NCKH diều khiển tốc dộ tuabin thủy lực sử dụng PLC s7 1200

Hệ thống điều khiển là một tập hợp các thành phần vật lý có liên hệ tácđộng qua lại với nhau để chỉ huy hoặc hiệu chỉnh bản thân đối tượng hay một hệ thống khác.. Đặt bài toán tổng hợp h

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2

1.1 Khái niệm về điều khiển 2

1.2 Bộ điều khiển PID 2

1.3 Phương pháp mô hình hóa đối tượng điều khiển 3

1.3.1 Đặt bài toán tổng hợp hệ thống điều khiển bền vững 3

1.3.2 Phương pháp mô hình hóa 5

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 7

2.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu 7

2.2 Tuabin thủy lực 7

2.2.1 Khái niệm 7

2.2.2 Mục đích sử dụng 8

2.2.3 Nhà cung cấp 8

2.2.4 Yêu cầu điều khiển tốc độ tuabin 8

2.3 Tổng quan về mô hình thí nghiệm 9

2.3.1 Nguyên lý hoạt động của mô hình 9

2.3.2 Các thiết bị chính 10

2.3.3 Sơ đồ kết nối các thiết bị 13

CHƯƠNG III: PHƯƠNG PHÁP LẤY SỐ LIỆU VÀ NHẬN DẠNG ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN 17

3.1 Phương pháp lấy số liệu 17

3.2 Nhận dạng đối tượng điều khiển tốc độ bằng phần mềm vcascad 19

CHƯƠNG IV: LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 23

4.1 Phần mềm điều khiển 23

4.2 Giao diện vận hành 27 KẾT LUẬN 28 TÀI LIỆU THAM KHẢO 29

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại tuabin siêu nhỏ được sản xuất

để đáp ứng nhu cầu sử dụng của hộ gia đình ở những nơi xa xôi không thểkéo được điện lưới quốc gia, chi phí truyền tải điện năng quá cao hoặc nhữngnơi gần nguồn thủy năng có tiềm năng sử dụng cao Nhưng những loại tuabinnày chưa có bộ điều tốc đi kèm vì vậy chỉ có thể sử dụng cho mục đích thắpsáng hoặc là các tuabin này có tích hợp thêm bộ điều tốc nhưng giá thành rấtcao người tiêu dùng sẽ khó tiếp cận Vì vậy chúng em lựa chọn nghiên cứu đềtài:

“ Điều khiển bền vững tốc độ tuabin thủy lực công suất nhỏ hơn 1KW ”

Bằng sự cố gắng nổ lực của cả nhóm và đặc biệt là sự giúp đỡ tận tình,chu đáo của thầy hướng dẫn Th.s Đỗ Cao Trung, Th.s Nguyễn Mạnh Đứcchúng em đã hoàn thành đề tài và cho ra được sản phẩm cuối cùng Do kiếnthức và trình độ cũng như sự hiểu biết còn nhiều hạn chế nên không thể tránhkhỏi những thiếu sót Chúng em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến thầygiáo và các bạn sinh viên để đề tài này hoàn thiện hơn nữa Em xin chânthành cảm ơn

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Khái niệm về điều khiển

Điều khiển là tác động lên đối tượng để làm việc theo một mục đích nàođó

Hệ thống điều khiển là một tập hợp các thành phần vật lý có liên hệ tácđộng qua lại với nhau để chỉ huy hoặc hiệu chỉnh bản thân đối tượng hay một

hệ thống khác

Lý thuyết điều khiển gồm hai nhiệm vụ chính:

 Phân tích hệ thống: xác điịnh đặc tính đầu ra của hệ sau đóđem so sánh với những chỉ tiêu yêu cầu để đánh giá chấtlượng điều khiển của hệ thống đó

 Tổng hợp hệ thống: là xác định thông số và cấu trúc của thiết

bị điều khiển chính là thiết kế hệ thống điều khiển

Điều khiển bền vững: hệ thống điều khiển bền vững làm cho chất lượngsản phẩm ổn định, không phụ thuộc vào sự thay đổi của đối tượng cũng nhưcủa nhiễu tác động lên hệ thống Mục đích của điều khiển bền vững là chấtlượng vòng kín được duy trì mặc dù có sự thay đổi trong đối tượng

1.2 Bộ điều khiển PID

PID là bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân – vi phân (Proportional- Derivative) Bộ điều khiển PID được sử dụng rộng rãi để điều khiển đối tượngSISO theo nguyên tắc sai lệch:

Integral-Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc điều khiển đối tượng công nghiệp

1.3 Phương pháp mô hình hóa đối tượng điều khiển

1.3.1 Đặt bài toán tổng hợp hệ thống điều khiển bền vững

Để giải quyết bài toán, trước hết ta thiết kế hệ thống một vòng điều khiểncho đối tượng, bao gồm một đối tượng và một bộ điều chỉnh, như hình vẽ:

Hình 1.2: Sơ đồ cấu trúc điều khiển

z: giá trị đặt

y: đại lượng điều chỉnh – đầu ra của hệ thống

μ: tác động điều chỉnh – đầu ra của bộ điểu chỉnh

ε = z – y: sai số điểu chỉnh, là đầu vào của bộ điều chỉnh

λ: nhiễu quá trình tác động vào đầu vào của đối tượng

Khi có sự thay đổi trong mạng điện thì tốc độ trục quay sẽ thay đổi và có

sự sai khác so với những tốc độ định trước Cảm biến đo tốc độ sẽ đua dữ liệu

về bộ điều khiển Bộ điều khiển sẽ xử lý số liệu và đưa tín hiệu tới bộ phậnchấp hành là van không trục điều khiển mức độ đóng mở của van để tănggiảm lưu lượng nước qua van đưa tốc độ tuabin về ổn định

Đối tượng tĩnh là đối tượng có đường đặc tính quá độ tiến tới giá trị hữuhạn tức đặc tính quá độ tiệm cận ngang, khi triệt bỏ xung đầu vào thì đạilượng ra của nó quay về giá trị ban đầu.

Các đối tượng tĩnh có khả năng tự thiết lập trạng thái cân bằng tương ứng

với độ lớn của xung đầu vào, nên có tên gọi là đối tượng có tự cân bằng.

Khả năng tự cân bằng càng lớn nếu cùng với một xung bậc thang đầu vào, giátrị xác lập đầu ra của nó càng ít sai lệch so với giá trị ban đầu

Đối tượng tốc độ tuabin là đối tượng có tự cân bằng bởi vì khi tăng lưulượng nước thì tốc độ tuabin tăng dần và tiến tới một giá trị nhất định chứkhông thể cứ tăng mãi được

Điểm đặc trưng của các đối tượng công nghiệp là có trễ vận tải và có quántính lớn Trễ vận tải là thời gian kể từ thời điểm xuất hiện xung đầu vào ( khác

0 ) đến khi đại lượng ra bắt đầu thay đổi so với gái trị xác lập ban đầu

Độ quán tính của đối tượng phản ánh mức độ phản ứng chậm của nó, kể từkhi đại lượng ra bắt đầu thay đổi Do có quán tính lớn và trễ vận tải lên hầuhết cá đối tượng điều khiển công nghiệp đồng thời hệ thống điều khiển tươngứng là những bộ lọc tần số thấp

Do đó ta có thể nhận thấy hàm truyền của đối tượng tốc độ tuabin là dạngquán tính bậc hai có trễ

Nhiệm vụ điều chỉnh là giữ cho đại lượng điều chỉnh đầu ra tốc độ tua binkhông thay đổi đảm bảo tần số dòng điện ổn định ở mức 50Hz ( tương đươngvới tốc độ 1000 vòng/phút) Vì vậy cần xây dựng bộ điều khiển bền vững tốiưu.

Bộ điều khiển bền vững tối ưu có dạng: R(s) =

( )( )

Trong đó: K p – hệ số truyền; T I – hằng số tích phân; T D – hằng số vi phân

1.3.2 Phương pháp mô hình hóa.

1.3.2.1 Phương pháp kẻ tiếp tuyến.

Trên đồ thị đáp ứng quá độ, kẻ đường tiệm cận với đường cong tại trạngthái xác lập sẽ giúp xác định hệ số khuếch đại tính k Tiếp theo kẻ đường tiếptuyến tại điểm mà đường cong có độ dốc lớn nhất ( chính là điểm uốn đối với

Hình 1.3: Đặc tính quá độ của đối tượng có tự cân bằng

khâu quán tính bậc cao và là điểm xuất phát lên sau thới gian trễ với khâuquán tính bậc nhất) Giao điểm của tiếp tuyến này với đường trục thời gian sẽcho ta thời gian trễ xấp xỉ θ Thực chất đây là phương pháp sử dụng một điểmquy chiếu.

Hình 1.4: Đặc tính quá độ của đối tượng tự cân bằng, có điểm uốn

U(t u ,h u )

1.3.2.2 Phương pháp dùng phần mềm CASCAD

CASCAD là tổ hợp chương trình phục vụ thiết kế các hệ thống điều khiểnbền vững tối ưu, phổ biến trong các quá trình công nghiệp Có thể dùng để môphỏng hệ thống, cải tiến từng bộ phận, hoặc thiết kế hệ thống mới

CASCAD cho phép nhận dạng và mô hình hoá các đối tượng bất định,tổng hợp cấu trúc hệ thống, tổng hợp các bộ điều chỉnh và các bộ khử nhiễu,giải bài toán tối ưu hoá tham số hệ thống bằng phương pháp “vượt khe”

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

2.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu

hư hỏng cho thiết bị tải [4]

- Một số công trình nghiên cứu mô phỏng điều khiển tuabin nước côngsuất nhỏ, trình bầy các kết quả nghiên cứu mô hình hóa lý thuyết và chưa

2.2 Tuabin thủy lực

2.2.1 Khái niệm

Tuabin thủy lực là một thiết bị động lực biến đổi năng lượng của dòngnước (thủy năng) thành cơ năng thông qua trục nối với máy phát điện để biếnnăng lượng nước thành điện năng

2.2.2 Mục đích sử dụng

Tận dụng thủy năng của các con suối con sông nhỏ để tạo ra điện cungcho các hộ gia đình gần ngồn thủy năng hoặc các khu dân cư xa xôi nơi màđiện lưới quốc gia không thể cấp tới

Hiện trạng năng lượng hiện nay các nguồn tài nguyên than, đầu đangdần cạn kiệt trong tương lai khó đáp ứng được nhu cầu năng lượng Vì vậycần đẩy nhanh nghiên cứu các nguồn năng lượng tái tạo, trong đó thủy điệnnhỏ, siêu nhỏ đang rất có tiềm năng vì chi phí xây dựng lắp đặt, bảo dưỡngthấp, hiệu quả cao, ít ảnh hưởng đến môi trường và an toàn

Phục vụ mục tiêu điện khí hóa nông thôn do giảm được chi phí đầu tưkhi chuyển từ dùng PLC sang các vi xử lý để điều khiển

2.2.3 Nhà cung cấp

Trên thị trường hiện nay chủ yếu là các loại tuabin máy phát có xuất xứ

từ Trung Quốc với công suất siêu nhỏ (từ 1KW), với độ cao từ 4-5m có thể sửdụng tuabin để phát điện, chi phí đầu tư thấp Ngoài ra có thêm các loại tuabinxuất xứ từ các nước châu Âu nhưng công suất siêu nhỏ loại siêu nhỏ (từ10KW) và chí phí đầu tư cao

2.2.4 Yêu cầu điều khiển tốc độ tuabin

Mục đích sử dụng tuabin siêu nhỏ nhằm phát điện cấp cho hộ gia đình

sử dụng, để có thể cấp điện năng thì yêu cầu đầu tiên là tần số phải ổn định Ở

hộ gia đình luôn có những thời điểm tiêu thụ điện năng khác nhau từ đó làmthay đổi tốc độ tuabin vì vậy cần có bộ điều tốc để giữ cho tốc độ tuabin ổnđịnh Như vậy ngoài sử dụng điện năng chiếu sáng ra thì có thể sử dụng chonhững thiết bị điện khác và những mục đích sử dụng khác nâng cao hiệu quảđầu tư về kinh tế

2.3 Tổng quan về mô hình thí nghiệm

2.3.1 Nguyên lý hoạt động của mô hình

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý mô hình thí nghiệm

Hình 2.2: Hình ảnh thực tế mô hình thí nghiệm

Nguyên lý làm việc của mô hình thí nghiệm trên là: nước trong bể chứađược bơm vào ống góp sau đó qua các van vào quay tuabin để kéo máy phátđiện cấp nguồn điện cho thệ thống tải 1000W gồm các bóng đèn dây tóc,trong quá trình vận hành của hệ thống khi tải được giảm công suất thì bộ điềukhiển PLC sẽ tự động tác động lên van không trục V1 điều chỉnh lưu lượngnước thay đổi phù hợp để đảm bảo tốc độ tuabin ổn định.

Trong đó Van V1 là van không trục được điều khiển tự động bằng PLC cónhiệm vụ chính là thay đổi lưu lượng nước qua van tác động thay đổi côngsuất phát của tuabin, van V2 điều chỉnh bằng tay, van V3 là đường by-pass,van V4 van đóng mở nước vào bơm

2.3.2 Các thiết bị chính

a PLC s7 – 1200 (Programmable Logic Controller) là bộ điều khiển lậptrình được (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán logicthông qua một ngôn ngữ lập trình

Hình 2.3: Thiết bị PLC s7 1200

- CPU 1214C DC 6ES7 214 – 1AG40 – 0XB0

- Sử dụng nguồn điện: 24V DC

- 14 cổng Digital Input (DI) 24V DC

- 10 cổng Digital Output (DO) 24V DC

- 2 cổng Analog Input (AI) 0 – 10V DC

b Bộ hiển thị và chuyển đổi đo tốc độ MP5Y – 44

- Sử dụng để đọc tín hiệu đo tốc độ từ encoder sau đó hiển thị vàchuyển đổi tín hiệu đưa về bộ điều khiển PLC

Hình 2.4: Thiết bị hiển thị tốc độ

- Sử dụng nguồn điện: 100 - 220V ; tần số 50/60Hz

- Hiển thị LED 7 đoạn

- Nguồn cho cảm biến ngoài 12V DC - 800mA

c Van không trục

Van điều khiển là van không trục sử dụng cơ cấu chấp hành là servoTOWER Pro MG995

2.3.3 Sơ đồ kết nối các thiết bị.

a Sơ đồ đo điện áp, dòng điện

Hình 2.8: Sơ đồ đo điện áp

Hình 2.9: Hình ảnh tủ điện thực tế

Trong sơ đồ trên vôn kế được mắc song song với tải để đo điện áp, ampe

kế mắc nối tiếp với tải đo cường độ dòng điện Vôn kế có thang đo từ 300A, ampe kế có thang đo từ 0-5A

0-b Sơ đồ điều khiển

Hình 2.10: Sơ đồ điều khiển.

Hình 2.11: Hình ảnh thực tế sơ đồ nối thiết bị điều khiển

Trong sơ đồ trên: Từ nguồn 24V DC cực dương nối vào cổng L+ vàcực âm nối vào cổng M để cấp nguồn cho PLC Thiết bị MP5Y – 44 làđồng hồ đo và hiển thị số vòng quay và xuất tín hiệu analog DC 4 – 20mA(load 600Ω), tín hiệu về tốc độ được lấy ra từ 2 chân 9,10 được mắc với trở

470Ω để chuyển đổi xang thành tín hiệu DC 0 – 10V mục đích là kết nốiđược với ngõ vào AI của PLC s7 – 1200 Chân 9 là cực âm sẽ nối vào

cổng 2M, chân 10 cực dương nối vào AI 0 trên PLC để cấp tín hiệu tốc độcho PLC.

Khi có sự thay đổi tốc độ quay của tuabin thì PLC sẽ nhận tín hiệu chovào bộ PID để điều chỉnh độ mở van và xuất tín hiệu ra qua cổng DO 0,tín hiệu này sẽ vào mạch opto để điều chỉnh độ mở van không trục thaydổi lưu lượng nước qua van

Mạch opto sử dụng tlp 250 có nhiệm vụ cách ly khối điều khiển vớikhối công suất cũng như tạo xung cho chân PWM của servo để thay đổi độ

mở van không trục

CHƯƠNG III: PHƯƠNG PHÁP LẤY SỐ LIỆU VÀ NHẬN DẠNG ĐỐI

TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN 3.1 Phương pháp lấy số liệu

Bước 1: Khởi động hệ thống, hệ thống hoạt động ổn định với các thông sốnhư sau:

Công suất P = 400W, điện áp 220V

Tốc độ tuabin 1000 vòng/phút

Hình 3.1: Khi hệ thống hoạt động ở công suất 400W

Bước 2: Thay đổi phụ tải bằng cách tắt bớt 2 bóng đèn mắc nối tiếp, công suất

từ 400W giảm xuống 300W

Hình 3.2: Khi hệ thống hoạt động ở công suất 300W

Bước 3: Khi phụ tải giảm xuống thì tốc độ tuabin tăng lên, số liệu tốc độtuabin được ghi lại trong phần mềm điều khiển theo dạng đồ thị

Hình 3.3: Đồ thị sự thay đổi tốc độ tuabin theo thời gian

Bước 4: Từ đồ thị dữ liệu ở trên ta thu được bảng số liệu sau

thời gian (s) tốc độ tuabin (vòng/phút) thời gian (s) tốc độ tuabin (vòng/phút)

3.2 Nhận dạng đối tượng điều khiển tốc độ bằng phần mềm vcascad

Nhập số liệu vào phần mềm vscascad ta được đường thực nghiệm nhưhình sau

Hình 3.4: Đường cong thực nghiệm

Thực hiện các bước mô hình hóa đối tượng ta thu được hàm truyền củađối tượng và đường đặc tính như sau

Hàm truyền: O (s )= 130,5654

(1+0,141468 s) 2 e−0,166148 s

Hình 3.5: Đường cong sau khi nhận dạng

Ta có thể dễ dàng thấy đường cong sau khi nhận dạng với đường cong thực

có sai lệch, nguyên nhân do việc lấy số liệu chưa được nhiều, nếu có thể thựcnghiệm nhiều lần, dựng nhiều đường cong thực nghiệm thì chúng ta có thểdùng phương pháp thống kê từ đó dựng được đường cong một cách gần chínhxác nhất

Sau đó thực hiện thiết kế và tổng hợp bộ điều chỉnh bằng vcascad thu đượchàm truyền của bộ điều chỉnh

R (s )=0,00967 (1+ 1

0,282935 s+0,070734 s)

Hình 3.6: Tổng hợp bộ điều khiển trên vcascad

Đáp ứng ra của hệ thống theo kênh điều khiển:

Hình 3.7: Đáp ứng đầu ra theo kênh điều khiển

Nhận thấy độ quá điều chỉnh δ=24,51 % là cao nên ta giảm hệ số khuếch đạixuống khoảng 15% thu được đáp ứng đầu ra theo kênh điều khiển như sau

R (s )=0,00774 (1+ 1

0,282935 s+0,070734 s)

Hình 3.8: Đáp ứng đầu ra theo kênh điều khiển sau khi hiệu chỉnh

Nhận thấy sau khi giảm hệ số khuếch đại thì độ quá điều chỉnh giảm xuống

δ=11,08 % nhưng thời gian quá điều chỉnh tăng lên Ta thu đưuọc bộ điiềuchỉnh mới như sau:

CHƯƠNG IV: LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

4.1 Phần mềm điều khiển

Lưu đồ thuật toán

Hình 4.1: Lưu đồ thuật toán điều

Lập trình PLC ta cần khai báo các biến như sau:

Từ thông số của bộ PID đã tổng hợp được bằng vcascad ta đưa vào bộ điềukhiển PID trong PLC

Khi hệ thống vận hành với bộ điều khiển chưa hiệu chỉnh ta có đường đặctính như sau:

Từ đồ thị nhận thấy khi giảm phụ tải tốc độ tuabin tăng lên 1170 vòng/phút, thời gian điều chỉnh tốc độ tuabin về lại mức giá trị đặt ban đầu là 2,9s

Hình 4.2: Tốc độ thực tế tuabin thay đổi khi chưa hiệu chỉnh lại bộ

điều khiển

Ta thấy khi chưa có hiệu chỉnh lại bộ điều khiển, tốc độ tua bin thực tế

là 1201 vòng/phút phù hợp với giá trị δ=24.51 % của bộ điều chỉnh

Khi hệ thống vận hành với bộ điều khiển đã hiệu chỉnh ta có đường đặctính như sau:

Từ đồ thị nhận thấy khi giảm phụ tải tốc độ tuabin tăng lên 1110 vòng trênphút, thời gian điều chỉnh tốc độ tuabin về lại mứ giá trị đặt ban đầu là 3,4s

Hình 4.3: Tốc độ thực tế tuabin thay đổi khi hiệu chỉnh lại bộ điều khiển

Ta thấy khi hiệu chỉnh lại bộ điều khiển tốc độ thực tế của tuabin là

1161 vòng/phút phù hợp với giá trị δ=11.08 %

4.2 Giao diện vận hành