Mô hình điều khiển, giám sát hệ thống bơm cấp nước đẳng áp cho nhà máy dệt nhuộm

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Th.S NGUYỄN MINH QUYỀN MỤC LỤC MỤC LỤC MỤC LỤC HÌNH ẢNH LỜI MỞ ĐẦU LỜI CẢM ƠN CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.2 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1.3 Ý NGHĨA THỰC TIỄN 1.4 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 10 1.5 1.4.1 Tính tốn, thiết kế mơ hình 10 1.4.2 Điều khiển động bơm qua biến tần 10 1.4.3 Truyền thông PLC với biến tần .10 1.4.4 Lập trình tạo giao diện SCADA, Webserver 10 1.4.5 Kết nối SCADA với PLC 10 1.4.6 Kết nối Webserver với PLC thông qua giao thức MQTT IoT .10 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .10 KẾT LUẬN CHƯƠNG 11 CHƯƠNG TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG 12 2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12 2.2 CHỌN THIẾT BỊ CHO HỆ THỐNG 15 2.3 2.2.1 Chọn thiết bị cho mạch động lực 15 2.2.2 Lựa chọn thiết bị cho mạch điều khiển 19 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG, MẠCH ĐIỆN 23 2.3.1 Thiết kế phần cứng phần mềm SolidWorks 23 2.3.2 Thiết kế hệ thống điện với EPLAN .24 KẾT LUẬN CHƯƠNG 27 CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH ÁP SUÁT DÙNG S7-1200 VỚI BIẾN TẦN SIEMENS; LÀM VIỆC VỚI GIAO DIỆN SCADA VÀ CÁC GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG 28 3.1 SƠ ĐỒ GIẢI PHÁP 28 3.2 LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN 29 3.2.1 Các lưu đồ đồ thị thuật toán .29 3.2.2 Bộ điều khiển PI 31 3.2.3 Đánh giá chất lượng hệ thống .35 SVTH: TRẦN QUỐC VƯƠNG, CA LÊ VŨ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 3.3 3.4 3.5 3.6 Th.S NGUYỄN MINH QUYỀN GIỚI THIỆU BIẾN TẦN 38 3.3.1 Biến tần SINAMICS V20 38 3.3.2 Cài đặt biến tần SIEMENS SINAMICS V20 .39 3.3.3 TRUYỀN THÔNG PLC VỚI BIỀN TẦN 40 GIỚI THIỆU PLC S7-1200 40 3.4.1 Các tính đo lường, điều khiển vị trí, điều khiển q trình .41 3.4.2 Phần mềm lập trình .41 CẤU HÌNH TRUYỀN THÔNG 42 3.5.1 Cấu hình PLC 42 3.5.2 Cấu hình biến tần 43 3.5.3 Khối lệnh truyền thông Modbus RTU 44 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG SCADA TRÊN WINCC PRO CỦA TIA PORTAL 47 3.6.1 Giao diện lập trình scada .49 3.6.2 Chế độ Control SCADA 49 3.6.3 Chế độ Trend SCADA 50 3.6.4 Chế độ Alarm-Report SCADA 51 KẾT LUẬN CHƯƠNG 54 CHƯƠNG GIAO THỨC MQTT, WEBSEVER NODE-RED, KẾT NỐI DỮ LIỆU GIỮA PLC VÀ WEBSEVER NODE-RED THÔNG QUA GIAO THỨC MQTT 55 4.1 4.2 GIAO THỨC MQTT 55 4.1.1 Giao thức MQTT ? 55 4.1.2 Các khái niệm MQTT 56 4.1.3 Ưu điểm ứng dụng MQTT 57 4.1.4 Một số bước để làm việc với giao thức MQTT 60 NODE-RED MQTT 63 4.2.1 Node-Red ? 63 4.2.2 Các bước làm việc với Node-Red MQTT 64 KẾT LUẬN CHƯƠNG 68 HẠN CHẾ VÀ CÁCH KHẮC PHỤC CỦA ĐỀ TÀI 69 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .70 TÀI LIỆU THAM KHẢO .71 SVTH: TRẦN QUỐC VƯƠNG, CA LÊ VŨ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Th.S NGUYỄN MINH QUYỀN MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1 Sơ đồ giải thuật PID hệ thống 12 Hình 2.2 Đồ thị PV theo thời gian với Kp thay đổi 12 Hình 2.3 Đồ thị PV theo thời gian với Ki thay đổi 13 Hình 2.4 Đồ thị PV theo thời gian với Kd thay đổi 14 Hình 2.5 Bơm CNP 15 Hình 2.6 Biến tần SINAMICS V20 SIEMENS 16 Hình 2.7 Bảng thơng số tính chọn CB 2P 17 Hình 2.8 Bảng thơng số tính chọn CB 3P 17 Hình 2.9 Cầu chì Kye Kentech-KHF-32M .18 Hình 2.10 Contactor 3P LS MC-9b 19 Hình 2.11 Relay nhiệt LS MT-32 19 Hình 2.12 Nguồn OMRON S8JC-Z10024C 20 Hình 2.13 Đèn báo 20 Hình 2.14 Các lại nút nhấn Schneider Electric 21 Hình 2.15 Cảm biến PSA-01P AUTONICS 21 Hình 2.16 Tủ điện 22 Hình 2.17 Relay mực nước HANYOUNG FS-3 22 Hình 2.18 Phần mềm SolidWorks 23 Hình 2.19 Hình ảnh thiết kế phần mềm SolidWorks .23 Hình 2.20 Phần mềm EPLAN 24 Hình 2.21 Mơ hình 3D tủ điện thiết kế EPLAN ProPanel 24 Hình 2.22 Kích thước tủ điện thiết kế EPLAN ProPanel .25 Hình 2.23 Mạch động lực thiết kế EPLAN Electric P8 26 Hình 2.24 Sơ đồ kết nối PLC thiết kế EPLAN Electric P8 27 Hình 2.25 Sơ đồ điều khiển thiết kế EPLAN Electric P8 27 Hình 3.1 Sơ đồ giải pháp 28 Hình 3.2 System flowchart .29 Hình 3.3 Control flowchart .29 Hình 3.4 Giải thuật gọi bơm 30 Hình 3.5 Staging (Pump 2) .30 Hình 3.6 Destaging (Pump 2) 31 Hình 3.7 Phương pháp FOPDT .32 Hình 3.8 Phương pháp xác định K 33 Hình 3.9 Phương pháp xác định Tp 33 SVTH: TRẦN QUỐC VƯƠNG, CA LÊ VŨ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Th.S NGUYỄN MINH QUYỀN Hình 3.10 Phương pháp xác định L 33 Hình 3.11 Phương pháp xác định K,Tp, L 34 Hình 3.12 Sai số xác lập 35 Hình 3.13 Độ vọt lố 35 Hình 3.14 Thời gian độ 36 Hình 3.15 Hiển thị đánh giá hệ thống trang Control .36 Hình 3.16 Hiển thị đánh giá hệ thống trang Trend 37 Hình 3.17 SIEMENS SINAMICS V20 38 Hình 3.18 PLC SIEMENS S7-1200 40 Hình 3.19 Cấu hình cho SIEMENS S7-1200 42 Hình 3.20 Cấu hình System and clock memory cho SIEMENS S7-1200 42 Hình 3.21 Khối lệnh MB_MASTER TIA Portal 44 Hình 3.22 Khối lệnh MB_COM_LOAD TIA Portal 46 Hình 3.23 Cấu hình WINCC Professional 47 Hình 3.24 Cấu hình WINCC Professional 47 Hình 3.25 Cấu hình WINCC Professional 48 Hình 3.26 Cấu hình WINCC Professional 48 Hình 3.27 Cấu hình WINCC Professional 48 Hình 3.28 Giao diện làm việc WINCC Professional 49 Hình 3.29 Màn hình hiển thị trang Control .49 Hình 3.30 Templates cho bơm 50 Hình 3.31 Thiết lập Trend .50 Hình 3.32 Màn hình hiển thị trang Trend .51 Hình 3.33 Chế độ Alarm WinCC 51 Hình 3.34 Cấu hình khối liệu cho chế độ Alarm .52 Hình 3.35 Các Alarm TIA Portal 52 Hình 3.36 Màn hình hiển thị trang Alarm-Report 53 Hình 3.37 Cấu hình liệu Report 53 Hình 3.38 Bảng Report xuất để lưu trữ .54 Hình 4.1 Mơ tả giao thức MQTT 55 Hình 4.2 Ứng dụng tập đoàn sử dụng MQTT 58 Hình 4.3 Mosquitto với Node-Red qua giao thức MQTT 59 Hình 4.4 Giao tiếp iOS Raspberry MQTT 59 Hình 4.5 Trang chủ cloudmqtt.com 60 Hình 4.6 Đăng nhập tài khoản đăng ký vào cloudmqtt.com 60 SVTH: TRẦN QUỐC VƯƠNG, CA LÊ VŨ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Th.S NGUYỄN MINH QUYỀN Hình 4.7 Thơng tin tài khoản đăng ký cloudmqtt .61 Hình 4.8 Khối MQTT_Client mở TIA Portal .61 Hình 4.9 Command giá trị IP ping server .62 Hình 4.10 Websocket thể topic giá trị 62 Hình 4.11 Mơ hình Node-Red 63 Hình 4.12 Các mơ hình triển khai Node-Red 64 Hình 4.13 Đăng ký tài khoản IBM Cloud .64 Hình 4.14 Khởi tạo tên miền địa truy cập Node-Red .65 Hình 4.15 Giao diện trang điều khiển websever Node-Red .65 Hình 4.16 Giao diện websever Node-Red .65 Hình 4.17 Bảng Report web 66 Hình 4.18 Giao diện chức tùy chỉnh Node-Red 67 Hình 4.19 Lập trình chức Node-Red 67 Hình 4.20 Cấu hình trao đổi liệu cloudmqtt với websever Node-Red 68 SVTH: TRẦN QUỐC VƯƠNG, CA LÊ VŨ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Th.S NGUYỄN MINH QUYỀN LỜI MỞ ĐẦU Trong thời buổi cơng nghiệp hóa nay, công nghiệp phát triển chiếm ưu so với lĩnh vực khác đời sống sản xuất Trong đó, tự động hóa ngành chiếm vị trí quan trọng thiếu hệ thống, dây chuyền sản xuất Các hệ thống ứng dụng tự động hóa dần thay hệ thống thủ công, thay người thực công việc nặng nhọc khả thực cơng việc cách xác công việc tinh vi đại, làm tăng suất Để đạt thành tựu hệ thống tự động phải trang bị thiết bị điều khiển lập trình điều khiển PLC – hệ thống điều khiển, giám sát thu thập liệu có khả xử lý chỗ khả nối mạng nhanh tạo thành hệ thống mạng điều khiển theo chế độ thời gian thực Ngoài chức điều khiển giám sát hệ thống cịn có nhiều sở liệu, khả tự xác định khắc phục hỏng hóc, khả thống kê, báo cáo kết hợp với mạng máy tính quản lý lập kế hoạch tạo thành hệ thống tự động hóa sản xuất tồn cục Vì vậy, việc nghiên cứu PLC, biến tần hệ thống tự động công nghiệp cần thiết Với thực tế, học phải đôi với hành, lý thuyết phải gắn liền với thực tiễn, việc thực mơ hình thực tế hội để sinh viên trải nghiệm, tự học hỏi nghiên cứu vận dụng kiến thức tích lũy vào thực tiễn, tạo sản phẩm mang tính ứng dụng tính cơng nghiệp Là điều kiện để tìm hiểu kỹ lý thuyết điều khiển tự động, khả lập trình giám sát hệ thống qua giao diện Webserver Trong q trình thực hiện, nhóm gặp khơng khó khăn thiết kế thi cơng mơ hình, thiếu kinh nghiệm thực tế, kiến thức hạn chế sức ép thời gian nên q trình hồn thành đồ án khơng tránh khỏi thiếu sót Do mong đóng góp quý báu quý thầy bạn để đề tài hồn thiện phát triển tốt Xin chân thành cảm ơn Trần Quốc Vương, Ca Lê Vũ SVTH: TRẦN QUỐC VƯƠNG, CA LÊ VŨ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Th.S NGUYỄN MINH QUYỀN LỜI CẢM ƠN Được phân công khoa Điện – Điện Tử trường Đại Học Giao Thông Vận Tải TP.Hồ Chí Minh đồng ý thầy giáo hướng dẫn Th.S Nguyễn Minh Quyền, chúng tơi thực đề tài mang tên: “Mơ hình điều khiển, giám sát hệ thống bơm cấp nước đẳng áp cho nhà máy dệt - nhuộm” Để hồn thành đề tài này, nhóm thực đề tài xin chân thành cảm ơn thầy, cô giáo trường Đại Học Giao Thơng Vận Tải TP.Hồ Chí Minh nói chung thầy, mơn Tự động hóa nói riêng tận tình hướng dẫn, giảng dạy suốt trình học tập, nghiên cứu rèn luyện trường Xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn Th.S Nguyễn Minh Quyền trực tiếp hướng dẫn tận tình chu đáo tạo điều kiện để nhóm thực đề tài hồn thành khóa luận Cuối xin gửi lời cảm ơn gia đình, bạn học viên lớp, anh chị trước lời cảm ơn sâu sắc đóng góp quý báu động viên, giúp đỡ nhiệt tình suốt thời gian học tập, q trình nghiên cứu, hồn thành đồ án Mặc dù cố gắng để thực đề tài cách hoàn chỉnh Nhưng buổi đầu làm quen tiếp cận lĩnh vực hạn chế kiến thức kinh nghiệm nên tránh khỏi thiếu sót định mà thân chưa nhìn nhận Nhóm thực đề tài mong nhận góp ý q Thầy (Cơ) giáo bạn để đề tài hoàn thiện Nhóm thực đề tài xin chân thành cảm ơn! Nhóm sinh viên thực Trần Quốc Vương, Ca Lê Vũ SVTH: TRẦN QUỐC VƯƠNG, CA LÊ VŨ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Th.S NGUYỄN MINH QUYỀN CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Trong thời đại cơng nghiệp hóa, đại hóa phương pháp tiên tiến, hệ thống sản xuất hình thành ngày nhiều giúp suất lao động tăng lên cách rõ rệt Đặc biệt ngành điện tự động hóa có nhiều hệ thống đại, tối ưu xây dựng lắp đặt nhà máy, xí nghiệp, giúp tăng suất giảm chi phí nhân công sức người Hệ thống ổn định áp suất nói riêng hệ thống yêu cầu xử lý tín hiệu nhiệt độ, độ ẩm, áp suất ứng dụng rộng rãi ngành tự động hóa công nghiệp sống Từ nguyên lý hệ thống ta phát triển rộng sang ứng dụng khác có ảnh hưởng trực tiếp vào sống thường nhật vấn đề ổn định áp suất mơ hình cụ thể tiêu biểu nước khu dân cư, tòa nhà, nhà máy,… Nhưng vấn đề đặt cụ thể nhu cầu sử dụng nước nhà máy quy luật, khác thời điểm, nên để giải áp suất nước đường ống để sử dụng ổn định gây nguy hại dẫn đến phần cứng đường ống, máy bơm câu hỏi; bên cạnh đó, việc giám sát cách hệ thống cách quán vấn đề cần giải 1.2 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Hệ thống ổn định áp suất nước nhà máy nhiều người làm với nhiều phương pháp khác nhau, nhiều thiết bị khác nhau, nhà máy xây dựng tháp nước, bơm hệ thống khởi động trực tiếp với nguồn điện lưới bơm nước lên tháp Khi hoạt động, bơm trạng thái đầy tải tháp nước đầy bơm ngắt thiếu nước bơm hoạt động trở lại Đối với phương pháp này, nhu cầu sử dụng nước thay đổi đột ngột liên tục hệ thống khơng đáp ứng kịp thời Ngồi ra, phương pháp cịn gây hạn chế sụt áp hệ thống điện khởi động lúc nhiều bơm; áp lực nước hệ thống đơi tăng q cao khơng cần thiết gây nứt bể ống nước, phải xả tràn làm thất thoát nước điều chỉnh van để bảo vệ áp hệ thống bơm chạy với tốc độ tối đa gây lãng phí điện lớn, giảm tuổi thọ hệ thống bơm khởi động trực tiếp với điện lưới Xây dựng tháp có bể chứa nước cao, nước bơm lên bể chứa có giám sát mực nước, chống tượng áp nước xả tự nhiên đến nơi sử dụng nước Giải pháp tốn nhiều chi phí xây dựng tháp nước, việc xây dựng hồn thành cơng trình nhiều thời gian Bể nước cao dễ bị đóng rong rêu, nhiễm khuẩn, chi phí bảo dưỡng, vệ sinh an toàn tháp lâu dài cao, tốc độ cấp nước thụ động, không đáp ứng kịp nhu cầu sử dụng tăng Vải nhân tạo dệt từ sợi nhân tạo, sợi visco loại sản xuất sử dụng nhiều SVTH: TRẦN QUỐC VƯƠNG, CA LÊ VŨ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Th.S NGUYỄN MINH QUYỀN Các loại vải sau dệt thường cứng, khó thấm nên khó nhuộm màu chưa đạt độ trắng cần thiết nên cần tiền xử lý trước nhuộm  Giũ hồ qua máy Boiloff, 600 độ , 30m/min  Relax (giặt) loại bỏ tiếp, tẩy trắng 1200-1300 độ C, 2600l  Định hình ổn định hình dạng (nhiệt cao nên “chết” sợi), 1900-2300 độ C, 20m/min  Giảm trọng (máy JET) để vải mỏng nhẹ hơn, dễ bắt màu Giai đoạn : nhuộm >130 độ, 3-4 bar, 2200l Thuốc nhuộm Loại sợi Nhiệt độ nhuộm Ph nhuộm 60 10.5-11 Hoạt tính Coton Phân tán PES 130-135 4.5-5.5 Cation CD