Thiết kế hệ thống điều khiển mức hai bình thông nhau

Trong đồ án tốt nghiệp nhóm em thực hiện với đề tài: “Thiết kế hệ thống điều khiển mức hai bình thông nhau” Chúng em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tâm, nhiệt tình của thầy ThS..

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC

HAI BÌNH THÔNG NHAU

Giáo viên hướng dẫn : ThS Chu Đức Việt

Sinh viên thực hiện :

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HN

Họ và tên

Khóa: 58 Viện: Điện

Ngành: Cử nhân điều khiển và Tự động hóa

1 Tên đề tài:

Thiết kế hệ thống điều khiển mức hai bình thông nhau

2 Nội dung thiết kế:

- Mô hình hóa

- Thiết kế bộ điều khiển - mô phỏng

- Thiết kế hệ thống điều khiển

- Cài đặt bộ điều khiển và thực nghiệm

 Cán bộ hướng dẫn: ThS.Chu Đức Việt

Ngày giao nhiệm vụ thiết kế: Ngày hoàn thành nhiệm vụ: ………

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU vii

CHƯƠNG 1: BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN 2

1.1 Đặt vấn đề 2

1.2 Hệ thống bình mức 2

1.3 Yêu cầu bài toán 3

1.4 Nhiệm vụ bài toán 3

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ MÔ HÌNH HÓA 4

2.1.Phân tích 4

2.2.Mô hình hóa hệ thống 4

2.2.1.Mô hình hóa đối tượng điều khiển 4

2.2.2.Mô hình hóa lý thuyết 5

CHƯƠNG 3:ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 8

3.1 Phương án thiết kế 8

3.2 Thiết kế bộ PID bằng Matlab 9

3.2.1 Cơ sở lý thuyết 9

3.2.2 Thiết kế bộ PID bằng Matlab 12

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 17

4.1 Các thiết bị sử dụng trong mô hình 17

4.1.1 Cảm biến áp suất 17

4.1.2 Van áp suất RCV Type 807 17

4.1.3 Bộ chuyển đổi dòng điện-áp suất Type 6102-53 i/p Converter 18

4.1.4 Cảm biến đo lưu lượng YF-S201 18

4.2.1 Tổng quan về PLC 19

4.2.2 Cấu tạo của CPU PLC S7 1200 20

4.2.3 Modul SM 1234 AQ2x14Bit 22

4.3 Hệ thống điều khiển 23

4.4 Bản vẽ thiết kế 24

4.5 Thiết kế giao diện WinCC 25

4.6 Phần mềm 26

4.6.1 Phần mềm lập trình Tia V13 26

4.6.2 Khối PID_Compact 28

4.6.3 Trình tự hoạt động 30

4.6.4.Chương trình điều khiển hệ thống 30

CHƯƠNG 5: CÀI ĐẶT BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐÃ ĐƯỢC THIẾT VẾ VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 35

5.1 Cài đặt bộ điều khiển PID trên PID_Compact 35

5.2 Chạy thử nghiệm và hiệu chỉnh tham số 37

5.3.Kết quả và đánh giá 41

KẾT LUẬN 43

TÀI LIỆU THAM KHẢO 45

DANH MỤC HÌ

Hình 1 1 Hệ thống bình nước 2

YHình 3 1 Mô hình điều kiển của hệ thống 9

Hình 3 2 Bộ điều khiển PID 10

Hình 3 3 Giao diện PID tuner 12

Hình 3 4 Bảng thông số PI qua PID tuner 13

Hình 3 5 Giao diện làm việc của Identification tool 14

Hình 3 6 Thiết lập dữ liệu vào 14

Hình 3 7 Cài đặt dạng mô hình 15

Hình 3 8 So sánh giá tri thực và nhận dạng 16

YHình 4 1 Cảm biến áp suất KL76-S36 17

Hình 4 2 Kiểu đấu dây của cám biến 17

Hình 4 3 Van áp suất RCV Typy 807 17

Hình 4 4 Bộ chuyển đổi dòng điện-áp suất Type 6102-53 i/p Converter 18

Hình 4 5 Cảm biến đo lưu lượng YF-S201 18

Hình 4 6 Sơ đồ chức năng của PLC 19

Hình 4 7 Chu kì quét của PLC 20

Hình 4 8 Hình ảnh CPU 1214 20

Hình 4 9 Hình ảnh modul SM 1234 23

Hình 4 10 Mô hình điều khiển bình mức 24

Hình 4 11 Sơ đồ đấu dây 25

Hình 4 12 Giao diện WinCC điều khiển bình mức 26

Hình 4 13 Giao diện khởi động của TIA 27

Hình 4 14 Giao diện soạn thảo chương trình 27

Hình 4 15 Sơ đồ của bộ PID_compact 28

Hình 4 16 Chương trình trên khối OB1(1) 32

Hình 4 19 Chương trình reset và sửa lỗi trên OB 30 34

YHình 5 1 Lựa chọn đối tượng điều khiển 35

Hình 5 2 Cài đặt kiểu tín hiệu vào, ra 36

Hình 5 3 Giao diện cài đặt giới hạn trên, dưới 36

Hình 5 4 Cài đặt thông số bộ PID 37

Hình 5 5 Giao diện Wincc khi đặt giá trị 150 mm 39

Hình 5 6 Giao diện Wincc khi có nhiễu tác động 39

Hình 5 7 Giao diện Wincc ở chế độ điều khiển bằng tay 40

Hình 5 8 Giao diện HMI khi hệ thống dừng hoạt động 40

Hình 5 9 Một số hình ảnh của hệ điều khiển (1) 41

Hình 5 10 Một số hình ảnh của hệ điều khiển (2) 42

Hình 5 11 Một số hình ảnh của hệ điều khiển (3) 42

DANH MỤC BẢ

Bảng 4 1 Thông số các CPU S7 1200 21

Bảng 4 2 Các chân inputs của khối PID_compact 28

Bảng 4 3 Các chân outputs của khối PID_compact 28

Bảng 4 4 Bảng phân địa chỉ 30

YBảng 5 1 Ảnh hưởng của từng tham số PID đến chất lượng điều khiển 38

LỜI NÓI ĐẦU

Trong ngành công nghiệp tự động hóa, điều khiển thiết bị theo yêu cầu

có sẵn, thiết bị được lập trình sẵn, thiết bị hoạt động dựa vào các tín hiệu phảnhồi ngày càng được áp dụng rộng rãi Điều đó giúp giảm bớt sức lao động

và tăng năng suất, chất lượng cho sản phẩm và bảo vệ sức khỏe của người laođộng

Hiện nay có rất nhiều cách điều khiển thiết bị như: vi mạch số, vi xử lí,

vi điều khiển, PLC, điều khiển bằng máy tính, điều khiển thông minh… Vớinhiều phương pháp điều khiển khác nhau PLC cho phép điều khiển với độchính xác cao, dễ dàng cho việc điều khiển và mở rộng nên được rất nhiềungười dùng lựa chọn

Trong đồ án tốt nghiệp nhóm em thực hiện với đề tài: “Thiết kế hệ thống

điều khiển mức hai bình thông nhau”

Chúng em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tâm, nhiệt tình của

thầy ThS Chu Đức Việt trong thời gian qua Do còn nhiều hạn chế về

chuyên môn, ngoại ngữ cũng như kinh nghiệm nên bài đồ án này còn có nhiềuthiếu sót Chúng em mong nhận được sự hướng dẫn, bổ sung, góp ý từ cácthầy cô, để chúng em có thể thu nhận thêm kiến thức cũng như hoàn thiện đồ

án này tới mức tốt nhất có thể

Em xin chân thành cảm ơn !

Hà Nội, tháng 6 năm 2018

Nhóm sinh viên:

CHƯƠNG 1: BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN

1.1 Đặt vấn đề

Hiện nay trong nền công nghiệp ngày càng hiện đại việc điều khiển vàkiểm soát được mức nước ngày càng được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực,ngành nghề khác nhau như: trong chế biến thực phẩm, nước giải khát, côngnghiệp hóa chất, pha chế chất lỏng, trong phòng thí nghiệm,

Các thiết bị dùng trong hệ thống điều khiển mức chất lỏng gồm: máybơm, van, cảm biến, bộ chuyển đổi Ta có thể dùng các loại cảm biến khácnhau phù hợp với yêu cầu của đối tượng kết hợp với các chương trình điềukhiển logic và để đáp ứng được các điều kiện và mức nước mà mình mongmuốn Hiện nay việc dùng PLC để điều khiển là khá thuận tiện và đơn giản và

có thể điều khiển được nhiều bài toán khác nhau Trong đồ án này chúng em

sử dụng PLC s7 1200 siemens để điều khiển hệ thống bình mức nhỏ để hiểu

rõ hơn về PLC s7 1200

1.2 Hệ thống bình mức

Hệ thống gồm: 2 bình nước đặt cách nhau một khoảng không gian, dùng

2 van xả bằng tay Hai bình mức có cùng thể tích chiều dài và rộng là 150mm,chiều cao 350mm

Dùng bơm nước từ bình dưới lên bình trên điều chỉnh lưu lượng qua vanđiều khiển Máy bơm được điều khiển bằng role

Dùng cảm biến đo áp suất của mức nước để đo áp suất trong bình đểđiều khiển mức nước cho phù hợp

Đo lưu lượng nước qua bộ đo lưu lượng: đo bằng bộ cảm biến lưu lượnghiển thị qua màn hình và cột nước

1.3 Yêu cầu bài toán

- Dùng bộ điều khiển PLC điều khiển van và máy bơm để điều khiểnlưu lượng nước chảy vào bình 1 sao cho mức nước bình 2 đạt giá trị đặt

- Mức nước được phản hồi qua cảm biến áp suất chuyển qua đơn vịchiều cao mức nước Lưu lượng được hiển thị qua 2 bộ cảm biến

- Hệ thống vận hành qua các nút start, stop, chế độ điều khiển tự động(điều khiển bám giá trị đặt mức nước), chế độ bằng tay (đóng mở lưu lượngtheo độ mở van)

- Hệ thống được điều khiển qua WinCC

1.4 Nhiệm vụ bài toán

- Phân tích và mô hình hóa

- Đề suất phương án thiết kế bộ điều khiển

- Thiết kế hệ thống điều khiển

- Cài đặt bộ điều khiển đã được thiết kế và thực nghiệm

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ MÔ HÌNH HÓA

2.1 Phân tích

Đối với một bài toán điều khiển thì yêu cầu tiên quyết là chúng ta phảixác định được mô hình đối tượng, ở đây là mô hình điều khiển mức nướctrong bình bằng độ mở van Khi xác định được mô hình đối tượng điều khiển

ta tiến hành thiết lập một bộ điều khiển

2.2 Mô hình hóa hệ thống

2.2.1 Mô hình hóa đối tượng điều khiển

Để tổng hợp được bộ điều khiển cho một đối tượng nào đó với độ chính xáccao thì ta phải hiểu biết về đối tượng, có nghĩa là ta phải tìm được một môhình toán học phản ánh được nguyên lý hoạt động của đối tượng Mô hìnhnày càng chính xác thì hiệu suất điều khiển sẽ càng cao Việc xây dựng môhình này gọi là mô hình hóa Người ta phân ra hai loại mô hình hóa theophương pháp là: mô hình hóa lý thuyết và mô hình hóa thực nghiệm

Phương pháp lý thuyết là phương pháp thiết lập mô hình dựa trên các địnhluật có sẵn về quan hệ vật lý bên trong và quan hệ giao tiếp với môi trườngbên ngoài của hệ thống Các quan hệ này được mô tả theo quy luật lý hóa, quyluật cân bằng… dưới dạng những phương trình toán học

Trong các trường hợp mà ở đó sự hiểu biết về những quy luật giao tiếp bêntrong hệ thống cũng như hệ thống với môi trường bên ngoài không được đủ

để có thể xây dựng được mô hình hoàn chỉnh, nhưng ít nhất từ đó cũng chobiết những thông tin ban đầu về dạng mô hình để khoanh vùng các mô hìnhthích hợp cho hệ thống, thì tiếp theo người ta phải áp dụng phương pháp thựcnghiệm để hoàn thiện nốt việc xây dựng một mô hình hệ thống Để hoànthành được việc này ta phải dựa trên cơ sở quan sát tín hiệu vào ra sao cho sailệch giữa nó với hệ thống so với những mô hình khác là nhỏ nhất Phương

2.2.2 Mô hình hóa lý thuyết

Từ việc nghiên cứu nguyên lý van điều khiển, ta đi đến được đường đặctính chính xác của mô hình điều khiển bình mức có dạng là khâu quán tínhbậc nhất

Phương trình tổng quát cho mức chất lỏng 2 bình:

(2.1)Phương trình G1, G2 tổng quát:

Viết lại phương trình động lực học:

Tuyến tính hóa (:

(2.15)(2.16)Với

Dùng biến đổi Lappace (2.15) và (2.16):

Qua thực nghiệm, với độ mở van 70% xác định được:

⇒

⇒

CHƯƠNG 3: ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU

 Với mô hình 2 bình mức: Do bình 2 sử dụng chiều cao L1 làm đầu vàonên ta phải thiết kế 2 vòng điều khiển phản hồi để điều khiển mức nướcbình 2 (L2):

Hình 3 1 Mô hình điều kiển của hệ thống

- Với , là mức nước bình 1, 2

- Với , : là giá trị đặt của mức nước bình 1, 2

- K: hệ số tỉ lệ

- , : lưu lượng nước vào bình 1, 2

- G11 là phương trình hàm truyền đạt của bình 1

- G112: đối tượng điều khiển của bộ điều khiển 2

- ĐK1, ĐK2: là 2 bộ điều khiển Mô hình điều khiển mức sử dụng bộđiều khiển PID để triệt tiêu sai lệch e (k)

3.2 Thiết kế bộ PID bằng Matlab

3.2.1 Cơ sở lý thuyết

a, Khái quát về PID

Đối với một hệ thống trong công nghiệp cũng như những ngành nghềkhác Để có được sự điều khiển chính xác theo yêu cầu của người vận hành hệthống thì có rất nhiều cách điều khiển Tuy nhiên, hệ thống điều khiển bằngPID vẫn chiếm một số lượng lớn với nhiều ưu điểm như đơn giản

Bộ điều khiển PID là bộ điều khiển phản hồi, được sử dụng rộng rãitrong các hệ thống điều khiển công nghiệp PID là viết tắt của ba thành phần

cơ bản có trong bộ điều khiển gồm khâu khuếch đại (P), khâu tích phân (I),khâu vi phân (D)

Hình 3 2 Bộ điều khiển PID

PID là một hệ thống hoàn hảo với 3 tính cách khác nhau:

- Phục tùng và thực hiện chính xác nhiệm vụ được giao (tỷ lệ)

- Làm việc và có tích lũy kinh nghiệm để thực hiện tốt nghiệm vụ (tíchphân)

- Luôn có sáng kiến và phản ứng nhanh nhạy với sự thay đổi tìnhhuống trong quá trình thực hiện nhiệm vụ (vi phân)

Lý do bộ điều khiển PID được sử dụng rộng rãi là tính đơn giản của nó

cả về cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc Bộ PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t)của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá độ thỏa mãn các yêu cầu cơ bản vềchất lượng:

- Nếu sai lệch e(t) càng lớn thì giá trị đầu ra bộ PID càng lớn u(t), dothành phần khuếch đại Kp

- Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thông qua thành phần ui(t), PID vẫnđưa ra tín hiệu điều chỉnh (vai trò của khâu tích phân)

- Nếu sự thay đổi sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần ud(t),phản ứng thích hợp của u(t) sẽ càng nhanh (vai trò của khâu vi phân)

Bộ PID được miêu tả bằng công thức sau:

Trong đó e(t) là tín hiệu đầu vào, u(t) là tín hiệu đầu ra, kp là hệ sốkhuếch đại, TI là hằng số tích phân và TD là hằng số vi phân Từ đó hàmtruyền đạt của bộ điều khiển PID:

R(s) = Kp (1 +) (2.3)

b, Thông số bộ PID

Để bộ điều khiển có tính chính xác cao thì 3 thông số bộ PID vô cùngquan trọng Có khá nhiều phương pháp để xác định nhưng những phươngpháp sau vẫn tối ưu hơn cả:

- Phương pháp Ziegler- Nichols

- Phương pháp chien-Hrones-Reswick

- Phương pháp tổng T của Kuhn

- Phương pháp tối ưu độ lớn và phương pháp tối ưu đối xứng

- Phương pháp tối ưu theo sai lệch bám

Phương pháp Ziegler-Nichols đưa ra công thức tính tham số cho bộ điềukhiển như sau:

- Nếu sử dụng bộ điều khiển khuếch đại R(s) = kp thì chọn Kp=

- Nếu sử dụng bộ PI với R(s) = Kp(1 +) thì chọn Kp= và Ti =

- Nếu sử dụng bộ PID với R(s)=kp(1+ + TDs) thì ta chọn Kp= , Ti=2L,Td=0.5L

3.2.2 Thiết kế bộ PID bằng Matlab

Để xây dựng bộ PID cho đối tượng ta sử dụng công cụ PID tunner trongphần mềm matlab Với hàm truyền đạt G1(s) = ta tìm được ở mục 2.2.2 tathực hiện các bước sau:

B1: Nhập hàm truyền của bình 1:

>> G1=tf (0.34, [77 1]);

B2: Khởi động PID tuner:

>> pidtool(G1)

Sau đó sẽ mở ra một cửa sổ giao diện tuner như hình dưới.

Hình 3 3 Giao diện PID tuner

Ở đây ta lựa chọn bộ PI cho đối tượng điều khiển

Thay đổi thời gian đáp ứng qua tính năng response times và tốc độ ổnđịnh qua tính năng transient behavior

Click vào show parameters ta xem được thông số bộ PI, độ quá điềuchỉnh

Hình 3 4 Bảng thông số PI qua PID tuner

Kp=3.066Ki=0.1195

⇒ Ti=

Nhập thông số bộ PI vào bộ điều khiển PID_compact_2;

Chạy chế độ Auto, đặt mức nước bình 1 là 100mm, thu được dữ liệu thay đổi mức nước theo thời gian.

B1: Nhập dữ liệu vào MATLAB:

Trong đó: Input là biến đầu vào

Output là biến đầu raData name tên file dữ liệuStarting time thời gian bắt đầu khảosát

Sampling time thời gian trích mẫu

Hình 3 6 Thiết lập dữ liệu vào

Hình 3 7 Cài đặt dạng mô hình Kết quả đạt được

Sau khi thực hiện xong các bước trên ta sẽ thu được mô hình là:

Ta có thể kiểm tra độ chính xác mô hình mà matlab tìm được so với dữliệu thực tế mà ta đã nhập vào bằng tính năng model ouput và được cửa sổdưới đây

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

4.1 Các thiết bị sử dụng trong mô hình.

Tín hiệu ra: 4 đến 20mA

Áp suất thay đổi từ 0 đến 20kPa

Kiểu đấu 2 dây

Kiểu đấu dây của cảm biến:

Hình 4 1 Cảm biến áp suất

KL76-S36 Hình 4 2 Kiểu đấu dây của cám biến

4.1.2 Van áp suất RCV Type 807

Ta sử dụng van áp suất RVC Type 807, sử

dụng áp suất khí để điều chỉnh độ mở van từ

0-100%, mục đích để điều khiển lượng nước vào

bình mức

Thông số kĩ thuật RCV 807:

Kích thước: ¼ 1 Hình 4 3 Van áp suất RCV 807

Phạm vi nhiệt độ: 70 1200℉

Dải dòng chảy: 0 6 CV

Phạm vi áp: lên đến 5000 PSI

4.1.3 Bộ chuyển đổi dòng điện-áp suất Type 6102-53 i/p Converter

Hình 4 4 Bộ chuyển đổi dòng điện-áp suất Type 6102-53 i/p Converter

Có sẵn như là các bộ phận lắp ráp với một hoặc hai I / P đơn vị chuyểnđổi Có sẵn ốc để gắn thiết bị, thường cho gắn tường hoặc ống

 Đầu vào 4 mA đến 20 mA

 Phân chia phạm vi: 4 đến 12 mA và 12 đến 20 mA

 Đầu ra điều chỉnh liên tục từ: 0,05 đến 6 thanh (0,7 đến 60 psi)

4.1.4 6 Cảm biến đo lưu lượng YF-S201

Loai cảm biến: hiệu ứng Hall

Điện áp làm việc: 5 đến 18V DC

Lưu lượng làm việc: 1 đến 30 l/min

Đặc tính dòng chảy: F=7.5 * Lưu lượng

Hình 4 5 Cảm biến đo lưu lượng YF-S201

Hình 4 8 Chu kì quét của PLC

Nguyên lý hoạt động của PLC: PLC hoạt động theo chu kì quét Bộ vi

xử lý của PLC sẽ quét các trạng thái của các tín hiệu đầu vào và thực hiện cácthuật toán đã được lập trình sẵn bởi chương trình điều khiển do người dùngcài đặt, sau đó sẽ xuất những tín hiệu ra đầu ra của PLC để điều khiển cácthiết bị chấp hành Thời gian hoàn thành một chu kì này gọi là chu kì quét củaPLC

4.2.2 Cấu tạo của CPU PLC S7 1200

1: Cấp nguồn2: Khay cắm thẻ nhớ3: Đầu nối dây có thể tháo được 4: Đèn led báo tín hiệu vào ra5:Cổng truyền thông PROFINET

Hình 4 9 Hình ảnh CPU 1214

S7 1200 là bộ điều khiển mạnh mẽ của Siemens, với nhiều cải tiến so vớiS7 200 hay 300 S7 1200 cung cấp sự linh hoạt và mạnh mẽ trong việc điềukhiển nhiều thiết bị, hỗ trợ nhu cầu tự động hóa của chúng ta Thiết kế nhỏgọn, cấu hình linh hoạt, và những khối hàm, tập lệnh mạnh mẽ làm cho PLCnày trở thành một giải pháp hoàn hảo cho điều khiển

CPU là sự kết hợp của một bộ vi xử lí, bộ nguồn được tích hợp sẵn, các