Điều khiển giám sát và ổn định mực chất lỏng dùng PLC s7 1200

Từ khi PLC Programable logic Controller-Bộ điều khiển có khả năng lập trình ra đời, nó đã tạo nên một bước ngoặc mới cho sự phát triển của tự động hóa trong công nghiệp, ứng dụng phổ biế

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT VÀ ỔN ĐỊNH

MỰC CHẤT LỎNG DÙNG PLC S7-1200

GVHD: TS TRƯƠNG ĐÌNH NHƠN SVTH: ĐÀO MINH TRÍ

MSSV: 11141351 SVTH: NGUYỄN LÊ VĂN THÀNH MSSV: 11141361

S K L 0 0 3 8 8 5

-***

Tp.Hồ Chí Minh, ngày … tháng …năm 2015

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên : Đào Minh Trí

Nguyễn Lê Văn Thành

 Khảo sát hệ thống

 Thu thập và xử lý dữ liệu

 Nghiên cứu giải thuật PID

3 Nội dung thực hiện đề tài:

 Tìm hiểu biến tần ABB

 Tìm hiểu cảm biến Honeywell-947-F4y-2D-1C0-300E

 Tìm hiểu PLC S7-1200 và phần mềm TIA Portal V13

 Thiết kế và thi công mô hình cơ khí

 Xây dựng giao diện điều khiển giám sát trên WinCC Advanced V13

4 Sản phẩm:

 Hoàn thành mô hình cơ khí,mô hình hoạt động đúng yêu cầu thiết kế

 Hoàn chỉnh hệ thống SCADA điều khiển và giám sát trên WINCC

Ngành : Công nghệ kỹ thuật điện tử truyền thông Lớp : 11141CLĐT2

Giảng viên hướng dẫn : TS Trương Đình Nhơn ĐT :

Ngày nhận đề tài: 10/3/2015 Ngày nộp đề tài: 20/7/2015

1.Tên đề tài : ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT VÀ ỔN ĐỊNH MỰC CHẤT LỎNG DÙNG

PLC S7-1200

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

MSSV : 11141351 MSSV : 11141361

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

-***

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ và tên Sinh viên: Đào Minh Trí MSSV: 11141351 Nguyễn Lê Văn Thành .MSSV: 11141361 Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử truyền thông Tên đề tài: ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT VÀ ỔN ĐỊNH MỰC CHẤT LỎNG DÙNG PLC S7-1200 Họ và tên Giáo viên hướng dẫn :TS Trương Đình Nhơn NHẬN XÉT 1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

5 Đánh giá loại:

6 Điểm:……….(Bằng chữ: )

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20…

Giáo viên hướng dẫn

(Ký & ghi rõ họ tên)

-***

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN 1 Họ và tên Sinh viên : Đào Minh Trí MSSV: 11141351 Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử truyền thông Tên đề tài: ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT VÀ ỔN ĐỊNH MỰC CHẤT LỎNG DÙNG PLC S7-1200 Họ và tên Giáo viên phản biện: …………

NHẬN XÉT 1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

5 Đánh giá loại:

6 Điểm:……….(Bằng chữ: )

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20…

Giáo viên phản biện

(Ký & ghi rõ họ tên)

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

-***

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN 2 Họ và tên Sinh viên : Nguyễn Lê Văn Thành MSSV: 11141361 Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử truyền thông Tên đề tài: ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT VÀ ỔN ĐỊNH MỰC CHẤT LỎNG DÙNG PLC S7-1200 Họ và tên Giáo viên phản biện: …………

NHẬN XÉT 1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

5 Đánh giá loại:

6 Điểm:……….(Bằng chữ: )

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20…

Giáo viên phản biện

(Ký & ghi rõ họ tên)



Lời đầu tiên nhóm thực hiện xin gửi lời cảm ơn đến tất cả quý thầy cô giảng dạy tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, đặt biệt là quý thầy cô Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao đã giảng dạy và cung cấp những kiến thức

bổ ích tạo tiền đề cho nhóm thực hiện đồ án này

Trên thực tế không có những thành công nào không gắn liền với sự hỗ trợ, giúp

đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác Trong đồ án tốt

nghiệp của nhóm cũng không ngoại lệ

Trong thời gian thực hiện đồ án, nhóm thực hiện đã nhận được sự giúp đỡ rất tận tình từ quý Thầy/Cô trong và ngoài khoa Điên-Điện tử, cũng như các bạn cùng làm

đồ án tại xưởng điện Nhờ sự giúp đỡ đó, nhóm đã hoàn thành tốt được đồ án tốt nghiệp của mình

Nhóm thực hiện xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn TS Trương

Đình Nhơn, thầy đã trực tiếp hướng dẫn và hỗ trợ giúp nhóm thực hiện đồ án một

cách thuận lợi và hoàn thành tốt đồ án

Đồng thời, nhóm xin gửi lời cám ơn đến các bạn cùng thực hiện đồ án tại xưởng điện đã chia sẽ trao đổi kiến thức cũng như kinh nghiệm trong thời gian thực hiện

Nguyễn Lê Văn Thành

TÓM TẮT

Khoa học kỹ thuật đang thay đổi và phát triển từng ngày, từng giờ đã cho ra đời các thiết bị số như CNC, PLC Các thiết bị này cho phép khắc phục được rất nhiều các nhược điểm của hệ thống điều khiển trước đó Từ khi PLC (Programable logic Controller-Bộ điều khiển có khả năng lập trình) ra đời, nó đã tạo nên một bước ngoặc mới cho sự phát triển của tự động hóa trong công nghiệp, ứng dụng phổ biến của PLC trong các hệ thống điều khiển công nghiệp hiện nay đã chứng minh được điều đó Cùng với sự ra đời của các phần mềm giám sát, PLC đã trở thành sự lựa chọn hoàn hảo cho các hệ thống điều khiển tự động trong công nghiệp

Nhằm ứng dụng các kiến thức đã được trang bị trong quá trình học tập vào thực

tế, nhóm thực hiện đã lựa chọn đề tài “ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH MỰC CHẤT

LỎNG DÙNG PLC” Nội dung chính của hệ thống là xử lý tín hiệu từ cảm biến

siêu âm đo mức để điều khiển hoạt động của hệ thống bơm ổn định mực chất lỏng trong bồn Hệ thống này có khả năng ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn như hệ thống chiết rót chai tự động, hệ thống pha trộn nguyên liệu chất lỏng, các trạm chứa nước cung cấp cho sinh hoạt và sản xuất Ngoài ra, nó còn có thể làm nền tảng để ứng dụng các thuật toán điều khiển vào các hệ thống khác như hệ thống ổn định lò nhiệt, hệ thống ổn định áp suất đường ống dẫn chất lỏng…

Những kiến thức, năng lực đạt được trong quá trình học tập ở trường sẽ được đánh giá qua đợt bảo vệ đồ án cuối khóa Vì vậy, nhóm thực hiện đề tài cố gắng tận dụng những kiến thức đã học ở trường cùng với sự tìm tòi, nghiên cứu và hướng dẫn tận tình của giáo viên hướng dẫn cùng Thầy/Cô thuộc Khoa Điện-Điện Tử để

TÓM TẮT TIẾNG ANH

Nowadays, with the development of science and technology, together with the robust application of science and technology in production and life, the quality and the efficiency of production are more advanced As a part of this development, liquid level controller fast and accurately is very important, which decides the

productivity of industries’ production line, especially in high accuracy industries

In recent years, automatic systems have played a leading role in advanced

technology and civilization of mankind With the main control unit is

Programmable Logic Control (PLC)

Studying and applying what we have learned in the real life is very necessary to master the current technology In order to contribute a solid foundation for learning and understanding the automatic control techniques, we have chosen the research topic “controller supervision and stability liquid levels” In industry, this model is

an usual part of manufacturing enterprise’s production system This thesis focus on controlling liquid level controller on application based on self-designed model An SCADA (with WinCC) system is also used to monitor the operating of the studied system

By practicing in real model, we have gained lots of valuable experiences for ourselves

With the limited working time, our working is capable of making errors So we are looking forward to priceless comments from experienced teachers as well as fellows

Sincerely,

Group’s members Đào Minh Trí

Nguyễn Lê Văn Thành

MỤC LỤC

Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp i

Phiếu nhận xét của giáo viên hướng dẫn ii

Phiếu nhận xét của giáo viên phản biện 1 iii

Phiếu nhận xét của giáo viên phản biện 2 iv

Lời cảm ơn v

Tóm tắt bằng tiếng việt vi

Tóm tắt bằng tiếng anh vii

Mục lục viii

Danh mục các chữ viết tắt xii

Danh mục các bảng biểu xiii

Danh mục các hình ảnh xiv

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1

1.1 Lý do chọn đề tài 2

1.2 Mục đích nghiên cứu 3

1.3 Đối tượng và phạm vị nghiên cứu 3

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu 3

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu của đề tài 3

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 4

1.5 Tình hình nghiên cứu 4

1.6 Phương pháp nghiên cứu 4

1.7 Bố cục và nội dung của đề tài 5

2.1 Thuật toán điều khiển 8

2.1.1 Thuật toán điều khiển PI 8

2.1.2 Thuật toán điều khiển PD 10

2.1.3 Thuật toán điều khiển PID 13

2.1.4 Chức năng của các khâu hiệu chỉnh trong bộ điều khiển PID 14

2.1.5 Tính toán thông số PID 17

2.2 Tổng quan mô hình bồn nước 18

2.2.1 Mô hình của hệ thống 19

2.2.2 Mô hình toán học của hệ thống 19

2.3 Tìm hiểu PLC S7-1200 21

2.3.1 Giới thiệu PLC S7-1200 21

2.3.2 Các led trạng thái 22

2.3.3 Các dòng sản phẩm của S7-1200 24

2.3.4 Module chức năng và module mở rộng 26

2.3.5 Giao tiếp của PLC S7-1200 29

2.4 Tìm hiểu phần mềm TIA Portal V13 và các lệnh cơ bản của PLC 32

2.4.1 Xây dựng một Project trong phần mềm TIA Portal V13 32

2.4.2 Download chương trình xuống PLC 38

2.4.3 Kỹ thuật lập trình 40

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG 43

3.1 Yêu cầu về mặt kết cấu 44

3.2 Sơ đồ khối của hệ thống ổn định mực chất lỏng 44

3.3 Thiết kế phần cơ khí 45

3.4 Lựa chọn các thiết bị điện 48

3.5 Sơ đồ kết nối hệ thống 55

3.5.1 Sơ đồ kết nối vào - ra 55

3.5.2 Sơ đồ hệ thống điện 57

CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT 59

4.1.Yêu cầu điều khiển 60

4.2 Lưu đồ giải thuật điều khiển hệ thống 60

4.2.1 Lưu đồ giải thuật chương trình chính 60

4.2.2 Lưu đồ giải thuật chương trình ổn định hệ thống dùng PID 62

4.3 Chương trình giám sát 62

4.3.1 Yêu cầu chương trình giám sát 62

4.3.2 Thiết kế chương trình giám sát 63

4.4 Thiết kế giao diện SCADA 63

4.4.1 Giới thiệu về phần mềm WinCC Advanced V13.0 63

4.4.2 Thiết kế giao diện 63

4.4.3 Biểu đồ hiển thị Trend 71

4.4.4 Xuất báo cáo dữ liệu ra Excel 73

CHƯƠNG V: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 74

5.1 Mô hình cơ khí sau khi hoàn thành 75

5.2 Giao diện SCADA 76

5.2.1 Giao diện màn hình chính 76

5.2.2 Giao diện điều khiển 77

5.2.3 Giao diện giám sát 78

5.2.4 File dữ liệu Excel 79

5.3 Đánh giá 79

5.3.1 Các sai số ảnh hưởng đến hệ thống 79

5.3.2 So sánh với các thiết bị khác 80

5.4 Nhận xét kết quả 81

CHƯƠNG VI: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 82

6.1 Kết luận 83

6.2 Hướng phát triển 84

Phụ lục, tài liệu tham khảo 85

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

PID : Proportional-Integral-Derivative

PLC : Programmable Logic Controller

SCADA : Supervisory Control And Data Acquisition

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng Trang

Bảng 2.1 Bảng thông số điều chỉnh PID dựa vào đáp ứng nấc hệ hở 18

Bảng 2.2 Hoạt động các LED chỉ thị trạng thái 23

Bảng 2.3 Thông số các loại PLC S7 – 1200 25

Bảng 2.4 Các module truyền thông, module tín hiệu và bảng tín hiệu 26

Bảng 3.1 Điện áp sử dụng của từng thiết bị 57

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình Trang

Hình 2.1 Sơ đồ khối khâu hiệu chỉnh PI 9

Hình 2.2 Đặc tính quá độ của khâu hiệu chỉnh PI 9

Hình 2.3 Giản đồ đáp ứng của khâu hiệu chỉnh PI 10

Hình 2.4 Sơ đồ khối khâu hiệu chỉnh PD 11

Hình 2.5 Đặc tính quá độ của khâu hiệu chỉnh PD 11

Hình 2.6 Giản đồ đáp ứng của khâu hiệu chỉnh PD 12

Hình 2.7 Sơ đồ khối khâu hiệu chỉnh PID 13

Hình 2.8 Đồ thị ảnh hưởng của khâu tỉ lệ 14

Hình 2.9 Đồ thị ảnh hưởng của khâu tích phân 15

Hình 2.10 Đồ thị ảnh hưởng của khâu vi phân 16

Hình 2.11 Đặc tuyến đáp ứng nấc của hàm truyền hệ hở 18

Hình 2.12 Mô hình bồn nước đơn 19

Hình 2.13 PLC Siemens S7-1200 22

Hình 2.14 Module nguồn PM1207 26

Hình 2.15 Bảng tín hiệu 27

Hình 2.16 Module nguồn mở rộng 28

Hình 2.17 Module truyền thông 28

Hình 2.18 Cổng Profinet 29

Hình 2.19 Kết nối PLC với máy tính 29

Hình 2.20 Kết nối PLC với màn hình HMI 30

Hình 2.21 Kết nối PLC với PLC 30

Hình 2.22 Kết nối PLC với nhiều PLC và HMI 31

Hình 2.23 Biểu tượng phần mềm TIA Portal V13 32

Hình 2.24 Cửa sổ dự án 33

Hình 2.25 Tạo dự án mới 33

Hình 2.26 Cấu hình cho thiết bị 33

Hình 2.27 Chọn thiết bị giao tiếp 34

Hình 2.28 Chọn loại PLC 34

Hình 2.29 Project mới được tạo thành 35

Hình 2.30 Cấu hình phần cứng cho thiết bị 35

Hình 2.31 Tag của PLC 36

Hình 2.32 Tạo nhóm Tag 37

Hình 2.33 Tìm và thay thế Tag PLC 37

Hình 2.34 Đổ chương trình xuống PLC 38

Hình 2.35 Thiết lập kết nối mạng 38

Hình 2.36 Hoàn tất download chương trình 39

Hình 2.37 Giám sát chương trình PLC 39

Hình 2.38 Go online 39

Hình 2.39 Chương trình được thực thi 40

Hình 2.40 Cấu trúc lập trình 40

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống ổn định mức chất lỏng 44

Hình 3.2 Các loại ống dẫn 45

Hình 3.3 Bơm chìm 46

Hình 3.4 Mô hình ổn định mực chất lỏng 47

Hình 3.5 Hình dạng của cảm biến siêu âm 48

Hình 3.6 Sơ đồ đấu dây của cảm biến siêu âm 49

Hình 3.7 Sơ đồ kích thước cảm biến siêu âm 49

Hình 3.8 Khoảng cách phát hiện vật 49

Hình 3.9 Biến tần ACS150 51

Hình 3.10 PLC S7-1200 53

Hình 3.11 Mô hình lắp đặt tủ điện 54

Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý kết nối phần cứng 55

Hình 3.13 Sơ đồ kết nối vào ra 56

Hình 3.14 Sơ đồ kết nối PLC và cảm biến 56

Hình 3.15 Sơ đồ kết nối biến tần lấy tín hiệu analog điều khiển 57

Hình 3.16 Sơ đồ cấp nguồn 220V AC 58

Hình 3.17 Sơ đồ cấp nguồn 24V DC 58

Hình 4.1 Lưu đồ giải thuật chương trình chính 61

Hình 4.2 Lưu đồ giải thuật chương trình ổn định hệ thống dùng PID 62

Hình 4.3 Giao diện của phần mềm TIA Portal 64

Hình 4.4 Lựa chọn phần mềm WinCC Advanced 64

Hình 4.5 Hướng dẫn thêm module giao tiếp 65

Hình 4.6 Tạo kết nối giữa WinCC và PLC 65

Hình 4.7 Tạo màn hình làm việc mới trong WinCC 66

Hình 4.8 Màn hình làm việc trong WinCC 66

Hình 4.9 Thư viện linh kiện, thiết bị 67

Hình 4.10 Tạo một button 68

Hình 4.11 Thay đổi màu button 68

Hình 4.12 Gán chức năng cho button 69

Hình 4.13 Gán chức năng cho I/O field 69

Hình 4.14 Các kiểu định dạng của I/O field 70

Hình 4.15 Tạo Text field 70

Hình 4.16 Bảng hiển thị Trend view 71

Hình 4.17 Tạo một đồ thị mới 72

Hình 4.18 Đồ thị f(x) trend view 72

Hình 4.19 Màn hình làm việc với Historical Data 73

Hình 4.20 Tạo Data logs 73

Hình 5.1 Vị trí các thiết bị sử dụng trong mô hình 75

Hình 5.2 Giao diện màn hình chính 76

Hình 5.3 Giao diện điều khiển 77 Hình 5.4 Đồ thị giám sát 78 Hình 5.5 Xuất dữ liệu ra Microsoft Excel 79

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

1.1 Lý do chọn đề tài

Tự động hóa quá trình công nghệ đã thực sự phát triển và ứng dụng mạnh mẽ trong công nghiệp, là sự lựa chọn tối ưu trong mọi lĩnh vực nhằm tạo ra sản phẩm chất lượng cao, tiết kiệm chi phí sản xuất tạo khả năng cạnh tranh mạnh mẽ trên thị trường

Trong các ngành công nghiệp sản xuất chất lỏng như hóa chất, nước uống đóng chai, sữa, nước mắm, dầu ăn… vấn đề cần điều khiển mức, lưu lượng dòng chảy cần đáp ứng với độ chính xác cao là rất quan trọng, đảm bảo quá trình sản xuất các chất lỏng không bị gián đoạn, tăng tuổi thọ thiết bị Người vận hành không cần phải trực tiếp kiểm tra trong các bồn chứa hoặc đóng mở bơm liên tục, vấn đề bị cạn hay tràn trong bồn chứa chất lỏng hoàn toàn được khắc phục cho dù đầu ra thay đổi

Chính vì vậy, chúng em chọn đề tài “ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT VÀ ỔN

ĐỊNH MỰC CHẤT LỎNG” Với yêu cầu ứng dụng thực tế trên, đối tượng đề tài

thực hiện chính ở đây là hệ bồn nước, hệ bồn nước được hình thành với hệ thống bơm và xả chất lỏng nhưng luôn giữ ổn định theo giá trị mức đặt trước, mực chất lỏng trong bồn được duy trì ổn định Để làm được điều này, nó đòi hỏi ta phải điều khiển lưu lượng chất lỏng từ máy bơm vào hệ thống bồn nước, làm mực nước trong bồn luôn luôn giữ một giá trị đặt trước là không đổi Việc điều khiển hệ thống để giữ được mức chất lỏng trong bồn ổn định à tương đối khó, cần phải có sự đáp ứng nhanh để điều khiển máy bơm khi lưu lượng nước xả thay đổi

Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển, đặc biệt là ngành tự động điều khiển, nó được ứng dụng rộng rãi trong đời sống, công nghiệp Vì vậy cần phải có những bộ điều khiển hiện đại, chính xác và đáng tin cậy PLC là một sự lựa chọn tốt nhất cho các ứng dụng trong công nghiệp với độ chính xác, ổn định và độ tin cậy cao

Với sự phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động hiện nay thì có nhiều phương pháp để điều khiển mức chất lỏng như phương pháp logic mờ (Fuzzy logic), mạng noron (Neutral Networks), noron mờ (Fuzzy Neutral Networks)… những phương pháp này thường được ứng dụng trong các hệ thống phức tạp Đối với hệ thống bồn nước đơn có độ phi tuyến không cao nên nhóm chúng em sử dụng bộ điều khiển PID kinh điển để điều khiển

1.2 Mục đích nghiên cứu

Mục đích của đề tài nhằm thực hiện ổn định mực chất lỏng theo yêu cầu dựa trên mô hình tự thiết kế Đồng thời sử dụng chương trình giám sát hệ thống SCADA dùng WinCC và hiện tại chương trình này được sử dụng rất nhiều trong các nhà máy công nghệ cao

Nhiệm vụ của đề tài là :

 Thiết kế, thi công hệ thống bơm ổn định mực chất lỏng

 Tìm thông số PID thích hợp cho hệ thống

 Hệ thống đáp ứng nhanh, ổn định và độ vọt lố nhỏ nhất

 Hiểu được hệ thống tự động hóa sử dụng PLC Siemens S7-1200 cũng như những hãng PLC khác

 Viết chương trình điều khiển bằng phần mềm TIA Portal V13

 Thiết kế chương trình giám sát hệ thống SCADA dùng WinCC RT giúp người dùng dễ dàng điều khiển và giám sát hệ thống qua các hướng dẫn, chế độ tự động, cũng như nhận biết các lỗi của hệ thống

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu

Nhóm tiến hành các phương pháp nghiên cứu dựa trên các nền tảng có sẵn:

 Bước đầu nghiên cứu lý thuyết liên quan đến hệ thống như: Bộ điều khiển PID, PLC S7-1200, biến tần, cảm biến…

 Xây dựng các thông số PID và mô phỏng chương trình trên Simulation của S7-1200

 Thi công hệ thống và cho hệ thống chạy thực tế để điều chỉnh các thông

số cho phù hợp

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu của đề tài

Trong đề tài, nhóm đã thực hiện nghiên cứu, thiết kế và thi công mô hình “Điều khiển ổn định mực chất lỏng dùng PLC” với các thành phần sau:

 Hệ thống được điều khiển ổn định bằng thuật toán PID

 Việc điều khiển hệ thống có thể được thực hiện bằng tay hoặc gián tiếp thông qua giao diện WinCC trên máy tính

 Giao diện điều khiển và giám sát có khả năng cài đặt thông số điều khiển, chọn chế độ điều khiển, hiển thị mực chất lỏng, đường đặc tính quá trình quá độ của hệ thống

Ngoài ra, các thuật toán điều khiển khác như mờ, nơron… không nằm trong phạm vi nghiên cứu của đề tài

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Đề tài giúp người đọc có hiểu biết sâu sắc hơn về hệ thống SCADA cũng như ứng dụng hệ thống ấy vào thực tế Thông qua đề tài, độc giả có thể tự xây dựng

được một mô hình ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT VÀ ỔN ĐỊNH MỰC CHẤT

LỎNG bất kỳ theo nhu cầu thực tế Đề tài còn giúp độc giả tiếp cận các phần mềm

hiện đang được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực tự động hóa, với độc giả đang là sinh viên chuyên ngành, đề tài có thể giúp ích rất nhiều cho quá trình học tập và nghiên cứu Qua đó sinh viên khi ra trường có thể chủ động nắm bắt được công việc, phát huy sáng tạo thêm những kiến thức đã học để hoàn thành tốt công việc

1.5 Tình hình nghiên cứu

Việc điều khiển vị trí chính xác mực chất lỏng trong bồn được chú trọng quan tâm nhiều trong các ngành công nghiệp sản xuất chất lỏng như hóa chất, nước uống đóng chai, sữa, nước mắm, dầu ăn Có thể nói rằng, điều khiển vị trí chính xác mực chất lỏng trong bồn một cách nhanh chóng, chính xác đóng vai trò rất quan trọng vì

nó quyết định đến năng suất của cả dây chuyền sản xuất ở các ngành nói trên đồng thời tăng tuổi thọ thiết bị, đặc biệt là trong các lĩnh vực yêu cầu độ chính xác cao Đối với mô hình điều khiển ổn định mực chất lỏng dùng PLC, đây là một phần trong các hệ thống sản xuất của các nhà máy… Trước đây việc giám sát các hệ thống này thường là do công nhân hoặc các máy tính bàn Việc ứng dụng PLC và HMI vào điều khiển giám sát đang dần thay thế các máy tính cồng kềnh và tiêu hao lớn điện năng Với các sinh viên thực hiện, việc xây dựng mô hình này là vừa sức nhằm ứng dụng các kiến thức lý thuyết đã học vào thực tế

1.6 Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện các nhiệm vụ nghiên cứu đã nêu, nhóm thực hiện dự kiến sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:

Nhóm phương pháp nghiên cứu lý thuyết:

 Phương pháp phân loại và hệ thống hóa lý thuyết: giúp hệ thống các kiến thức đã học, phục vụ cho quá trình thực hiện đề tài

 Phương pháp tham khảo tài liệu: bổ sung các kiến thức liên quan trong quá trình thực hiện đề tài, giải quyết các lỗi gặp phải và trình bày logic các kiến thức chuyên môn

Nhóm phương pháp nghiên cứu thực tiễn:

 Phương pháp quan sát: tham khảo các mô hình thực tế tại các công ty, xí nghiệp Nắm được nguyên tắc hoạt động chính yếu của hệ thống nhằm đưa vào mô hình đang nghiên cứu

 Phương pháp phỏng vấn: gặp gỡ và tham khảo ý kiến của những người nghiên cứu trước, ý kiến của các giáo viên giảng dạy cũng như những ý kiến

từ các bạn học cùng và khác khóa đào tạo

 Phương pháp thực nghiệm: thao tác thực tế trên mô hình cũng như trên giao diện thiết kế để kiểm tra hoạt động của hệ thống, đồng thời khắc phục lỗi phát sinh trong quá trình thực hiện

1.7 Bố cục và nội dung của đề tài

Đồ án được thực hiện theo trình tự đúng yêu cầu thiết kế, trình bày chi tiết các công đoạn tiến hành xây dựng mô hình từ quá trình tìm hiểu đặc điểm, tính chất các loại biến tần,motor đến các phần mềm lập trình phổ biến hiện nay Trên cơ sở đó đưa ra phương án lựa chọn và thuật toán điều khiển cho hệ thống Phần cuối trình bày kết quả nhận được cùng với nhận xét đánh giá kết quả đạt được và phân tích hướng phát triển của đồ án trong tương lai Các giai đoạn tiếp theo được trình bày chi tiết trong nội dung các chương sau:

 Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương này trình bày về hoạt động của bộ điều khiển PID Tìm hiểu về PLC Siemens S7-1200 và các lệnh cơ bản trên phần mềm TIA Portal V13

 Chương 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống

Chương này trình bày về yêu cầu thiết kế phần cứng, lựa chọn thiết bị cho mô hình Chi tiết thiết bị sử dụng trong mô hình, phương pháp lựa chọn các thiết bị ngõ vào và ngõ ra trong hệ thống Sơ đồ kết nối phần cứng giúp người vận hành hiểu rõ

về cấu trúc của toàn hệ thống

 Chương 4: Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát

Chương này trình bày về yêu cầu điều khiển, lưu đồ giải thuật điều khiển hệ

 Chương 5: Kết quả đạt được

Chương này trình bày về kết quả sau khi thiết kế, thi công mô hình và kết quả kết hợp giữa mô hình và giao diện điều khiển giám sát, đánh giá sản phẩm sau khi hoàn thành

 Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Đưa ra kết luận về những gì làm được sau khi hoàn thành đề tài Đưa ra các phương pháp phát triển và hoàn thiện về mô hình cũng như giao diện điều

khiển giám sát nhằm tối ưu hóa hệ thống trong tương lai

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Để thiết kế và thi công hoàn thành một hệ thống ổn định và chính xác chúng ta cần phải có được thông tin đầy đủ về hệ thống Vì vậy, chương 2 này chúng ta trình bày các cơ sở lý thuyết về nó

2.1 Thuật toán điều khiển

Với mục tiêu đề ra là điều khiển ổn định mức của bồn nước chúng ta có nhiều phương pháp lựa chọn phù hợp Hiện nay, chúng ta có rất nhiều nhà nghiên cứu đã

sử dụng các thuật toán điều khiển khác nhau để điều khiển hệ thống ổn định như thuật toán điều khiển PID, điều khiển trượt, thuật toán điều khiển tối ưu LQR và điều khiển logic mờ Fuzzy Logic đã thu được một số thành công đáng kể Nhóm thực hiện đề tài đã chọn bộ điều khiển PID để áp dụng vào hệ thống của mình Đối với bộ điều khiển PID, chúng ta dễ dàng lựa chọn các luật điều khiển khác nhau như luật điều khiển tỉ lệ (luật P), điều khiển tỉ lệ-tích phân (luật PI), điều khiển

tỉ lệ-vi phân (luật PD) Bộ điều khiển PID luôn là phần tử được lựa chọn trong các quá trình tự động điều khiển ổn định các đối tượng như nhiệt độ, mức nước, tốc độ động cơ…

Một số những ứng dụng của bộ điều khiển PID kết hợp với điều khiển thích nghi

và điều khiển mờ, để điều khiển các tham số của nó cho phù hợp với sự thay đổi không biết trước của đối tượng, cũng như của môi trường nhằm đảm bảo được các chỉ tiêu chất lượng đã đề ra trong hệ thống Nếu như ta thiết lập được công việc thay đổi tham số này thì bộ điều khiển bền vững với mọi tác động của nhiễu làm nâng cao chất lượng của hệ thống

2.1.1 Thuật toán điều khiển PI

Bộ PI là cấu trúc ghép song song giữa cơ cấu tỷ lệ và cơ cấu tích phân Tín hiệu

ra của bộ PI là tổng tín hiệu ra của từng cơ cấu riêng lẻ

Trong đó: P

N I

K

T =

K gọi là thời gian hiệu chỉnh

Sơ đồ khối khâu PI như hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ khối khâu hiệu chỉnh PI

Đặc tính quá độ của khâu PI như hình 2.2

Hình 2.2 Đặc tính quá độ của khâu hiệu chỉnh PI

Ưu, nhược điểm của khâu hiệu chỉnh PI:

 Bộ PI kết hợp được các ưu điểm của bộ P và bộ I, tạo nên đặc tính vừa tác động nhanh vừa triệt tiêu được sai lệch tĩnh Bộ PI được dùng rộng rãi trong công nghiệp để điều khiển các quá trình công nghệ tự động

 Tuy nhiên do có thành phần I nên tốc độ tác động của bộ PI có phần chậm hơn so với bộ P

 Tín hiệu ra chậm pha hơn tín hiệu vào một góc từ 0 đến tùy thuộc vào các tham số, và tần số của tín hiệu vào

 Nếu đối tượng điều khiển có nhiễu tác động liên tục mà tín hiệu ra đòi hỏi chính xác cao thì bộ PI không đáp ứng được

 Khâu tích phân tỷ lệ trở thành vô sai Muốn tăng chính xác của hệ thống

ta phải tăng hệ số khuếch đại Song đối với hệ thống thực sẽ bị hạn chế và

sự có mặt của khâu PI là bắt buộc

Biểu đồ của khâu hiệu chỉnh PI như hình 2.3

Hình 2.3 Giản đồ đáp ứng của khâu hiệu chỉnh PI

2.1.2 Thuật toán điều khiển PD

Bộ PD lý tưởng là cấu trúc ghép song song giữa cơ cấu tỷ lệ và cơ cấu vi phân Tín hiệu ra của bộ PD là tổng tín hiệu ra của từng cơ cấu riêng lẽ

K

T =

K gọi là thời gian tác động sớm

Hàm truyền đạt:

G(s) = K (1+s.T )

Sơ đồ khối khâu hiệu chỉnh PD như hình 2.4

Hình 2.4 Sơ đồ khối khâu hiệu chỉnh PD

Đặc tính quá độ của khâu hiệu chỉnh PD như hình 2.5

Hình 2.5 Đặc tính quá độ của khâu hiệu chỉnh PD

Có thể thấy, ở trạng thái ổn định bộ PD lý tưởng làm việc như bộ P Ở trạng thái chuyển tiếp, nó làm việc như bộ D, tức là tín hiệu ra u(t) tỷ lệ với vận tốc (đạo hàm) của tín hiệu vào e(t)

Ưu điểm của khâu hiệu chỉnh PD:

 Nếu sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần u P (t), tín hiệu điều chỉnh u(t) càng lớn (vai trò của khuếch đại KP )

 Nếu sự thay đổi của 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 vi phân KD) Khi

thay đổi từ 0 đến thì đặc tính tần số pha tăng từ 0 đến /2 nên tốc

độ tác động của bộ PD còn nhanh hơn cả bộ P

Ứng dụng của khâu hiệu chỉnh PD: Bộ PD thích hợp với các hệ thống đòi hỏi tốc độ tác động nhanh như điều khiển Robot, máy dập …

Giản đồ đáp ứng khâu hiệu chỉnh PD như hình 2.6

Hình 2.6 Giản đồ đáp ứng khâu hiệu chỉnh PD

2.1.3 Thuật toán điều khiển PID

Sơ đồ khối của khâu hiệu chỉnh PID được biểu diễn như hình 2.7

Hình 2.7 Sơ đồ khối khâu hiệu chỉnh PID

 Setpoint: là giá trị mong muốn đạt được tại ngõ ra của đối tượng điều khiển

 Process variable: tín hiệu hồi tiếp mà bộ điều khiên nhận được từ đối tượng điều khiển

 Control variable: giá trị ngõ ra của bộ điều khiển

 Error: giá trị sai lệch giữa giá trị đặt và giá trị hiện tại ở ngõ ra của đối tượng điều khiển

 Output: đại lượng vật lý cần điều khiển

Bộ điều khiển PID là bộ điều khiển gồm 3 thành phần:

 Thành phần tỉlệ (P) cho ra giá trị P out dựa trên giá trị sai lệch tại thời điểm hiện tại

 Thành phần tích phân (I) đưa ra giá trị I outdựa trên tích lũy các giá trị sai lệch từ quá khứ đến thời điểm hiện tại

 Thành phần vi phân (D) tính toán giá trị D out dựa trên tốc độ thay đổi của sai lệch

Control variable

Process variable

 Khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân được cộng lại với nhau để tính toán đầu ra của bộ điều khiển PID Định nghĩa rằng u(t) là đầu ra của bộ điều khiển, biểu thức cuối cùng của giải thuật PID là:

𝑢(𝑡) = 𝑀(𝑡) = 𝐾𝑝𝑒(𝑡) + 𝐾𝑖∫ 𝑒(𝒯)𝑑𝒯𝑡

0

+ 𝐾𝑑 𝑑

𝑑𝑡𝑒(𝑡)

2.1.4 Chức năng của các khâu hiệu chỉnh trong bộ điều khiển PID

Trong bộ điều khiển PID, nhiệm vụ của từng khâu khác nhau nhưng cùng có chung một mục đích đó là làm cho bộ điều khiển được hoàn thiện hơn Để hiểu sâu hơn tầm quan trọng của các khâu hiệu chỉnh này, chúng ta đi vào phân tích từng khâu

Khâu tỉ lệ:

 Khâu tỉ lệ làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trị sai số hiện tại Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó với một hằng số

Kp, được gọi là độ lợi tỉ lệ

 Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị Kp (Ki và Kd là hằng số) Đồ thị ảnh hưởng của khâu tỉ lệ đến hệ thống như hình 2.8

Hình 2.8 Đồ thị ảnh hưởng của khâu tỉ lệ

Khâu tỉ lệ được cho bởi công thức:𝑃𝑜𝑢𝑡 = 𝐾𝑝𝑒(𝑡)

Trong đó:

 Pout: thừa số tỉ lệ của đầu ra

 Kp: độ lợi tỉ lệ, thông số điều chỉnh

 e: sai số = SP – PV

 t: thời gian hay thời gian tức thời (hiện tại)

Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ càng lớn thì hệ thống đáp ứng càng nhanh, hệ thống vọt

lố cao dẫn đến kém ổn định Ngược lại, độ lợi càng nhỏ thì đáp ứng đầu ra chậm trong khi sai số đầu vào lớn, và làm cho bộ điều khiển kém nhạy, tác động điều khiển có thể sẽ chậm Vì vậy khâu P mục đích chính của nó là để làm giảm sai số xác lập

Khâu tích phân:

 Khâu tích phân giúp giữ cho hệ thống sau khi đã xác lập đạt trạng thái bền vững Sự sai lệch hay sai số giữa vị trí đặt và vị trí hiện tại được giảm xuống và có thể loại bỏ hoàn toàn với khâu điều khiển tích phân

 Đồ thị PV theo thời gian, tương ứng với 3 giá trị Ki (Kp và Kd không đổi)

Đồ thị ảnh hưởng của khâu tích phân như hình 2.9

Hình 2.9 Đồ thị ảnh hưởng của khâu tích phân

Thừa số tích phân được cho bởi công thức:𝐼𝑜𝑢𝑡 = 𝐾𝑖∫ 𝑒(𝒯)𝑑𝒯0𝑡

Trong đó:

 Iout: thừa số tích phân của đầu ra

 Ki: độ lợi tích phân, là một hệ số điều chỉnh

 e: sai số = SP – PV

 t: thời gian hoặc thời gian tức thời (hiện tại)

 𝒯: một biến tích phân trung gian

Khâu tích phân (khi cộng thêm khâu tỉ lệ) sẽ tăng tốc chuyển động của quá trình tới 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 thể khiến giá trị hiện tại vọt lố qua giá trị đặt (ngang qua điểm đặt và tạo ra một

Hình 2.10 Đồ thị ảnh hưởng của khâu vi phân

Thừa số vi phân cho bởi công thức: Dout = 𝐾𝑑 𝑑

𝑑𝑡𝑒(𝑡)

Trong đó:

 Dout: thừa số vi phân của đầu ra

 𝐾𝑑: độ lợi vi phân, một thông số điều chỉnh

 e: sai số = SP – PV

 t: thời gian hoặc thời gian tức thời (hiện tại)

Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển và đặc tính này

là đáng 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 ra bởi thành phần tích phân và tăng cường độ ổn định của bộ điều khiển hỗn hợp Tuy nhiên, phép vi phân của một tín hiệu sẽ khuếch đại nhiễu và do đó khâu này sẽ nhạy hơn đối với nhiễu trong sai

số, và có thể khiến quá trình trở nên không ổn định nếu nhiễu và độ lợi vi phân đủ lớn Do đó một xấp xỉ của bộ vi sai với băng thông giới hạn thường được sử dụng hơn, chẳng hạn như mạch bù sớm pha

2.1.5 Tính toán thông số PID

Có nhiều phương pháp để lựa chọn thông số cho bộ điều khiển PID Nhóm thực hiện xin giới thiệu một phương pháp tính toán đơn giản đó là phương pháp Ziegler- Nichols

Phương pháp Ziegler- Nichols thứ nhất:

Phương pháp này xác định thông số PID bằng cách dựa vào đáp ứng hàm truyền

hệ hở, và nó được ứng dụng cho các đáp ứng có dạng hình chữ s hay tương tự chữ s, đáp ứng hệ thống có dạng như hình 2.11

Hình 2.11 Đặc tuyến đáp ứng nấc của hàm truyền hệ hở

Hàm truyền của hệ thống:

G(s) = K

1 + TSe−LSTrong đó:

Bảng 2.1 Bảng thông số điều chỉnh PID dựa vào đáp ứng nấc hệ hở

2.2 Tổng quan mô hình bồn nước

Hệ thống gồm 2 bồn, bồn trên và bồn dưới có kích thước bằng nhau với kích thước D=40cm (chiều dài), R=40cm (chiều rộng của bồn), H=40 (chiều cao của bồn) Bồn trên có một van điều khiển bằng tay để tạo nhiễu với lưu lượng khác nhau, mực nước bồn trên được đo bởi cảm biến siêu âm với ngõ ra analog Nước được bơm lên bồn trên bằng một động cơ được điều khiển bằng PLC S7-1200 Toàn

hệ thống được giám sát qua phần mềm Wincc thông qua một máy tính được kết nối qua cáp RJ45

2.2.1 Mô hình của hệ thống

Đây là mô hình của thống và nó là phần rất quan trọng của hệ thống điều khiển mức chất lỏng trong bồn

Hình 2.12 Mô hình bồn nước đơn

2.2.2 Mô hình toán học của hệ thống

Mô hình biểu thị mối quan hệ giữa lưu lượng nước Qi vào bồn với lưu lượng nước

Qo ra khỏi bồn qua van

dt

t dH

A

Q

Q i  o  ( )

Trong đó: A là diện tích mặt cắt ngang của bồn nước

H là chiều cao của mức chất lỏng trong bồn

Nếu giả sử Van như là khe hở nhỏ thì dòng chảy qua van sẽ liên quan mức nước H

có trong bồn:

)(

2g H t a

C

Q o  d

Trong đó: Cd là hệ số của van xả

a là diện tích mặt cắt ngang của khe

( 2 )

(

t U K t H g a C

dt

t

dH

2.3 Tìm hiểu PLC S7 – 1200

2.3.1 Giới thiệu PLC S7 – 1200

Năm 2009, Siemens ra dòng sản phẩm 1200 dùng để thay thế dần cho

S7-200 So với S7-200 thì S7-1200 có những tính năng nổi trội Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, và một tập lệnh mạnh mang đến cho người sử dụng những giải pháp hoàn hảo trong các ứng dụng tự động hóa

Bộ điều khiển logic khả trình (PLC) S7-1200 mang lại tính linh hoạt và sức mạnh để điều khiển nhiều thiết bị, hỗ trợ đa dạng các yêu cầu về điều khiển tự động Sự kết hợp giữa thiết kế thu gọn, cấu hình linh hoạt và tập lệnh mạnh mẽ

đã khiến cho S7-1200 trở thành lựa chọn hàng đầu trong việc điều khiển nhiều ứng dụng đa dạng khác nhau

Kết hợp một bộ vi xử lý, một bộ nguồn tích hợp, các mạch ngõ vào và mạch ngõ ra trong một kết cấu thu gọn, CPU S7-1200 đã tạo ra một PLC mạnh mẽ Sau khi người dùng tải xuống một chương trình, CPU sẽ chứa mạch logic được yêu cầu để giám sát và điều khiển các thiết bị nằm trong ứng dụng CPU giám sát các ngõ vào và làm thay đổi ngõ ra theo logic của chương trình người dùng,

có thể bao gồm các hoạt động như logic Boolean, việc đếm, định thời, các phép toán phức hợp và việc truyền thông với các thiết bị thông minh khác

Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ việc truy xuất đến cả CPU và chương trình điều khiển:

 Mỗi CPU cung cấp một mật khẩu bảo vệ cho phép người dùng cấu hình việc truy xuất đến các chức năng của CPU

 Người dùng có thể sử dụng chức năng “know-how protection” để ẩn mã nằm trong một khối xác định

CPU cung cấp một cổng PROFINET để giao tiếp qua mạng PROFINET Các module truyền thông có hỗ trợ việc giao tiếp qua các chuẩn RS232 hay RS485 Một trong những phần mềm dùng để lập trình cho S7-1200 là Step7 Basic Step7 Basic hỗ trợ ba ngôn ngữ lập trình là FBD, LAD và SCL Phần mềm này được tích hợp trong TIA Portal của Siemens

Để làm một dự án với S7-1200 chỉ cần cài TIA Portal vì trong phần mềm này

đã tích hợp môi trường hỗ trợ lập trình cho PLC và thiết kế giao diện HMI

 Là các LED trạng thái dành cho I/O tích hợp

 Là bộ phận kết nối PROFINET (phía trên của CPU)

2.3.2 Các LED trạng thái

CPU và các module I/O sử dụng các LED để cung cấp thông tin về cả trạng thái hoạt động của module lẫn của I/O CPU cung cấp các bộ chỉ thị trạng thái sau đây:

 STOP/RUN

- Màu cam thuần túy chỉ thị chế độ STOP

- Màu xanh lá thuần túy chỉ thị chế độ RUN

- Màu nhấp nháy (luân phiên giữa xanh lá và cam) chỉ thị rằng CPU đang khởi động