Các hệ thống ứng dụng tự động hóa đangdần thay thế các hệ thống thủ công, thay con người thực hiện các công việc nặng nhọc và khả năng thực hiện các công việc một cách chính xác ngay cả
Trang 1MỤC LỤC
MỤC LỤC 1
MỤC LỤC HÌNH ẢNH 3
LỜI MỞ ĐẦU 6
LỜI CẢM ƠN 7
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT 8
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 8
1.2 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 8
1.3 Ý NGHĨA THỰC TIỄN 9
1.4 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 10
1.4.1 Tính toán, thiết kế mô hình 10
1.4.2 Điều khiển động cơ 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 trong IoT 10
1.5 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 10
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 11
CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG 12
2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12
2.2 CHỌN THIẾT BỊ CHO HỆ THỐNG 15
2.2.1 Chọn thiết bị cho mạch động lực 15
2.2.2 Lựa chọn thiết bị cho mạch điều khiển 19
2.3 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG, MẠCH ĐIỆN 23
2.3.1 Thiết kế phần cứng bằng phần mềm SolidWorks 23
2.3.2 Thiết kế hệ thống điện với EPLAN 24
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 27
CHƯƠNG 3 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 và đồ thị thuật toán 29
3.2.2 Bộ điều khiển PI 31
3.2.3 Đánh giá chất lượng hệ thống 35
Trang 23.3 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
3.4 GIỚI THIỆU PLC S7-1200 40
3.4.1 Các tính năng về đo lường, điều khiển vị trí, điều khiển quá trình 41
3.4.2 Phần mềm lập trình 41
3.5 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
3.6 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 trên SCADA 49
3.6.3 Chế độ Trend trên SCADA 50
3.6.4 Chế độ Alarm-Report trên SCADA 51
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 54
CHƯƠNG 4 GIAO THỨC MQTT, WEBSEVER NODE-RED, KẾT NỐI DỮ LIỆU GIỮA PLC VÀ WEBSEVER NODE-RED THÔNG QUA GIAO THỨC MQTT 55
4.1 GIAO THỨC MQTT 55
4.1.1 Giao thức MQTT là gì ? 55
4.1.2 Các khái niệm trong MQTT 56
4.1.3 Ưu điểm và các ứng dụng của MQTT 57
4.1.4 Một số bước cơ bản để làm việc với giao thức MQTT 60
4.2 NODE-RED MQTT 63
4.2.1 Node-Red là gì ? 63
4.2.2 Các bước cơ bản làm việc với Node-Red MQTT 64
KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 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
Trang 3MỤC LỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1 Sơ đồ giải thuật PID của 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 thông số và tính chọn CB 2P 17
Hình 2.8 Bảng thông số và 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 của 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 trên phần mềm SolidWorks 23
Hình 2.20 Phần mềm EPLAN 24
Hình 2.21 Mô hình 3D của tủ điện thiết kế bằng EPLAN ProPanel 24
Hình 2.22 Kích thước tủ điện thiết kế bằng EPLAN ProPanel 25
Hình 2.23 Mạch động lực thiết kế bằng EPLAN Electric P8 26
Hình 2.24 Sơ đồ kết nối PLC thiết kế bằng EPLAN Electric P8 27
Hình 2.25 Sơ đồ điều khiển thiết kế bằng 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
Trang 4Hình 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 quá độ 36
Hình 3.15 Hiển thị đánh giá hệ thống trên trang Control 36
Hình 3.16 Hiển thị đánh giá hệ thống trên 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 của WINCC Professional 49
Hình 3.29 Màn hình hiển thị trang Control 49
Hình 3.30 Templates cho các 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 trong WinCC 51
Hình 3.34 Cấu hình khối dữ liệu cho chế độ Alarm 52
Hình 3.35 Các Alarm trong TIA Portal 52
Hình 3.36 Màn hình hiển thị trang Alarm-Report 53
Hình 3.37 Cấu hình dữ liệu Report 53
Hình 3.38 Bảng Report được xuất ra để lưu trữ 54
Hình 4.1 Mô tả giao thức MQTT 55
Hình 4.2 Ứng dụng của các tập đoàn sử dụng MQTT 58
Hình 4.3 Mosquitto với Node-Red qua giao thức MQTT 59
Hình 4.4 Giao tiếp giữa iOS và Raspberry bằng MQTT 59
Hình 4.5 Trang chủ cloudmqtt.com 60
Hình 4.6 Đăng nhập tài khoản đã đăng ký vào cloudmqtt.com 60
Trang 5Hình 4.7 Thông tin tài khoản đã đăng ký trên cloudmqtt 61
Hình 4.8 Khối MQTT_Client được mở trong TIA Portal 61
Hình 4.9 Command giá trị IP ping server 62
Hình 4.10 Websocket thể hiện các topic và các giá trị 62
Hình 4.11 Mô hình Node-Red 63
Hình 4.12 Các mô hình triển khai Node-Red 64
Hình 4.13 Đăng ký tài khoản IBM Cloud 64
Hình 4.14 Khởi tạo tên miền địa chỉ truy cập Node-Red 65
Hình 4.15 Giao diện trên trang điều khiển trên websever Node-Red 65
Hình 4.16 Giao diện trên websever Node-Red 65
Hình 4.17 Bảng Report trên web 66
Hình 4.18 Giao diện chức năng và tùy chỉnh trên Node-Red 67
Hình 4.19 Lập trình các chức năng trên Node-Red 67
Hình 4.20 Cấu hình trao đổi dữ liệu của cloudmqtt với websever Node-Red 68
Trang 6LỜI MỞ ĐẦU
Trong thời buổi công nghiệp hóa hiện nay, nền công nghiệp hiện đang phát triển
và chiếm ưu thế hơn so với các lĩnh vực khác trong đời sống sản xuất Trong đó, tựđộng hóa là một ngành mới nhưng đang chiếm vị trí rất quan trọng và không thể thiếutrong các hệ thống, các dây chuyền sản xuất Các hệ thống ứng dụng tự động hóa đangdần thay thế các hệ thống thủ công, thay con người thực hiện các công việc nặng nhọc
và khả năng thực hiện các công việc một cách chính xác ngay cả những công việc tinh
vi hiện đại, làm tăng năng suất
Để đạt được những thành tựu trên các hệ thống tự động phải được trang bị cácthiết bị điều khiển lập trình như bộ điều khiển PLC – một hệ thống điều khiển, giámsát thu thập dữ liệu có khả năng xử lý tại chỗ và khả năng nối mạng nhanh tạo thành
hệ thống mạng điều khiển theo chế độ thời gian thực Ngoài chức năng điều khiển vàgiám sát hệ thống còn có nhiều cơ sở dữ liệu, khả năng tự xác định và khắc phục hỏnghóc, khả năng thống kê, báo cáo và kết hợp với mạng máy tính quản lý lập kế hoạchtạo thành hệ thống tự động hóa sản xuất toàn cục Vì vậy, việc nghiên cứu PLC, biếntần và các hệ thống tự động trong công nghiệp là hết sức cần thiết
Với một thực tế, học phải đi đôi với hành, lý thuyết phải gắn liền với thực tiễn,việc thực hiện mô hình thực tế là cơ hội để sinh viên trải nghiệm, tự học hỏi nghiêncứu và vận dụng những kiến thức đã tích lũy vào thực tiễn, tạo ra một sản phẩm mangtính ứng dụng và tính công nghiệp Là điều kiện để tìm hiểu kỹ hơn về lý thuyết điềukhiển tự động, khả năng lập trình và giám sát hệ thống qua giao diện Webserver.Trong quá trình thực hiện, nhóm cũng gặp không ít khó khăn khi thiết kế và thi công
mô hình, do thiếu kinh nghiệm thực tế, kiến thức hạn chế và sức ép về thời gian nênquá trình hoàn thành đồ án không tránh khỏi những thiếu sót Do vậy rất mong sựđóng góp quý báu của quý thầy cô và các bạn để đề tài hoàn thiện và phát triển tốt hơn
Xin chân thành cảm ơn Trần Quốc Vương, Ca Lê Vũ
Trang 7Để có thể hoàn thành được đề tài này, nhóm thực hiện đề tài xin chân thành cảm
ơn các thầy, cô giáo trường Đại Học Giao Thông Vận Tải TP.Hồ Chí Minh nói chung
và các thầy, cô trong bộ môn Tự động hóa nói riêng đã tận tình hướng dẫn, giảng dạytrong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và rèn luyện ở trường
Xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn Th.S Nguyễn Minh Quyền đã trựctiếp hướng dẫn tận tình chu đáo và tạo điều kiện để nhóm thực hiện đề tài có thể hoànthành khóa luận này
Cuối cùng xin gửi lời cảm ơn gia đình, các bạn học viên trong lớp, các anh chị đitrước lời cảm ơn sâu sắc vì những đóng góp quý báu và sự động viên, giúp đỡ nhiệttình trong suốt thời gian học tập, cũng như quá trình nghiên cứu, hoàn thành đồ ánnày
Mặc dù đã cố gắng để thực hiện đề tài một cách hoàn chỉnh nhất Nhưng do buổiđầu làm quen và tiếp cận trong lĩnh vực mới cũng như hạn chế về kiến thức và kinhnghiệm nên không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định mà bản thân chưa nhìnnhận được Nhóm thực hiện đề tài rất mong nhận được sự góp ý của quý Thầy (Cô)giáo và các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn
Nhóm thực hiện đề tài xin chân thành cảm ơn!
Nhóm sinh viên thực hiện Trần Quốc Vương, Ca Lê Vũ
Trang 8CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong thời đại công nghiệp hóa, hiện đại hóa các phương pháp tiên tiến, các hệ thống sản xuất được hình thành ngày càng nhiều giúp năng suất lao động được tăng lên một cách rõ rệt Đặc biệt trong ngành điện tự động hóa đã có rất nhiều các hệ thống hiện đại, tối ưu được xây dựng và lắp đặt trong các nhà máy, xí nghiệp, giúp tăng năng
suất và giảm chi phí nhân công cũng như sức người
Hệ thống ổn định áp suất nói riêng cũng như các hệ thống yêu cầu xử lý tín hiệunhiệt độ, độ ẩm, áp suất được ứng dụng rộng rãi trong ngành tự động hóa công nghiệp
và cả trong cuộc sống Từ nguyên lý của hệ thống ta có thể phát triển rộng sang cácứng dụng khác có ảnh hưởng trực tiếp vào cuộc sống thường nhật và vấn đề ở đây là
ổn định áp suất trong một mô hình cụ thể tiêu biểu như nước ở khu dân cư, các tòanhà, nhà máy,…
Nhưng vấn đề đặt ra cụ thể là nhu cầu sử dụng nước của nhà máy không có quyluật, khác nhau ở từng thời điểm, nên làm sao để giải quyết áp suất nước trong đườngống để sử dụng ổn định và gây ít nguy hại nhất dẫn đến về các phần cứng như đườngống, máy bơm là một câu hỏi; bên cạnh đó, việc giám sát một cách hệ thống một cáchnhất quán cũng là một vấn đề cần được giải quyết
1.2 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Hệ thống ổn định áp suất nước trong nhà máy đã được nhiều người làm với nhiềuphương pháp khác nhau, nhiều thiết bị khác nhau, là nhà máy sẽ xây dựng tháp nước,các bơm trong hệ thống sẽ được khởi động trực tiếp với nguồn điện lưới và bơm nướclên các tháp Khi hoạt động, các bơm sẽ luôn trong trạng thái đầy tải cho đến khi thápnước đầy thì bơm được ngắt và khi nào thiếu nước bơm sẽ hoạt động trở lại Đối vớiphương pháp này, khi nhu cầu sử dụng nước thay đổi đột ngột và liên tục thì hệ thống
sẽ không đáp ứng kịp thời Ngoài ra, phương pháp này còn gây ra những hạn chế nhưsụt áp hệ thống điện do khởi động cùng lúc nhiều bơm; áp lực nước trong hệ thống đôikhi tăng quá cao không cần thiết có thể gây nứt hoặc bể ống nước, phải xả tràn làmthất thoát nước sạch hoặc điều chỉnh van để bảo vệ quá áp trong khi hệ thống bơm vẫnchạy với tốc độ tối đa gây lãng phí điện rất lớn, giảm tuổi thọ hệ thống bơm do khởiđộng trực tiếp với điện lưới
Xây dựng tháp có bể chứa nước trên cao, nước sạch được bơm lên bể chứa cógiám sát mực nước, chống được hiện tượng quá áp do nước được xả tự nhiên đến nơi
sử dụng nước Giải pháp này tốn nhiều chi phí xây dựng tháp nước, việc xây dựng vàhoàn thành công trình mất nhiều thời gian Bể nước trên cao dễ bị đóng rong rêu,nhiễm khuẩn, chi phí bảo dưỡng, vệ sinh và an toàn tháp về lâu dài rất cao, tốc độ cấpnước thụ động, không đáp ứng kịp khi nhu cầu sử dụng tăng
Vải nhân tạo được dệt từ sợi nhân tạo, trong đó sợi visco là loại được sản xuất và
Trang 9Các loại vải sau khi dệt thường rất cứng, khó thấm nên rất khó nhuộm màu vàchưa đạt được độ trắng cần thiết nên cần tiền xử lý trước khi 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 về 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 chính : nhuộm >130 độ, 3-4 bar, 2200l
Thuốc nhuộm Loại sợi Nhiệt độ nhuộm Ph nhuộm
Chính vì những điều này khiến người làm đề tài muốn nghiên cứu, thực thi đề tài
“Mô hình điều khiển, giám sát hệ thống bơm cấp nước đẳng áp cho nhà máy dệt nhuộm” với việc sử dụng thuật toán PID, giải thuật gọi bơm, giám sát qua SCADA và
-tích hợp IoT Industry
Vì đề tài mang tính mô hình, chỉ mô phỏng lại hoạt động cơ bản của quá trình ổnđịnh áp suất trong nhà máy dệt nhuộm nhằm mục đích trình bày và nghiên cứu nênchúng tôi thực hiện phương án thu nhỏ tỉ lệ giá trị áp suất đặt lại còn từ 0,3-0,4 bar
1.3 Ý NGHĨA THỰC TIỄN
Trong những năm gần đây, ngành điện tự động hoá phát triển không ngừng vàứng dụng điểu khiển áp suất được sử dụng trong nhiều các hệ thống nông nghiệp cũngnhư công nghiệp trong các lĩnh vực liên quan đến dung môi, chất lỏng
Biến tần là một thiết bị tự động đa năng, có nhiều tính năng điều khiển tốc độđộng cơ và tiết kiệm năng lượng, ứng dụng rộng rãi trong tất cả các ngành côngnghiệp, mang lại hiệu quả kinh tế cao
PLC là thiết bị dùng để điều khiển nhiều thiết bị đa dạng hỗ trợ các yêu cầu vềđiều khiển tự động, được ứng dụng trong nhiều hệ thống khác nhau
Đề tài được ứng dụng rộng rãi, nhằm đáp ứng vào nhu cầu thực tế trong lĩnh vực
tự động hóa, đặc biệt giải quyết được vấn đề điều khiển và giám sát một cách trựcquan
Trang 101.4 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
1.4.1 Tính toán, thiết kế mô hình
Tính toán chọn thiết bị phần cứng
Thiết kế 3D mô hình bằng SolidWorks, 3D tủ điện và mạch điện bằng EPLAN
1.4.2 Điều khiển động cơ bơm qua biến tần
Cài đặt thông số biến tần để điều khiển động cơ
Lập trình PLC thực hiện điều khiển bằng PID
1.4.3 Truyền thông PLC với biến tần
Truyền thông để gửi, nhận các tín hiệu : tần số, các giá trị setpoint, điều khiển…Lấy dữ liệu nhận được từ biến tần về PLC, sau đó lập trình, tạo giao diện kết nốiPLC với SCADA
1.4.4 Lập trình tạo giao diện SCADA, Webserver
Tạo được một giao diện thân thiện và tiện nghi cho người giám sát tại chỗ cũngnhư từ xa để hệ thống được hoạt động một cách tốt nhất
1.4.5 Kết nối SCADA với PLC
Nắm được phương thức truyền nhận dữ liệu giữa PLC và hệ thống SCADATruyền nhận dữ liệu giữa hệ thống Scada và PLC qua chuẩn giao tiếp Profinet
1.4.6 Kết nối Webserver với PLC thông qua giao thức MQTT trong IoT
Nắm được phương thức truyền thông giữa PLC và webserver
Truyền nhận dữ liệu giữa PLC và webserver thông qua MQTT trên nềnwebserver Node-Red
1.5 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Các nội dung cần nghiên cứu:
Nội dung 1: Tìm hiểu giải pháp cho hệ thống
Nội dung 2: Thiết kế giải thuật cho hệ thống
Nội dung 3: Tìm hiểu biến tần SIEMENS SINAMICS V20
Nội dung 4: Truyền thông biến tần SIEMENS SINAMICS V20 & PLC
S7-1200
Nội dung 5: Thiết kế giao diện SCADA WINCC Professional
Nội dung 6: Phương thức truyền nhận tín hiệu giữa giao diện SCADA và PLC
Nội dung 7: Tìm hiểu về giao thức MQTT trong IoT kết nối công nghiệp
Nội dung 8: Tìm hiểu công cụ Node-Red
Trang 11 Nội dung 10: Truyền nhận dữ liệu từ PLC và Node-Red thông qua giao thứcMQTT
Nội dung 11: Thực nghiệm và tiến hành hiệu chỉnh
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Trong quá trình học tập, thảo luận và lên ý tưởng đề tài cho Luận văn tốt nghiệp,chúng tôi đã đi đến sự đồng nhất trong các vấn đề cốt lõi của Tự động hóa là giải thuậtPID, các khía cạnh của việc điều khiển, giám sát hệ thống một cách chính xác nhưngvẫn đảm bảo được tối ưu, mang tính hiệu quả trong bối cảnh của nền công nghiệp 4.0IoT Đó là nguyên nhân thúc đẩy chúng tôi nghiên cứu và thực hiện đề tài này
Trang 12CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG
2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Giải pháp
PLC S7-1200 hỗ trợ giải thuật PID Để ổn định được áp suất hệ thống, ta sử dụngchức năng PID của PLC Tín hiệu cảm biến được đưa về PLC sau đó tính toán xuất tínhiệu gửi xuống cho biến tần thông qua truyền thông kiểm soát áp suất hệ thống
Hình 2.1 Sơ đồ giải thuật PID của hệ thống
Các khâu của Bộ điều khiển PID
Khâu tỉ lệ (P)
Hình 2.2 Đồ thị PV theo thời gian với Kp thay đổi
Trang 13Khâu tỉ lệ (đôi khi còn được gọi là độ lợi) làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giátrị sai số hiện tại Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó vớimột hằng số Kp, được gọi là độ lợi tỉ lệ.
Độ lợi của khâu tỉ lệ lớn là do thay đổi lớn ở đầu ra mà sai số thay đổi nhỏ Nếu
độ lợi của khâu tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định (xem phần điều chỉnh vòng).Ngược lại, độ lợi nhỏ là do đáp ứng đầu ra nhỏ trong khi sai số đầu vào lớn, và làmcho bộ điều khiển kém nhạy, hoặc đáp ứng chậm Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá thấp,tác động điều khiển có thể sẽ quá bé khi đáp ứng với các nhiễu của hệ thống
Khâu tích phân (Kp)
Khâu tích phân (khi cộng thêm khâu tỉ lệ) sẽ tăng tốc chuyển động của quá trìnhtới điểm đặt và khử số dư sai số ổn định với một tỉ lệ chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển.Tuy nhiên, vì khâu tích phân là đáp ứng của sai số tích lũy trong quá khứ, nó có thểkhiến giá trị hiện tại vọt lố qua giá trị đặt (ngang qua điểm đặt và tạo ra một độ lệchvới các hướng khác)
Hình 2.3 Đồ thị PV theo thời gian với Ki thay đổi
Trang 14 Khâu vi phân (Ki)
Hình 2.4 Đồ thị PV theo thời gian với Kd thay đổi
Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển và đặc tính này
là đang chú ý nhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều khiển
Từ đó, điều khiển vi phân được sử dụng để làm giảm biên độ vọt lố được tạo rabởi thành phần tích phân và tăng cường độ ổn định của bộ điều khiển hỗn hợp Tuynhiên, phép vi phân của một tín hiệu sẽ khuếch đại nhiễu và do đó khâu này sẽ nhạyhơn đối với nhiễu trong sai số, và có thể khiến quá trình trở nên không ổn định nếunhiễu và độ lợi vi phân đủ lớn Do đó một xấp xỉ của bộ vi sai với băng thông giới hạnthường được sử dụng hơn Chẳng hạn như mạch bù sớm pha
Trang 15 Công suất tùy thuộc vào quy mô mô hình
Giải pháp: Chọn động cơ 3 pha
Trang 162.2.1.2 Chọn biến tần
Yêu cầu:
Biến tần ngõ ra pha pha 380 V
Công suất tùy thuộc vào quy mô mô hình
Có truyền thông Modbus RS485
Giải pháp: Chọn biến tần SINAMICS V20
Hình 2.6 Biến tần SINAMICS V20 SIEMENS
Cách ly, đóng cắt, bảo vệ ngắn mạch, bảo vệ quá tải cho mạch động lực
Tính chọn theo công thức P = U.I.cosφ từ đó tính được Iđm=2.5 A
Giải pháp: Chọn 4 MCB LS BKN ( 3 MCB 3P 6A, 1 MCB 2P 6A)
Trang 17 Mục đích: Cách ly, bảo vệ ngắn mạch, bảo vệ quá tải cho mạch động lực.
Giải pháp: Chọn cầu chì Kye Kentech-KHF-32M
Các thông số kĩ thuật:
Dạng tép 1 cực
Trang 18 Dòng điện tối đa: 32A
Điện áp tối đa: 690V
Hình 2.9 Cầu chì Kye Kentech-KHF-32M
Trang 192.2.1.6 Lựa chọn relay nhiệt
Mục đích: Bảo vệ quá tải cho thiết bị điện, động cơ
Giải pháp: Chọn relay nhiệt LS MT-32
Trang 20 Các thông số kĩ thuật:
Điện áp đầu vào: 200-240 VAC
Dòng điện đầu vào: 1.4A
Tần số 50-60Hz
Điện áp đầu ra: 24V DC
Dòng điện đầu ra: 4.5A
Công suất 100W
2.2.2.2 Lựa chọn đèn báo
Mục đích: Báo nguồn, báo tình trạng làm việc của hệ thống.
Yêu cầu: Sử dụng với điện áp điều khiển
Giải pháp: Chọn 2 đèn báo 24v và 3 đèn báo 220V.
Trang 21Hình 2.14 Các lại nút nhấn của Schneider Electric
2.2.2.4 Lựa chọn cảm biến
Mục đích: Đọc tín hiệu áp suất một cách chính xác để điều khiển hệ thống
Giải pháp: Chọn cảm biến PSA-01P của hãng AUTONICS
Hình 2.15 Cảm biến PSA-01P AUTONICS
Thông số kĩ thuật:
Loại hiển thị: Hiển thị Led 7 đoạn
Nguồn cấp: 24V
Dải điện áp cho phép: 90-110% điện áp định mức
Dải đo áp suất: 0-100 kPa
Dòng điện tiêu thụ : tối đa 50mA
Thời gian phản hồi: lựa chọn 2.5ms, 5ms, 100ms, 500ms
Ngõ ra analog: 1-5VDC ± 2%
2.2.2.5 Lựa chọn tủ điện
Mục đích: Gắn và bảo vệ các thiết bị điện trong mạch điều khiển và động lực.
Yêu cầu: Tủ có kích thước phù hợp với số lượng thiết bị và có sơn tĩnh điện.
Giải pháp: Chọn mua tủ điện tại cửa hàng bán tủ điện
Hình 2.16 Tủ điện
Thông số kĩ thuật: Tủ có kích thước là 55x50 cm và có sơn tĩnh điện.
Trang 222.2.2.6 Lựa chọn relay mực nước
Mục đích: Giám sát mực nước của bồn và đóng, cắt tiếp điểm khi hết nước
làm ngưng hệ thống tránh bơm chạy khô gây cháy bơm
Giải pháp: Chọn relay mực nước HANYOUNG FS-3
Hình 2.17 Relay mực nước HANYOUNG FS-3
Thông số kĩ thuật:
Model: FS-3A ( High Sensitivity)
Nguồn: 110 VAC/ 220 VAC 50/60Hz
Nguồn tiêu thụ: 3.2VA
Thời gian phản hồi: tối đa 80ms khi vận hành, tối đa 160ms khi trả về
2.3 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG, MẠCH ĐIỆN
2.3.1 Thiết kế phần cứng bằng phần mềm SolidWorks
Hình 2.18 Phần mềm SolidWorks
Trang 23SolidWorks là phần mềm thiết kế 3D có mặt từ 1997 được tạo bởi công tyDassault Systèmes SolidWorks Corp với các chức năng chính như:
Thiết kế mô hình 3D
Lắp ráp các chi tiết
Xuất bản vẽ dễ dàng
Công cụ tạo kích thước, quản lý dự án và quy trình hiệu quả
Tính năng gia công và phân tích động lực học
Hình 2.19 Hình ảnh thiết kế trên phần mềm SolidWorks
2.3.2 Thiết kế hệ thống điện với EPLAN
EPLAN với nền tảng CAE (Computer-Aid Engineering) đã phát triển các giảipháp thiết kế đã được chứng minh mang tính hiệu quả, góp phần cải thiện và nâng caohiệu suất mang lại lợi ích cho khách hàng trong nhiều năm trở lại đây EPLAN ElectricP8 và EPLAN ProPanel là một trong hai phần mềm quan trọng của EPLAN
Hình 2.20 Phần mềm EPLAN
Trang 242.3.2.1 Thiết kế tủ điện 3D bằng EPLAN ProPanel
EPLAN ProPanel là một phần mềm trên nền tảng của tổ hợp EPLAN Là giảipháp kỹ thuật dựa trên phần mềm để thiết kế và xây dựng các tủ điều khiển, tổng đài
và hệ thống phân phối điện linh hoạt trên mô hình 3D
Hình 2.21 Mô hình 3D của tủ điện thiết kế bằng EPLAN ProPanel
Hình 2.22 Kích thước tủ điện thiết kế bằng EPLAN ProPanel
2.3.2.2 Bảng vẽ mạch điện bằng EPLAN Electric P8
EPLAN Electric P8 là phần mềm toàn diện trong thiết kế tổng quan hệ thống
Trang 25kế, thi công hệ thống điện, phần mềm giúp tăng tối đa hiệu quả trong thiết kế, kiểmsoát tài liệu và lưu trữ dự án
Các chức năng chính của phần mềm như :
Thiết kế bản vẽ nguyên lý (Schematics)
Thiết kế layout tủ
Xuất báo cáo phục vụ mua sắm và thi công
Thiết kế và giao tiếp với PLC
Review, comment và thay đổi bản vẽ
Hình 2.23 Mạch động lực thiết kế bằng EPLAN Electric P8
Trang 26Hình 2.24 Sơ đồ kết nối PLC thiết kế bằng EPLAN Electric P8
Hình 2.25 Sơ đồ điều khiển thiết kế bằng EPLAN Electric P8
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
Thông qua việc khảo sát các ứng dụng thực tế trên thị trường của các giải pháp
có tính liên quan với mô hình; kết hợp với việc xây dựng mô hình thực tế từ thiết kế3D mô hình bằng phần mềm với tính chọn thiết bị phù hợp khả năng kinh tế nhưngvẫn đảm bảo tính hiệu quả, 3D tủ điện tới việc thiết kế các bản vẽ nguyên lý chuyênnghiệp như dự án Chúng tôi đã tập hợp các dữ liệu đó để tiếp tục phát triển đề tài đầy
đủ hơn, chuyên nghiệp hơn nhằm hoàn thiện đến mức cao nhất
Trang 27CHƯƠNG 3 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
3.1 SƠ ĐỒ GIẢI PHÁP
Hình 3.26 Sơ đồ giải pháp
Trang 283.2 LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN
3.2.1 Các lưu đồ và đồ thị thuật toán
Hình 3.27 System flowchart
Trang 29Hình 3.29 Giải thuật gọi bơm
Hình 3.30 Staging (Pump 2)
Trang 30Hình 3.31 Destaging (Pump 2)
Từ thực nghiệm và chọn lọc, nhóm đã chọn bộ điều khiển tích phân tỉ lệ, gọi tắt
là bộ điều khiển PI (Proportional-Integral controller) được ứng dụng rất phổ biến trongđiều khiển các quá trình công nghiệp, do khả năng điều khiển hiệu quả, cấu trúc đơngiản và phạm vi ứng dụng rộng
3.2.2 Bộ điều khiển PI
Về nguyên tắc, có hai kiểu tinh chỉnh bộ điều khiển PI đã được nghiên cứu vàtriển khai ứng dụng Đó là, tinh chỉnh ngay trong quá trình hoạt động của hệ thống(gọi tắt là tinh chỉnh online) và tinh chỉnh trong lúc tắt hệ thống hoặc chỉ cho hệ thốngvận hành một thời gian nhất định (gọi tắt là tinh chỉnh off-line) Trong đó, áp dụng giảithuật di truyền được xem là một phương pháp hiệu quả để tinh chỉnh off-line bộ điềukhiển (Singh, R & I Sen, 2004; Salami et al., 1995; Kwok et al., 1992) Tuy nhiên,việc tìm kiếm trực tiếp các giá trị tối ưu của các thông số bộ điều khiển trong miềnxác định của chúng đòi hỏi rất nhiều thời gian, cũng như có thể phải cần đến mô hìnhtoán của đối tượng (Nguyễn Chí Ngôn, 2008; Mitsukura et al., 1997) Trong khuynhhướng phát triển công nghiệp ngày nay, các quá trình thiết bị đòi hỏi việc tự động điềuchỉnh một cách hiệu quả, trong phạm vị hoạt động rộng, cùng với việc thiết kế và thicông bộ điều khiển đơn giản Tinh chỉnh online bộ điều khiển PI bằng các giải thuật
Trang 31thông minh được xem là một trong nhiều cách thức để đạt được yêu cầu này(Kanagaraj et al., 2008)
Bộ điều khiển PI được thực hiện bởi (Johnson M A & M H Moradi, 2005):
Trong đó, Kp và Ki lần lượt là độ lợi tỉ lệ và độ lợi tích phân của bộ điều khiển.Nhiệm vụ của người thiết kế bộ điều khiển PI, là chọn lựa bộ giá trị { Kp, Ki) thỏa mãncác yêu cầu về chất lượng điều khiển
Các thông số độ lợi Kp và Ki ảnh hưởng đến thời gian tăng (rise time), độ vọt lố(overshoot) và thời gian xác lập (setling time) của đáp ứng
Hệ thống sử dụng phương pháp FOPDT (first order plus dead time) để xác định các thông số của bộ điều khiển PI:
FOPDT là phương pháp dùng cho hệ bậc một với thời gian trễ
Hình 3.32 Phương pháp FOPDT
K=gain; L= time delay; T= time constant
Áp dụng theo các phép tính toán như các hình dưới từ 2 tài liệu: PID Tuning Guide by Robert C Rice, PhD và DESIGN OF PID CONTROLLER FOR FOPDT AND IPDT SYSTEM by RUBEN KANDULNA.
Để xác định được K (Gain):
Trang 32Với mô hình thực tế, chúng tôi tính được: Kp = 0.6/40 (bar/%) => K = 0.75
Với mô hình thực tế, chúng tôi tính được: T = 0.108(s)
Xác định L ( Time delay/Dead Time):
Trang 34 Sai số xác lập: là sai số của hệ thống khi thời gian tiến đến vô cùng
Sai số xác lập không những phụ thuộc vào cấu trúc và thông số của hệ thống
mà còn phụ thuộc vào tín hiệu vào
3.2.3.2 Đáp ứng quá độ: Độ vọt lố
Hiện tượng vọt lố: là hiện tượng đáp ứng của hệ thống vượt quá giá trị xác
lập của nó
Độ vọt lố: (Percent of Overshoot – POT) là đại lượng đánh giá mức độ vọt lố
của hệ thống, độ vọt lố được tính bằng công thức
Hình 3.38 Độ vọt lố
Trang 35 Thời gian quá độ (t qđ): là thời gian cần thiết để sai lệch giữa đáp ứng của hệ
thống và giá trị xác lập của nó không quá ε% (2% hoặc 5%)
Hình 3.39 Thời gian quá độ
Hình 3.40 Hiển thị đánh giá hệ thống trên trang Control