤNG TÀI CỦA ĐỀ TRONG THỰC TIỄN 1.1.1 Đặt vấn đề .2 1.1.2 Ứng dụng thực tế mơ hình 1.2 QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ CỦA MƠ HÌNH 1.2.1 Yêu cầu công nghệ 1.2.2 Quy trình cơng nghệ 10 1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 11 CHƯƠNG TÌM HIỂU CÁC THIẾT BỊ TRÊN MƠ HÌNH 12 2.1 TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH 12 2.2 TÌM HIỂU CÁC THIẾT BỊ TRÊN MƠ HÌNH 13 2.2.1 Biến tần INVT .13 2.2.2 Cảm biến siêu âm 18 2.2.3 Bộ nguồn chiều 20 2.2.4 Động bơm 21 2.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 21 CHƯƠNG TÌM HIỂU VỀ THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN 22 3.1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN VÀ LẬP TRÌNH PLC 22 3.1.1 Điều khiển lập trình gì? 22 3.1.2 Ưu khuyết điểm PLC 22 3.1.3 Cấu trúc PLC 23 3.1.4 Nguyên lý hoạt động PLC 27 3.2 ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH VỚI SIMATIC S7-200 27 3.2.1 Tổng quan PLC S7-200 27 3.2.2.Các dịng thơng số kỹ thuật PLC S7-200 hãng SIEMEN 27 3.2.3.Cấu hình phần cứng PLC S7-200 28 3.2.4 Tập lệnh PLC S7-200 29 3.2.5 Tìm hiểu CPU 224 Siemens 32 3.2.6 Tìm hiểu Modul mở rộng S7-200 34 3.3 THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN PID TRONG S7-200 38 3.3.1 Giới thiệu điều khiển PID 38 3.3.2 Bộ điều khiển tỉ lệ(P) 38 3.3.3 Bộ điều khiển tích phân(I) 40 3.3.4 Bộ điều khiển vi phân(D) 41 3.3.5 Tổng hợp khâu, điều khiển PID 42 3.3.6 Thiết kế PID .43 3.3.7 PID PLC S7-200 47 3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG .57 CHƯƠNG XÂY DỰNG THUẬT TỐN, LẬP TRÌNH VÀ KẾT NỐI CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC 58 4.1 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG 58 4.2 XÂY DỰNG LƯU ĐỒ THUẬT TỐN CHO MƠ HÌNH 59 4.2.1 Khái niệm 59 4.2.2 Lưu đồ thuật toán tổng quát 59 4.2.3 Lưu đồ thuật toán chi tiết 61 4.3 KẾT NỐI S7-200 VỚI MÁY TÍNH .62 4.3.1 Các thiết bị sử dụng 62 4.3.2 Thiết lập truyền thông .62 4.4 CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN (PHƯƠNG PHÁP LADDER) 65 4.4.1 Chương trình 65 4.4.2 Chương trình chế độ manual 68 4.4.3 Chương trinh chế độ Auto 68 4.4.4 Chương trình Scale 69 4.4.5 Chương trình ngắt PID 71 4.5 SƠ ĐỒ KẾT NỐI PHẦN CỨNG CỦA HỆ THỐNG 72 4.5.1 Sơ đồ kết nối PLC 72 4.5.2 Sơ đồ kết nối biến tần 73 4.6 THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT CHO HỆ THỐNG 73 4.6.1 Giới thiệu WinCC .73 4.6.2 Kết nối WinCC với OPC 77 4.6.3 Thiết kế WinCC cho đề tài 78 4.6.4 Cách tạo nút ấn .81 4.6.5 Cách tạo đèn báo .82 4.6.6 Cách tạo thông số xuất nhập, 83 4.6.7 Tạo đồ thị TREND 84 4.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG .85 KẾT LUẬN 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 87 4.5.2 Sơ đồ kết nối biến tần Hình 4.13: Sơ đồ kết nối biến tần 4.6 THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT CHO HỆ THỐNG 4.6.1 Giới thiệu WinCC Thông thường hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Aquisition) yêu cầu phần mềm chuyên dụng để xây dựng giao diện điều khiển HMI (Human Machine Interface) phục vụ việc sử lý lưu trữ liệu Phần mềmWinCC Siemens phần mềm chuyên dụng cho mục đích 4.6.1.1 Khái niệm WinCC chương trình ứng dụng Scada lĩnh vực dân dụng công nghiệp WinCC dùng để điều hành hình thị hệ thống điều khiển tự động hóa sản xuất q trình.WinCC chữ viết tắt Window Control Center, phần mền hãng Siemens 73 dùng để giám sát, điều khiển thu thập liệu trình sản xuất.Theo nghĩa hẹp, WinCC chương trình hỗ trợ cho người lập trình thiết kế giao diện Người Máy– HMI (Human Machine Interface) hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), với chức thu thập liệu, giám sát điều khiển trình sản xuất Những thành phần có WinCC dễ sử dụng, giúp người dùng tích hợp ứng dụng có sẵn mà không gặp trở ngại Với WinCC, người dùng trao đổi liệu trực tiếp với nhiều PLC hãng khác Misubishi, Allen Braddly, Siemens,v.v…thông qua cổng COM với chuẩn RS – 232 máy tính với chuẩn RS – 485 PLC Khi sử dụng WinCC để thiết kế giao diện điều khiển Người – Máy (HMI) mạng SCADA, WinCC sử dụng chức sau: Graphics Designer: thực dễ dàng chức mô hoạt động + qua đối tượng đồ họa WinCC, Windows, OLE, I/O,… với nhiều thuộc tính động (Dynamic) Alarm Logging: thực việc hiển thị thông báo hay báo cáo + hệ thống vận hành Đảm trách thông báo nhận lưu trữ, để chuẩn bị, hiển thị, hồi đáp lưu trữ chúng Ngồi ra, Alarm Logging cịn giúp ta tìm nguyên nhân lỗi + Tag Logging: Thu thập, lưu trữ nén giá trị đo nhiều dạng khác Tag Logging cho phép lấy liệu từ trình thực thi, chuẩn bị để thị lưu trữ liệu Dữ liệu cung cấp tiêu chuẩn công nghệ kỹ thuật quan trọng liên quan đến trạng thái hoạt động tồn hệ thống + Report Designer: có nhiệm vụ tạo thông báo, báo cáo kết lưu dạng trang nhật ký kiện 74 4.6.1.2 Các thành phần WinCC Hình 4.14: Giao diện phần mềm wincc 4.6.1.3 Các thành phần cửa sổ dự án - Máy tính (Computer): Quản lý tất trạm (WorkStation) trạm chủ (Server) nằm Project - Quản lý tag (Tag Managerment): Là khu vực quản lý tất kênh, quan hệ Logic, tag (biến) trình (Tag process), tag (biến) trung gian PLC (Tag Internal) nhóm nhóm tag (Tag Groups) - Loại liệu (Data Types):Chứa loại liệu gán cho Tag kênh khác - Các trình soạn thảo Editor :Các trình soạn thảo liệt kê vùng dùng để soạn thảo điều khiển dự án hoàn chỉnh , chức soạn thảo cho bảng sau: 75 Bảng 4.2: Bộ soạn thảo WinCC Chương trình soạn thảo Giải thích Alarm Logging Nhận thông báo từ trinh để chuẩn (Báo động) bị, hiển thị, hồi đáp lữu trữ thơng báo User Administrator Cho phép nhóm người sử dụng điều (Quản lí người dung) khiển truy nhập Text Library (Thư viện văn bản) Chứa văn tùy thuộc ngôn ngữ người dung tạo Cung cấp hệ thống báo cáo tích hợp có Report Designer (Báo cáo) thể sử dụng để báo cáo liệu, giá trị, thông báo hành lưu trữ, hệ thống tài liệu người sử dụng Cho phép tạo dự án động tùy thuộc vào Global Script (Viết chương trinh) yêu cầu đặc biệt Bộ soạn thảo cho phép tạo hàm thao tác sử dụng hay nhiều dự án tùy theo kiểu chúng Tag Logging (Hiển thị giá trị xử lí) Graphics Designer (Thiết kế đồ họa) Xử lý giá trị đo lường lưu trữ chúng thời gian dài Cung cấp hình hiển thị kết nối đến trình Tất Modul thuộc hệ thống WinCC khơng cần thiết khơng thiết phải cài đặt hết Các kiểu liệu ( Data Types) có WinCC:  Binary Tag: kiểu nhị phân  Signed – Bit Value: kiểu bit có dấu 76  Unsigned  Signed 16 – Bit Value: kiểu 16 bit có dấu  Unsigned  Signed 16 – Bit Value: kiểu 16 bit không dấu 32 – Bit Value: kiểu 32 bit có dấu  Unsigned  – Bit Value: kiểu bit không dấu 32 – Bit Value: kiểu 32 bit không dấu Floating Point Number 32 bit IEEE 754: kiểu số thực 32 bit theo tiêu chuẩn IEEE 754  Floating Point Number 64 bit IEEE 754: kiểu số thực 64 bit theo tiêu chuẩn IEEE 754  Text Tag bit character set: kiểu ký tự bit  Text Tag 16 bit character set: kiểu ký tự 16 bit  Raw Data type: kiểu liệu thô 4.6.2 Kết nối WinCC với OPC OPC phần mềm trung gian kết dùng để kết nối WinCC với PLC, nhiệm vụ OPC trao đổi liệu WinCC với PLC, chương trình sử dụng phần mềm PC-Acess PC-Acess lấy liệu PLC thông qua việc cập nhật miền nhớ, địa vào vật lý Việc lấy liệu từ Microwin phần mềm PC-Acess nhập trực tiếp biến cách Click chuột phải vào giao diện hình → New Item → Xuất hộp thoại hình bên: - Name: Chọn tên biến - Address: Chọn kiểu địa - Data Type: Kiểu liệu Hình 4.15 Hộp thoại Item PC- - High: Giá trị cao Acess 77 biến chọn - Low: Giá trị thấp biến chọn Hoặc Imposs lúc nhiều Tags cách vào File → Import Symbols, đề tài sử dụng tags sau: Hình 4.16 Các tag sử dụng đề tài 4.6.3 Thiết kế WinCC cho đề tài Hình 4.17 Giao diện điều khiển đề tài 78 Hình 4.18 Giao diện giám sát đề tài Hình 4.19 Các tag đề tài sử dụng wincc 79 4.6.3.1 Cách tạo hình ảnh đối tượng điều khiển đề tài Để lấy hình ảnh có sẵn vào Menu View, chọn Library Hình 4.20 Cách mở thư viện hình ảnh 4.6.3.2 Cách tạo hình ảnh bồn nước Chọn đường dẫn Global Library\Siemens HMI\Tanks\ Sau chọn hình ảnh theo u cầu kéo khỏi hình soạn thảo Hình 4.21 Cách tạo hình ảnh bồn nước 4.6.3.3 Cách tạo hình ảnh bơm nước Chọn đường dẫn Global Library\Siemens HMI\Pumps\ Sau chọn hình ảnh theo u cầu kéo khỏi hình soạn thảo 80 Hình 4.22 Cách tạo hình ảnh bơm nước 4.6.3.4 Cách tạo hình ảnh đường ống nước Chọn đường dẫn Global Library\Siemens HMI\Pipes\ Sau chọn hình ảnh theo yêu cầu kéo khỏi hình soạn thảo Hình 4.23 Cách tạo hình ảnh đường ống nước 4.6.4 Cách tạo nút ấn Chức Button hầu hết sử dụng tất hệ thống điều khiển giám sát Chọn Button mục Windows Object bên Object Palette hình bên dưới, kéo qua đặt vị trí mong mn hình soạn thảo 81 Hình 5.24 Cách tạo nút ấn Lúc hộp thoại Button Configuration xuất hiện, đặt tên nút ấn mục Text, chọn Font chữ màu chữ Color theo yêu cầu Hình 5.25 Cửa sổ Button Configuration (cấu hình cho nút ấn) Sau đó, nhấp OK kết thúc phần khai báo nút ấn Các nút ấn khác tương tự 4.6.5 Cách tạo đèn báo Lấy đèn báo, bảng Object Palette chọn Standard Objects hình bên: 82 Hình 5.26 Cách tạo đèn báo Sau đó, nhấp chọn Circle kéo qua đặt vị trí mong mn hình soạn thảo 4.6.6 Cách tạo thơng số xuất nhập, Mục đích để hiển thị mức nước, tần số động cơ, thông số PID nhập mức nước đặt, tần số đặt… Từ bảng đối tượng Object Palette, nhấp chọn Smart Objects > I/O Field hình bên dưới, kéo đưa hình soạn thảo Hình 4.27 Cách tạo thơng số xuất nhập Khi nhấp thả chuột, hộp thoại I/O-Field Configuration xuất hình: 83 Hình 4.28 Hộp thoại I/O-Field Configuration Trong khung Tag chọn biến theo yêu cầu Để thay đổi tốc độ mặc định s khung Update chọn tốc độ 250 ms Nhấp OK kết thúc lựa chọn Có thể thay đổi thuộc tính chuẩn trường vào/ra (I/O-Field) cách thay đổi thuộc tính đối tượng (Type) 4.6.7 Tạo đồ thị TREND Từ bảng đối tượng Object Palette, chọn mục Controls > WinCC OnlineTrendControl hình bên dưới, kéo đưa hình soạn thảo: Hình 4.29 Cách tạo đồ thị TREND Hộp thoại WinCC OnlineTrendControl Properties xuất hiện, tab Trends chọn mặc định, thiết lập mục sau: 84 Hình 4.30 Hộp thoại WinCC OnlineTrendControl Properties Mục Object name, mục đặt tên đường đồ thị Trong khung Data source chọn mục Online tags Lúc khung Tag name phép thay đổi, sau chọn tag theo yêu cầu Trong khung Trend color chọn màu cho đường đồ thị Cuối chọn Apply>OK 4.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG Ở chương giải thích nguyên lý làm việc hệ thống, sơ đồ kết nối thiết bị mơ hình, trình bày chức thiết bị sử dụng mơ hình Giải thích lưu đồ thuật tốn dạng tổng quát dạng chi tiết, trình bày phương pháp truyền thơng PLC Máy tính, lập trình phần mềm Microwin, phần mềm WinCC, sơ đồ kết nối vào/ra vật lý cho cách nhìn tổng quát hệ thống SCADA, phương pháp điều khiển giám sát hoạt động hệ thống loại hình HMI Runtime trực tiếp máy tính Hiểu bước để thực giám sát phần mềm WinCC, cách kết nối WinCC với phần mềm Microwin công cụ(hay Tab) thông dụng hệ thống điều khiển giám sát Và ứng dụng lý thuyết WinCC để thực đề tài cụ thể giám sát điều khiển mức nước Qua chương nắm bắt trình tự để lập trình kết nối hệ thống điều khiển cụ thể 85 KẾT LUẬN Qua thời gian tìm hiểu nghiên cứu mơ hình “Thiết kế xây dựng PID để điều khiển mức nước bể chứa công nghiệp ứng dụng PLC kết nối biến tần”, giúp em có nhìn tổng qt mơn học điều khiển lập trình PLC, ứng dụng lĩnh vực điều khiển mức nước thực tế nguyên lý hoạt động ứng dụng điều khiển PID Ngồi cịn giúp em tiếp cận với hệ thống giám sát điều khiển mà cụ thể phần mềm WinCC Sau thời gian giao nhiệm vụ thiết kế đề tài tốt nghiệp trên, hướng dẫn tận tình thầy giáo Th.S Nguyễn Đức Mính, thầy môn nỗ lực thân em hồn thành nhiệm vụ Do thời gian có hạn, chưa có nhiều kinh nghiệm thực tế, đồ án em khơng tránh khỏi thiếu sót, kính mong thầy bạn bảo thêm Qua em xin cảm ơn thầy giáo dìu dắt em năm học vừa qua Em xin chân thành cảm ơn thầy cô khoa Điện-Điện tử dạy dỗ trang bị cho em kiến thức chuyên ngành quý giá Sắp trở thành kỹ sư điện, em cố gắng không ngừng học hỏi, trau dồi thêm kiến thức kỹ năng, áp dụng sáng tạo hiểu biết học vào cơng việc thực tế sau Sinh viên thực Vũ Trọng Nghĩa 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO Thân Ngọc Hoàn, Nguyễn Tiến Ban (2007), Điều khiển tự động hệ thống truyền động điện, Nhà xuất khoa học – kỹ thuật Nguyễn Văn Hòa (2000), Cơ sở lý thuyết điều khiển tự động, Nhà xuất khoa học – kỹ thuật Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh (1997), Tự động hóa với Siamatic S7-200, Nhà xuất Nông Nghiệp Trần Thu Hà, Phạm Quang Huy (2007), Tự động hóa cơng nghiệp với WinCC, Nhà xuất Hồng Đức http://tailieu.hpu.edu.vn http://webdien.com 87 ...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÕNG ISO 9001:2008 THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG BỘ PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC TRONG BỂ CHỨA CÔNG NGHIỆP ỨNG DỤNG PLC KẾT NỐI BIẾN TẦN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP... qua đề tài ? ?Thiết kế xây dựng PID để điều khiển mức nước bể chứa công nghiệp ứng dụng PLC kết nối biến tần? ?? , nêu lên ứng dụng đề tài thực tiễn, lĩnh vực liên quan đến điều khiển mức chất lỏng... TỐT NGHIỆP Sinh viên : Vũ Trọng Nghĩa – MSV : 1312102012 Lớp : ĐC1701- Ngành Điện Tự Động Công Nghiệp Tên đề tài : Thiết kế xây dựng PID để điều khiển mức nước bể chứa công nghiệp ứng dụng PLC kết