Thiết kế, tích hợp bộ cảm biến mức siêu âm trong hệ thống Scada

Bài viết cũng trình bày một giải pháp điều khiển và giám sát mức nước sử dụng bộ cảm biến trên kết hợp giải pháp truyền thông Modbus RTU để nâng cao độ ổn định, độ chính xác khi điều khiển và đảm bảo an toàn cho hệ thống điều khiển.

SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 THIẾT KẾ, TÍCH HỢP BỘ CẢM BIẾN MỨC SIÊU ÂM TRONG HỆ THỐNG SCADA DESIGN, INTEGRATE ULTRASONIC LEVEL SENSOR IN SCADA SYSTEM Nguyễn Đức Dương TĨM TẮT Bài báo trình bày việc nghiên cứu, xây dựng cảm biến mức dùng sóng siêu âm với tín hiệu đầu dạng chuẩn - 20mA Bộ cảm biến tích hợp với tính linh động, độ tin cậy cao tiếp xúc trực tiếp với môi trường dẫn điện Bài báo trình bày giải pháp điều khiển giám sát mức nước sử dụng cảm biến kết hợp giải pháp truyền thông Modbus RTU để nâng cao độ ổn định, độ xác điều khiển đảm bảo an toàn cho hệ thống điều khiển Các nghiên cứu sở để hoàn thiện cảm biến mức dùng sóng siêu âm thuật tốn điều khiển để áp dụng cơng nghiệp qn Từ khóa: Cảm biến siêu âm, hệ thống điều khiển giám sát thu thập liệu, vi điều khiển STM32 ABSTRACT The paper aims at the research, building of an ultrasonic level sensor with standard output ranging - 20 mA This sensor is integrated with high flexibility, reliability and does not have direct contact with the conductive environment The paper also presents a solution to control and supervise the water level which uses this sensor and is combined with communication solution Modbus RTU to improve the stability, accuracy when controlling and ensuring safety for the control system The research results will be the basis for improvement of the ultrasonic level sensor and the establishment of control algorithms to apply in the industry and army Keywords: Ultrasonic sensor, Supervisory Control And Data Acquisition, STM32 microchip Khoa Điện, Trường Đại học Kinh tế - Kỹ thuật Công nghiệp Email: ndduong86.ddt@uneti.edu.vn Ngày nhận bài: 25/7/2020 Ngày nhận sửa sau phản biện: 25/8/2020 Ngày chấp nhận đăng: 21/10/2020 phổ biến phương pháp đo mức chất lỏng mà không cần tiếp xúc với chất lỏng cần đo, cần kể đến phương pháp đo mức chất lỏng sóng siêu âm Phương pháp dựa sóng âm tần số cao (40kHz ÷ 50kHz) [1] Hiện nay, trường đại học kỹ thuật bước trang bị mơ hình điều khiển điều khiển q trình để sinh viên nâng cao trình độ kỹ thực hành để đáp ứng cách mạng công nghiệp Tuy nhiên nhiều trường đại học chưa trang bị mơ hình mơ hình thường phải nhập có giá thành cao Gần đây, số nhóm nghiên cứu chế tạo cảm biến siêu âm dùng vi xử lý Arduino Uno R3 cho thiết bị đo mưa [2] Tuy nhiên nhóm chưa kết nối cảm biến với thiết bị công nghiệp phần mềm công nghiệp để tạo hành hệ thống điều khiển q trình hồn chỉnh Nắm bắt nhu cầu này, tác giả mạnh dạn nghiên cứu, chế tạo cảm biến mức sóng siêu âm dùng vi xử lý STM32F091RC NUCLEO với tín hiệu đầu dạng chuẩn ÷ 20mA tích hợp vào mơ hình mạch vịng kín điều chỉnh mức chất lỏng mà tác giả tự lắp Sơ đồ công nghệ mô hình điều khiển mức nước minh họa hình H sp F1 F3  F2 GIỚI THIỆU Trong hệ thống SCADA dây chuyền sản xuất công nghiệp đời sống thường nhật, với chất lỏng, để lưu trữ vận chuyển, địi hỏi việc hiển thị mức chất lỏng Có nhiều công nghệ dùng để đo mức điều khiển q trình việc chọn lựa loại cảm biến thích hợp yêu cầu thiết yếu Một lưu chất làm ẩm ướt hay bám vào cảm biến dẫn đến việc hiển thị sai giá trị trình Do nhà máy cơng nghiệp sử dụng Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Hình Sơ đồ mơ hình điều chỉnh mức Các thơng số biến q trình mơ hình bao gồm: F1 : Lưu lượng thể tích nước cấp (m3/h) F2 : Lưu lượng thể tích nước đầu (m3/h) H : Chiều cao mức nước bình; Hmax = 0,6 (m) Vol 56 - No (Oct 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 27 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ : Khối lượng riêng nước; ρ =1000 (kg/m3) : Thể tích lượng nước bình : Bán kính bình; R = 0,3 (m) : Tốc độ bơm Pu01 (rad/s) Nguyên lý hoạt động: cấp nước từ thùng vào bình trụ trịn thẳng đứng tuyến thông qua bơm ba pha Pu01 van SV01 (van solenoid); tuyến thông qua bơm pha Pu02 van SV03 Nước từ bình chứa đưa ngồi thơng qua van SV02 Mức bình đo cảm biến siêu âm LT đưa điều khiển mức LIC kết hợp biến tần để điều chỉnh tốc độ bơm Pu01, từ điều chỉnh ổn định mức Một số yêu cầu kỹ thuật chung đặt mơ hình này: đảm bảo chạy an tồn, ổn định; độ xác cảm biến: lệch không 5%; cảm biến linh hoạt, dễ ghép nối với thiết sẵn có ρ V R ω XÂY DỰNG PHẦN CỨNG BỘ ĐO MỨC VÀ THUẬT TOÁN ĐO Phần cứng xây dựng dựa mạch truyền tin qua cáp nối nhằm mục đích tiện thay ghép nối, bao gồm: mạch đo, mạch điều khiển, mạch hiển thị Mạch đo sử dụng cảm biến siêu âm loại HC-SR04, loại cảm biến có độ xác cao (3mm), sử dụng phổ biến Cảm biến hoạt động cách phát tín hiệu siêu âm (tần số 40kHz) bắt đầu đếm thời gian nhận tín hiệu phản hồi Khoảng cách đo cảm biến tính từ tốc độ thời gian phản hồi Cảm biến siêu âm HC-SR04 có chân (Vcc - nguồn 5V, Trig - nối với vi điều khiển (Đầu phát), Echo - nối với vi điều khiển (đầu thu), GND - nối âm) Hình Sơ đồ đấu nối phần cứng cảm biến mức Mạch điều khiển sử dụng vi điều khiển STM32F091RC NUCLEO mạch chuyển đổi tín hiệu điện áp (0 ÷ 3,3V) sang tín hiệu dịng (4 ÷ 20mA) Bộ vi điều khiển STM32F091RC NUCLEO kết hợp lõi RISC 32-bit hiệu suất cao ARM Cortex M0 hoạt động tần số lên đến 48MHz, nhớ nhúng tốc độ cao (lên tới 256 kbyte nhớ Flash 32 kbyte nhớ SRAM) loạt thiết bị ngoại vi P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 kênh vào [3] Đây vi điều khiển mạnh, phổ biến, đặc biệt dung lượng nhớ tốc độ xử lý lớn ARDUINO UNO R3 số bo mạch khác Để cấu hình cảm biến mức, vi điều khiển STM32F091RC NUCLEO ta sử dụng chân PA12( SYS_SWCLK) PA13 ( SYS_SWDIO) Cấu hình chân PA0( Trig ) PA1 (Echo) chân đầu vào đầu kết nối với cảm biến siêu âm HC-SR04 chân xuất tín hiệu DAC chân PA5_DAC_2 Sơ đồ đấu nối mô-đun phần cứng cảm biến minh họa hình D St * 0.34 U D 18.18 U  3.3 H   60  D  / 60 Hình Lưu đồ thuật toán vi xử lý Để tiện sử dụng, tác giả tích hợp hình LCD kết hợp module giao tiếp I2C để hiển thị thông số đèn led để hiển thị trạng thái (trạng thái báo ngưỡng cao, hay ngưỡng thấp bình) Cụ thể, dùng hình LCD16 x với hai dịng hiển thị, dòng thứ hiển mức khoảng cách đo từ cảm biến tới mặt nước D (cm), dòng thứ hai hiển thị giá trị mức bình chứa H (%) Thuật toán cài đặt vi điều khiển STM32F091RC bao gồm ba nhiệm vụ bản: đo lường, xử lý chuyển đổi sang dạng tín hiệu chuẩn Thuật toán minh họa hình 3, đó: D - khoảng cách đo (cm), U - điện áp đầu (V), St - thời gian sóng siêu âm phát từ cảm biển quay trở lại Tiến hành triển khai thuật toán đo mức vi điều khiển thông qua phần mềm Arduino IDE XÂY DỰNG PHẦN CỨNG TỦ ĐIỀU KHIỂN MỨC, CƠ CẤU CHẤP HÀNH Cơ cấu chấp hành mơ hình điều khiển mức dùng hai bơm ly tâm Chọn bơm Pu01 loại DWO 037 dạng đầu inox với động ba pha cơng suất 370W (hình 4) Đây cấu chấp hành chính, loại bơm ba pha có cơng suất nhỏ, phù hợp với mơ hình thực hành, thí nghiệm Bơm Pu02 chọn loại JSWm 1CX với động pha cơng suất 370W Ngồi ra, ba van SV01, SV02, SV03 chọn loại van UNI-D có cuộn hút 24VDC Hệ thống điều khiển mơ hình điều khiển mức (hình 4) dựa việc ghép nối module công nghiệp qua dây nối cáp nối truyền thơng 28 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 56 - Số (10/2020) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 IndustrialIT 800xA hệ thống điều khiển sản xuất hãng ABB, tích hợp cho ứng dụng điều khiển q trình, phù hợp với nhà máy cơng nghiệp… So với hệ thống hãng khác Mitsubishi,Omron, IndustrialIT 800xA có nhiều ưu điểm vượt trội, cụ thể là: chế dự phòng, linh hoạt, hỗ trợ nhiều loại truyền thông, đặc biệt ethernet, modbus RTU cáp quang [4] Do mạch điều khiển, tác giả dùng CPU AC800M PM864; module vào, số DI810, DO810; module vào tương tự AI810 để kết nối với cảm biến siêu âm; nguồn 24VDC, máy tính PC; aptomat pha; cầu dao có chì, rơle trung gian Nhiễu trình F2 F3 Bình chứa chất lỏng Biến điều F khiển H Biến cần điều khiển Hình Các biến q trình mơ hình điều khiển mức f2(s) f1(s) H*(s) Ts Hình Sơ đồ cấu trúc mơ hình điều khiển mức Theo định luật bảo khối lượng, ta có biến thiên thể tích phần nước bình mơ tả phương trình (1): dV F1  F3  F2 (1) dt Với V thể tích nước bình trụ trịn thẳng đứng, V  R2H ta có phương trình vi phân mơ tả bình chứa (2): dH  F1  F3  F2   g; A  R  const dt A (2) Từ (2), xét trạng thái xác lập, ta có phương trình (3): F1  F3  F2  (3) Từ (2) (3), ta có phương trình sai phân mơ tả bình chứa (4):   F1  F3  F2  (4) A Từ (4, ta có phương trình Laplace mơ tả bình chứa (5): H  Hình Phần cứng hệ thống điều khiển mức cấu chấp hành Xanh dương BỘ CHUYỂN ĐỔI Data + Data - VCC GND RS232 Xanh dương Trắng xanh dương Trắng xanh R485 Trắng xanh dương RS485 H* (s)  Cổng RJ45 biến tần SS2 Xanh Trắng xanh Xanh dương Xanh với H*  TD 0V 0V RD Trắng xanh dương RS232 COM3 AC800M Hình Sơ đồ kết nối truyền thơng Modbus RTU biến tần AC800M Với mô hình điều khiển mức, lưu lượng nước cấp F1 biến điều khiển F1 điều khiển thông qua điều khiển tốc độ bơm ba pha Pu01 với biến tần SS2-043-3.7K (2,2kW) [7] Tín hiệu điều khiển F1 điều chỉnh thông qua truyền thông modbus RTU biến tần CPU AC800M Do cổng truyền thông com CPU RS232, cổng truyền thông biến tần RS485 nên ta cần dùng chuyển đổi với sơ đồ nối dây minh họa hình KẾT QUẢ MƠ PHỎNG MẠCH VỊNG ĐIỀU CHỈNH MỨC Trên sở mơ hình điều khiển mức hình 1, xác định biến trình bao gồm biến điều khiển, biến điều khiển nhiễu minh họa hình Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn  f1(s)  f2 (s) Ts (5) F   F3 A.Hmax F1 H ; f1  ; f2  ;T  Hmax Fmax Fmax Fmax (6) ký hiệu ngang ( *) để giá trịc biến điểm làm việc, ký hiệu (Δ*) biểu diễn biến chênh lệch so với giá trị điểm làm việc; f1, f2 - giá trị tương đối lưu lượng đầu vào, đầu bình (%); Fmax - lưu lượng thể tích cực đại; Hmax - chiều cao cực đại (m); H* - giá trị mức tương đối (%) Từ (5), ta có sơ đồ khối mơ tả q trình mức minh họa hình P1 h1 v1 W W1 P2 h2 v2 W2 W  M Điều khiển Biến tần ~ Hình Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh lưu lượng dùng bơm Vol 56 - No (Oct 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 29 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P1, P2 v1, v2 h1, h2 W 1, W Q1 , Q Φ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 : Áp suất môi chất đầu vào, đầu bơm (N/m2) : Thể tích riêng mơi chất đầu vào, đầu bơm (m3/kg) : Hàm enthalpy môi chất đầu vào, đầu bơm : Lưu lượng khối lượng môi chất đầu vào, đầu bơm (kg/s) : Lưu lượng thể tích mơi chất đầu vào, đầu bơm (m3/s) : Thông lượng nhiệt đưa vào đơn vị chiều dài (W/m),   _ K3   F1 , T2  PFmax J2 _ Kết hợp (5) (10), ta có phương trình Laplace mơ tả q trình điều khiển mức kết hợp bơm ly tâm (11): H* (s)  K1Ps  K 1 sT2   K3 P  f2 (s)  Ts  v1  v , Q1  Q  F1, W1  W2  W  F1 v1 Theo định luật bảo tồn lương, ta có biến thiên lượng hệ thống bơm (hình 8) mơ tả phương trình (7): dE  PS  F1(P2  P1)  W(u2  u1) dt  với: P K1 K3 K2 1  sT2  f1  s  Ts f2  s KẾT QUẢ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN MỨC Áp dụng phương pháp điều khiển phản hồi vào đối tượng ta có sơ đồ khối mạch vịng điều chỉnh mức hình 10 (7) d Ps FP   k dt   H sp* RH GINV ( s)  Ps P K1 K3 K 1  sT2  f1  s  Ts f2  s  GLT ( s) (8) Pm  Mđ thành phần sinh momen động bơm  F1 FP (P2  P1 )   MC thành phần momen tải cần có   để làm chuyển động dung dịch Điều chỉnh lưu lượng F1 điều khiển tốc độ bơm tức điều khiển công suất bơm Pu01 Khi thay đổi lưu lượng thay đổi tốc độ bơm, ta có động học q trình phi tuyến có qn tính lớn [1] Từ (8), ta có phương trình sai phân mơ tả bơm ly tâm (9): _ Ps Hình Sơ đồ khối mơ hình điều khiển mức kết hợp điều chỉnh lưu lượng dùng bơm Theo tài liệu [5], ta có phương trình vi phân tốc độ quay động bơm (10): J (11) Sơ đồ khối mô tả trình điều khiển mức minh họa hình ω : Tốc độ quay động bơm (rad/s) PS : Công suất cấp bơm (W) u1, u2 : Nội đơn vị môi chất đầu vào, đầu bơm η : Hiệu suất bơm Trong trường hợp này: _ _  Ps  F1 P _ _ _ Hình 10 Mạch vịng điều chỉnh mức Bộ cảm biến mức dùng sóng siêu âm có hàm truyền GLT(s) ≈ Biến tần dùng để điều khiển tốc độ bơm, cài đặt chạy theo chế độ điều khiển tốc độ theo phương pháp tựa từ thông rotor - FOC kết hợp sensorless, điều khiển tốc độ tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu module, theo [6], ta có hàm truyền tồn khâu điều khiển tốc bơm biến tần có dạng cơng thức (12): GINV  s   _ f1(s)  K1Ps  K 1 sT2    K P _ _ _ P  F P  với K  ,K   s , PFmax PFmax 1 2sTs  2s2 Ts2  1 2sTs (12) Ts2 thành phần vô bé bậc cao  P  F P F  P (9) J  Ps  s  F1  P     Từ (9), ta có phương trình Laplace mơ tả bơm ly tâm phương trình (10): Theo kinh nghiệm, chọn Ts  0, 5T2 , ta có hàm truyền đạt đối tượng có dạng (13): S0  GINVK2 1 sT2  (10) K2  Ts T s (13) So với phương pháp Astron/Shei, Tyreus-Luyben, Nichols-Zigler, IMC-PID theo Skogesfad (SIMC-PID) có độ ổn định bền vững tốt hơn, tiêu lượng điều khiển tốt 30 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 56 - Số (10/2020) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 [1] Áp dụng luật chỉnh định SIMC-PID, ta có điều khiển mức cơng thức (14):   2T RH  KP 1  , i  2c , KP  cK2  si  (14) Với τc số thời gian lọc mong muốn Xét mơ hình điều khiển q trình với thông số: R  0,3m,Fmax  10m3 / h, F1  F2  0,5Fmax , Hmax  0,6m, P1  1N / m , P2  1,1P1 , J  0,005kgm2 đo; mạch điều khiển với tính thu nhận, phân tích xử lý thơng tin; mạch hiển thị minh họa hình 13 Ngoài ra, tác giả tiến hành lắp đặt toàn mơ hình (như hình 4) , tích hợp cảm biển mức LT01 vào mơ hình Bên cạnh đó, mơ hình, tác giả lắp đặt thêm cảm biển mức thứ hai LT02 loại UB2000-F42-U-V15 hãng Pepperl Tiến hành chạy thực nghiệm mơ hình hệ thống phần cứng, phần mềm ABB ta có đường đặc tính tín hiệu đo khoảng cách từ cảm biến đến bề mặt nước, minh họa hình 14 n  2800rpm, PS  370W, c  10s Triển khai mơ hình điều chỉnh mức (hình 10) Matlab/Simulink, ta có mơ hình mơ hệ thống điều chỉnh mức hình 11 đáp ứng điều chỉnh mức nước hình 12 Hình 13 Bộ cảm biến mức dùng sóng siêu âm LT01 Hình 11 Mơ hình mơ hệ thống điều chỉnh mức sử dụng Matlab/Simulink Hình 14 Tín hiệu đo hai cảm biến siêu âm Chú thích: Hình 12 Đáp ứng mức nước mô phần mềm Matlab/Simulink Các kết hình 12 cho thấy: giá trị mức đặt (đường nét đứt màu đỏ) thay đổi từ 5% lên 20% khoảng thời gian từ 30s đến 300s, từ 20% lên 40% khoảng thời gian từ 300s đến 600s, sau lên 60% khoảng thời gian từ 600s đến 900s giảm xuống 50% khoảng thời gian từ 900s đến 1200s Với điều khiển mức dạng tỷ lệ tích phân PI, mức nước bình bám sát giá trị mức đặt KẾT QUẢ CHẠY THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN Như trình bày phần trên, cảm biến mức lắp ráp tích hợp thành cơng gồm ba mơ-đun: mạch Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Tín hiệu đo cảm biến cơng nghiệp LT02 Tín hiệu đo cảm biến LT01 tự tích hợp Đường đặc tính LT01 bám sát đường đặc tính LT02, sai lệch đo LT01 so với LT02 có nhỏ, không đáng kể, đảm đảm yêu cầu đo mức Để kiểm tra tính ổn định đo mức siêu âm LT01, tác giả tiến hành thiết lập mạch vịng kín điều khiển mức nước Chương trình điều khiển thiết lập phần mềm Control Builder M Profession V5.1 (CBM), minh họa hình 15 Chương trình lập trình dựa Single Control Module Control Module với Parameter kết nối với thơng qua biến tồn cục, minh họa hình 16 Chương trình truyền thơng Single Control Module MODBUS RTU CPU AC800M với biến tần SS2 minh họa hình 17 Chương trình truyền thông thực thông qua ghi hàm MBConnect, MBWrite, MBRead… Thanh ghi H1001 (hệ số 16) chuyển Vol 56 - No (Oct 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 31 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 thành 4097 (hệ số 10) Đây ghi để truyền lệnh start/stop cho biến Thanh ghi H1009 chuyển thành 4105 (hệ số 10) Đây ghi để truyền tần số đặt từ điều khiển mức LIC (AC800M) xuống biến tần Hình 15 Code chương trình điều khiển CBM LT01: AnalogInCC GV02.AIS.LT01.Norm AnalogInput RealIO AI810/Ch.2 Out ControlConnection GV02.PID.LC_IN_C Pid: PidCC GV02.PID.LC_IN_C Pv ControlConnection GV02.PID.LC_SP Sp ControlConnection GV02.PID.LC_IN_PAR InteractionPar PIDPar FeedForward ControlConnection Out ControlConnection GV02.PID.LC_OUT Single Control Module MODBUS GV02.PID.LC_OUT Hình 18 Màn hình giao diện điều khiển mức chất lỏng Phần giao diện vận hành, điều khiển, giám sát thiết lập phần mềm Process Portal A, minh họa hình 18 Tiến hành chạy thực nghiệm hệ thống với tham số điều chỉnh chỉnh định từ cơng thức (16), ta có đáp ứng mức nước bình chứa hình 19 Các kết hình 19 cho thấy: giá trị mức đặt (đường màu đỏ) thay đổi từ lên 20%, từ 20% lên 40%, sau lên 60% giảm xuống cịn 50% thơng qua điều khiển mức nước bình đo (lấy từ cảm biến LT01) ln bám theo giá trị mức đặt, có điều chỉnh thời điểm mức đặt thay đổi, sai lệch trạng thái ổn định nhỏ (