(Đồ án tốt nghiệp) thiết kế và thi công mô hình ổn định mức nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬTTP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC

GVHD: ThS NGUYỄN TẤN ĐỜI SVTH: NGUYỄN VIỆT TUẤN MSSV: 11151212

SVTH: PHẠM ĐÌNH BÁCH MSSV: 11151191

SKL004227

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ỔN ĐỊNH

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦNGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự

do – Hạnh Phúc *******

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn: ThS NGUYỄN TẤN ĐỜI

Họ và tên sinh viên 1: NGUYỄN VIỆT TUẤN

Họ và tên sinh viên 2: PHẠM ĐÌNH BÁCH

Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động

Thiết kế và thi công mô hình ổn định mức nước

2. Nhiệm vụ và nội dung:

 Nhiệm vụ:

 Thiết kế và thi công mô hình đo mức nước, bơm nước dựa vào mục đích đề tài.

 Ứng dụng PLC S7-200 CPU 224, biến tần DELTA vào điều khiển mô hình

 Sử dụng phần mềm giám sát DOPSOFT thông qua màn hình HMI của hãng

DELTA để điều khiển quá trình hoạt động của hệ thống.

 Nội dung:

 Thiết kế hệ thống điện mô hình.

 Thiết kế giao diện điều khiển qua HMI.

 Sử dụng biến tần DELTA và cảm biến siêu âm điều khiển máy bơm.

Tp.HCM, ngày….tháng….năm 2016 Tp.HCM, ngày….tháng… năm 2016

Giáo viên hướng dẫn Chủ nhiệm ngành

ThS NGUYỄN TẤN ĐỜI

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦNGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự

Tên đề tài: Thiết kế và thi công mô hình ổn định mức nước 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?

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦNGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự

do – Hạnh Phúc *******

BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Giáo viên phản biện :

Sinh viên thực hiện : NGUYỄN VIỆT TUẤN

PHẠM ĐÌNH BÁCH

MSSV: 11151212MSSV: 11151191Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hoá

Tên đề tài: Thiết kế và thi công mô hình ổn định mức nước

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 2016

Giáo viên phản biện

LỜI NÓI ĐẦU

Ở Việt Nam cũng như hầu hết các nước đang phát triển hiện nay trên thế giớiđều hướng đến việc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước Với sự phát triển nhanhchóng của khoa học kỹ thuật nên việc áp dụng các thành tựu của nó vào trong quá trìnhsản xuất từ lâu đã không còn xa lạ với con người Chính vì thế trong công nghiệp, tựđộng điều khiển đóng một vai trò rất quan trọng, nó nâng dần tính hiện đại hóa củacông nghiệp đẩy nền công nghiệp từ thô sơ lên một nền đại công nghiệp mà đỉnh caocủa nó là sự tự động hóa một cách hoàn toàn

Nhờ việc ứng dụng công nghệ tự động trong công nghiệp mà sức lao động của conngười giảm đi rất nhiều nhờ đó mà năng suất lao động được tăng lên rất nhiều Con người

ít phải quan tâm đến các vấn đề phụ như nhấn nút, canh thời gian hoạt động …

Và một người có thể làm công việc của nhiều người

Sau hơn bốn năm học tập ngành công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóatại trường Đại học sư phạm kỹ thuật TP Hồ Chí Minh, được sự chỉ bảo và giúp đỡ tậntình của quý thầy cô cùng những nhu cầu thiết thực ngoài thực tế nên đồ án tốt nghiệpnày chúng em quyết định chọn đề tài: ―Thiết kế và thi công mô hình ổn định mứcnước‖

Mô hình của chúng em được xây dựng dựa trên mục đích của đề tài Vì kiếnthức, sự hiểu biết công nghệ còn hạn chế cũng như thời gian tìm hiểu, thực hiện nênchúng em chưa thể phát huy hết ý tưởng vào mô hình này Chúng em rất mong nhậnđược sự thông cảm của quý thầy cô

Đồ án―Thiết kế và thi công mô hình ổn định mức nước‖ chính là sự vận dụngtổng hợp kiến thức mà chúng em đã được học dưới sự giảng dạy của thầy cô Hơn nữa

đồ án cũng cho em thấy được cũng như hiểu được phần nào công việc của người cửnhân trong môi trường làm việc tương lai Tuy nhiên với những kiến thức còn hạn chếnên trong quá trình làm đồ án chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, sai phạmkính mong quý thầy cô góp ý, chỉ bảo để chúng em có thể hoàn thiện hơn

Bên cạnh sự nỗ lực, cố gắng, ý thức của bản thân mỗi người trong nhóm nhưng

để hoàn thành tốt đồ án này chúng em đã nhận được sự giúp đỡ của các thầy cô, cácbạn đồng nghiệp và đặc biệt là thầy Nguyễn Tấn Đời Thầy đã tận tình, hướng dẫn, chỉbảo những sai sót và những kinh nghiệm quý báu trong thực tế để giúp chúng em hoànthành đề tài này một cách tôt nhất

Do đó lời cảm ơn đầu tiên chúng em xin chân thành gửi đến thầy Nguyễn TấnĐời Kế đến chúng em xin cảm ơn quý thầy cô trong ngành Điện- Điện tử nói riêng vàtoàn thể quý thầy cô trường đại học sư phạm kỹ thuật TP Hồ Chí Minh nói chung đãtruyền đạt kiến thức cho chúng em để chúng em có thể hoàn thành đồ án này một cáchtốt nhất

Một lần nữa chúng em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1Đặt vấn đề

1.2Mục tiêu đề tài

1.3Nội dụng đề tài

1.4Giới hạn của đề tài

1.5Phương pháp, đối tượng nghiên cứu

1.5.1Phương pháp nghiên cứu

1.5.2Đối tượng nghiên cứu

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1Bộ điều khiển chính

2.1.1Giới thiệu chung về PLC của hãng SIEMENS

2.1.2 PLC SIMATIC S7-200 CPU 224

2.1.3 Module chuyên dụng EM231

2.1.4 Module chuyên dụng EM232

2.1.5Cổng truyền thông

2.1.6Thực hiện chương trình

2.1.7Cấu trúc chương trình

2.1.8Các vùng nhớ của S7-200

2.2Lý thuyết giải thuật điều khiển PID

2.2.1Thuật toán điều khiển PID

2.2.2Chức năng của các khâu trong bộ điều khiển PID

2.2.3Phương pháp tính toán các thông số của bộ điều khiển PID

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG

3.1Yêu cầu thiết kế

3.2Thiết bị và thiết kế hệ thống

3.2.1 Khối nguồn cung cấp

3.2.2 Khối tín hiệu ngõ vào

3.2.3 Khối cơ cấu chấp hành

3.2.4 Khối điều khiển

3.2.5 Khối PLC

3.2.6 Các thiết bị khác

3.2.7Sơ đồ kết nối mô hình với PLC

3.2.8 Sơ đồ mạch động lực

3.3Yêu cầu hoạt động của hệ thống

3.4Lưu đồ chương trình

3.5Cách lựa chọn thông số PID cho đề tài

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT VÀ THU THẬP DỮ LIỆU

4.1Yêu cầu điều khiển và giám sát trên HMI

4.2Cách kết nối với PLC

4.3Cách thiết kế giao diện giám sát, điều khiển dùng HMI

4.3.1 Giới thiệu phần mềm thiết kế giao diện HMI

4.3.2 Cách sử dụng phần mềm DOPSOFT

4.3.3 Thiết kế giao diện HMI cho đối tượng

́ CHƯƠNG 5: KÊT QUẢ, THƯỰC NGHIỆM, PHÂN TÍCH, TÔNG HƠPỰ

5.1Kết quả mô hình cơ khí

5.2Kết quả mô hình hệ thống điện

5.3Vận hành

5.4Kết quả điều khiển, giám sát với PLC S7-200 và HMI

́ CHƯƠNG 6: KÊT LUÂṆ VÀHƯỚNG PHÁT TRIÊN

6.1 Kết luận 63

6.2 Hướng phát triển 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ SƠ ĐỒHình 2.1: Cấu trúc của PLC

Hình 2.8: Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của khâu tỉ lệ

Hình 2.9: Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của khâu tích phân

Hình 2.10: Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của khâu vi phân

Hình 2.11: Đồ thị đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S

Hình 2.12: Đồ thị đáp ứng của hệ kín

Hình 3.1: Cảm biến siêu âm

Hình 3.2: Biến tần Delta VFD-EL

Hình 3.3: Cấu trúc bên ngoài của biến tần Delta VFD-EL

Hình 3.4: Ý nghĩa các chân cổng giao tiếp RS-485

Hình 4.4: Chọn cổng giao tiếp và chuẩn kết nối

Hình 4.5: Trang giao diện thiết kế

Hình 4.15: Phát thảo màn hình điều khiển chính

Hình 4.16: Mô hình hoàn chỉnh trên HMI

Hình 4.17: Màn hình giới thiệu hệ thống

Hình 4.18: Màn hình điều khiển chính

Hình 5.1: Mô hình hệ thống

Hình 5.2: Mô hình điều khiển, giám sát

Hình 5.3: Mô hình bồn chứa trên với cảm biến siêu âm

Hình 5.4: Mô hình bồn chứa dưới với 2 van cơ xả từ bồn chứa trên Hình 5.5: Động cơ và đường ống dẫn nước

Hình 5.11: Kết quả điều khiển khi van xả thay đổi

Hình 5.12: Bồn chứa ổn định sau 1 thời gian khi van xả thay đổi

Hình 5.13: Màn hình HMI với giá trị đặt 14cm

Sơ đồ 2.1:Sơ đồ khối của PLC

Sơ đồ 2.2: Các cổng vào ra của PLC

Sơ đồ 2.3: Sơ đồ nối dây của EM231

Sơ đồ 2.4: Sơ đồ nối dây của EM232

Sơ đồ 2.5: Sơ đồi khối của bộ điều khiển PID

Sơ đồ 2.6: Sơ đồ khối của hệ hở

Sơ đồ 2.7: Sơ đồ khối của hệ kín có bộ tỉ lệ P

Sơ đồ 3.1: Sơ đồ khối hệ thống

Sơ đồ 3.2: Sơ đồ dây của cảm biến siêu âm

Sơ đồ 3.3: Sơ đồ kết nối từ bên ngoài vào biến tần

Sơ đồ 3.4: Sơ đồ các chân vào biến tần

Sơ đồ 3.5: Sơ đồ kết thiết bị với PLC S7-200 CPU 224

Sơ đồ 3.6: Sơ đồ kết cảm biến với Modul chuyên dụng EM231

Sơ đồ 3.7: Sơ đồ kết nối biến tần Delta với Module EM232 và CPU 224

Sơ đồ 3.8: Sơ đồ động lực của máy bơm kết nối với biến tần

DANH MỤC BẢNGBảng 2.1: Bảng chế độ hoạt động Module EM231

Bảng 2.2: Tên và các chức năng của RS232

Bảng 2.3: Ảnh hưởng của hệ thống khi tăng các thông số

Bảng 2.4: Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất Bảng 2.5: Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai Bảng 3.1: Kí hiệu các chân trong biến tần Delta

DANH MỤC VIẾT TẮT

PLCCPUACDCVACVDCCBINOUTHMIRAMROM

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN1.1 Đặt vấn đề

Hiện nay, sự nghiệp công nghiệp hóa hiện đại hóa ngày càng phát triển mạnh

mẽ, sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, trong đó kỹ thuật điều khiển tự động cũng gópphần rất lớn tạo điều kiện để nâng cao hiệu quả trong quá trình sản xuất Vì thế tự độnghóa quá trình công nghệ đã thực sự phát triển và ứng dụng mạnh mẽ trong công nghiệp,cũng 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 nghiệpsản xuất chất lỏng như hóa chất, nước uống đóngchai, sữa, nước mắm, dầu ăn…vấn đề cần điều khiển mức, lưu lượng dòng chảy cầnđáp ứng với độ chính xác cao để phục vụ quá trình sản xuất đạt hiệu quả tốt hơn, đảmbảo quá trình sản xuất các chất lỏng không bị gián đoạn, tăng tuổi thọ thiết bị Ngườivận hành không cần phải trực tiếp kiểm tra trong các bồn chứa hoặc đóng mở bơm liêntục, vấn đề bị cạn hay tràn trong bồn chứa chất lỏng hoàn toàn được khắc phục cho dùđầu ra thay đổi

Chính vì vậy, chúng em chọn đề tài ―Thiết kế và thi công mô hình ổn định mức nước‖ Với yêu cầu ứng dụng thực tế trên, đối tượng đề tài thực hiện chính ở đây

là hệ thống bồn chất lỏng, hệ thống bồn chất lỏng được hình thành với hệ thống bơm

và xả chất lỏng nhưngluôn giữ ổn định giá trị mức đặt trước, mức chất lỏng của bồnđược duy trì ổn định,để làm được điều này thì đòi hỏi ta phải điều khiển lưu lượngchất lỏng từ máy bơm vào hệ thống bồn nước, làm mức chất lỏng trong bồn luôn giữgiá trị không đổi là giá trị đặt trước Việc điều khiển hệ thống này để giữ mức chấtlỏng trong bồn là ổn định là tương đối khó, cần phải có sự đáp ứng nhanh để điềukhiển máy bơm khi lưu lượng nước từ van xã thay đổi, vì vậy cần phải có những bộđiều khiển hiện đại, chính xác và đáng tin cậy PLC là một sự lựa chọn tốt nhất cho cácứng 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 cách đểđiều khiển mức chất lỏng của hệ thống bồn nước, nhưng ở đây chúng em sử dụng PLCS7-200 để điều khiển, sử dụng phần mềm DOPSOFT giao tiếp hiển thị

1.2 Mục tiêu đề tài

Sau khi xác định được đối tượng, chủ thể và giới hạn phạm vi nghiên cứu, việcxác định mục tiêu sẽ là bước quan trọng kế tiếp nhằm định hướng đúng đắn cho quytrình thực hiện đề tài Mục tiêu đề tài cụ thể được thể hiện như sau:

 Thiết kế, thi công hệ thống phần cứng gồm mối quan hệ giữa bồn nước, chất lỏng, cảm biến, hệ thống PLC, biến tần,bơm và màn hình giao tiếp HMI

 Lựa chọn thiết bị cho mô hình

 Giải thuật cho PLC theo yêu cầu của đề tài, điều khiển bơm theo thông số cài đặt của mức chất lỏng.

 Sử dụng phần mềm DOPSOFT để điều khiển giám sát hệ thống điều khiển hoạt động của hệ thống

1.3 Nội dụng đề tài

Hệ thống gồm 2 bồn (bồn trên và bồn dưới) đặt song song nhau Bồn trên có 2vancơđể thay đổi lưu lượng chất lỏng xả từ bồn trên xuống bồn dưới Bồn dưới có 1lỗnối với ống nước dẻo để dẫn chất lỏng từ bồn dưới vào máy bơm Mức nước ở bồntrên được đo bằng một cảm biến siêu âm với ngõ ra analog Chất lỏng được bơm lênbồn trên bởi một động cơ máy bơm được điều khiển bằng biến tần DELTA và bộ điềukhiển PLC S7-200

Mức chất lỏng được đặt theo yêu cầu của người vận hành, sau đó hệ thốngđược cho phép hoạt động bằng nút nhấn START trên màn hình HMI Bơm sẽ bắt đầuhoạt động bơm chất lỏng từ bồn dướilên do biến tần điều khiển với điện áp có tần sốlớn nhất là 60Hz và tần số sẽ giảm dầnđến khi mực chất lỏng bồn trên bằng giá trị mựcchất lỏng được đặt, khi mực chất lỏng đã ổn định thì tần số được điều khiển bằng biếntần sẽ thay đổi khi lưu lượng nước từ 2 van xã thay đổi Hệ thống cứ hoạt động liêntục như vậy khi ta ấn nút STOP thì hệ thống sẽ dừng lại

1.4 Giới hạn của đề tài

 Hệ thống được thực hiện bằng mô hình đơn giản

 Đề tài chỉ tập trung vào việc ổn định mức chất lỏng

 Chất lỏng cung cấp cho hệ thống chỉ là nước

1.5 Phương pháp, đối tượng nghiên cứu

1.5.1 Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện đề tài nhóm đã tham các tài liệu trong sách, trên internet và dựatrên hệ thống,yêu cầu thực tế để xây dựng lại mô hình đáp ứng được những yêu cầu

đó Các bước nhóm thực hiện:

 Đề ra mục tiêu và hướng đi cụ thể

 Thiết kế hệ thống đáp ứng được các yêu cầu đã đề ra

 Nghiên cứu các tài liệu liên quan

 Hoàn thành từng thành phần riêng lẻ

 Tích hợp thành một hệ thống hoàn chỉnh

 Viết chương trình điều khiển, giám sát

1.5.2 Đối tượng nghiên cứu

 PLC S7-200 Siemens

 Biến tần DELTA

 Màn hình HMI DELTA BO7S411 với phần mềm DOPSOFT

 Các thiết bị cảm biến siêu âm Carlo gavezzi, máy bơm nước ly tâm 3 pha.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT2.1 Bộ điều khiển chính

2.1.1 Giới thiệu chung vềPLC của hãng SIEMENS

PLC (Programmable Logic Controller) là bộ điều khiển lập trình, PLC được xếpvào trong họ máy tính, được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp và thương mại.PLC có đầy đủ chức năng và tính toán như vi xử lý Ngoài ra, PLC có tích hợp thêmmột số hàm chuyên dùng như bộ điều khiển PID, dịch chuyển khối dữ liệu, khối truyềnthông…

PLC có những ưu điểm:

 Có kích thước nhỏ, được thiết kế và tăng bền để chịu được rung động, nhiệt,

ẩm và tiếng ồn, đáng tin cậy

 Rẻ tiền đối với các ứng dụng điều khiển cho hệ thống phức tạp

 Dễ dàng và nhanh chóng thay đổi cấu trúc của mạch điều khiển

 PLC có các chức năng kiểm tra lỗi, chẩn đoán lỗi

 Có thể nhân đôi các ứng dụng nhanh và ít tốn kém

Một PLC gồm có những phần cơ bản sau:

 Bộ nguồn: cung cấp nguồn thiết bị và các module mở rộng được kết nối vào

 CPU: thực hiện chương trình và dữ liệu để điều khiển tự động các tác vụ hoặc quá trình

 Vùng nhớ

 Các ngõ vào/ra: gồm có các ngõ vào/ra số, vào/ra tương tự Các ngõ vào dùng

để quan sát tín hiệu từ bên ngoài đưa vào (cảm biến, công tắc), ngõ ra dùng để điều khiển các thiết bị ngoại vi trong quá trình

 Các cổng/module truyền thông (CP: Communication Professor): dùng để nốiCPU với các thiết bị khác để kết nối thành mạng, xử lý thực hiện truyền thônggiữa các trạm trong mạng

 Các loại module chức năng (FM: Function Module) Ví dụ các module điều khiển vòng kín, các module thực hiện logic mờ…

Cấu trúc bên trong của PLC:

Hình 2.1: Cấu trúc của PLC 2.1.2PLCSIMATICS7-200 CPU 224

S7-200 là thiết bị điều khiển logic khả trình loại nhỏ của hãng SIEMENScó cấu

trúc theo kiểu Module và có các module mở rộng Các module này đƣợc sử dụng chonhiều ứng dụng lập trình khác nhau Thành phần cơ bản của S7-200 là khối vi xử lýCPU-224

Sơ đồ 2.1:Sơ đồ khối của PLC

 Số đầu vào,ra số cực đại (sử dụng Module mở rộng): 168.

 Số đầu vào/ra tương tự (sử dụng ModuleAnalog mở rộng):28AI/14AO

 Kích thước: Rộng x Cao x Sâu: 120.5 x 80 x 62

 Số đầu ra được tích hợp sẵn: 10 (Transistor).

 Toàn bộ vùng nhớ không bị mất dữ liệu trong khoảng thời gian 190 giờ kể từ khiPLC bị mất nguồn cung cấp

Các cổng vào ra:

Sơ đồ 2.2: Các cổng vào ra của

PLC Các chế độ làm việc của CPU 224:

 RUN: Khi PLC thực hiện chương trình từng bộ nhớ, PLC sẽ chuyển từ RUN

sang STOP nếu trong máy có sự cố hoặc trong chương trình gặp lệnh STOP

 STOP: Cưỡng bức PLC dừng chương trình đang chạy và chuyển sang chế độ

 RUN (đèn xanh): Đèn xanh RUN chỉ định PLC đang ở chế độ làm việc và thực

hiện chương trình được nạp vào trong máy

 STOP (đèn đỏ): Đèn đỏ STOP chỉ định rằng PLC đang ở chế độ dừng chương

trình và đang thực hiện lại

 Ix.x (đèn xanh): Khi đèn xanh sánglà báo hiệu trạng thái đang hoạt động của

cổng Ix.x Đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của côngtắc

 Qx.x (đèn xanh): Khi đèn xanh sáng là báo hiệu trạng thái đang hoạt động của

cổng Qx.x Đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng

2.1.3 Module chuyên dụng EM231

 Điện áp tối đa ngõ vào: 30VDC

 Dòng điện tối đa ngõ vào: 32 mA

 Trở kháng đƣa vào:

 Xuất ra điện áp, tối thiểu: 5 kΩ

 Xuất ra dòng điện, tối đa: 0,5 kΩ

 Độ phân giải:

 Áp: 12 bits

 Dòng: 11 bits

Mạch ngõ vào của EM231:

Hình 2.4: Cấu trúc bên trong của Module EM231

Sơ đồ đấu dây:

Sơ đồ2.3: Sơ đồ nối dây của EM231

Chế độ hoạt động:

Unipolar Full-Scale Input Resolution

BipolarSW1

 Điện áp DC, tối đa 20mA

 Xuất ra điện áp, tối thiểu: 5 kΩ

 Xuất ra dòng điện, tối đa: 0,5 kΩ

 Độ phân giải:

 Áp: 12 bits

 Dòng: 11 bits

Mạch ngõ ra của EM232:

Hình 2.6: Cấu trúc bên trong của Module EM232

Sơ đồ đấu dây:

Sơ đồ 2.4: Sơ đồ nối dây của EM232 2.1.5 Cổng truyền thông

S7-200 sử dụng cổng truyền thông nối tiếp RS485 với phích nối 9 chân để phục

vụ cho việc ghép nối với thiết bị lập trình hoặc với các trạm PLC khác Tốc độ truyềncho máy lập trình kiểu PPI là 9600 baud Tốc độ truyền cung cấp của PLC theo kiểu tự

do là 38.400 baud

Ghép nối S7-200 với máy tính PC qua cổng RS232 cần có cáp nối PC/PPI với

bộ chuyển đổi RS232/RS485

5 4 3 2 1

9 Không sử dụng

Bản

g 2.2:

Tên

và các chứcnăngcủa RS232

2.1.6 Thực hiện chương trình

PLC thực hiệnchương trình theo chu kìvòng lặp Mỗi vòng lặpđược gọi là vòng quét(scan) Mỗi vòng quétđược bắt đầu bằng giaiđoạn đọc dữ liệu từ cáccổng vào vùng bộ đếm ảo,tiếp theo là giai đoạn thựchiên chương trình.Trongtừng vòng quét, chươngtrình được thực hiện bằnglệnh đầu tiên và kết thúcbằng lệnh kết thúc(MEND).Sau giai đoạnthực hiện chương trình làgiai đoạn truyền thông nội

bộ và kiểm tra lỗi.Vòngquét được kết thúc bằnggiai đoạn chuyển các nộidung của bộ đếm ảo tớicác cổng ra

4.

Chuyển

H ì n h 2 7

:VòngquéttrongS7-200Như vậy tại thờiđiểm vào/ra thông thườnglệnh không làm việc trựctiếp với cổng vào/ra màchỉ thông qua bộ đệm ảocủa cổng trong vùng nhớtham số.Việc truyền thônggiữa bộ đệm ảo với ngoại

vi trong các giai đoạn 1và

4 do CPU quản lý Khi gặplệnh vào/ra ngay lập tức

cả chương trình xử lý ngắt để thực hiện lệnhnày một cách trực tiếp với cổng vào/ra.

2.1.7 Cấu trúc chương trình.

Có thể lập trình cho PLC bằng cách sử dụng một trong những phần mềm sau:

 STEP7-Micro/ DOS

 STEP7-Micro/ WIN

13

Những phần mềm này đều có thể cài đặt được trên các máy lập trình họ PG7xx

và các máy tính cá nhân (PC)

Các chương trình cho S7-200 phải có cấu trúc chương trình chính (mainprogam) và sau đó đến các chương trình con và chương trình sử lý ngắt được chỉ rasau đây:

 Chương trình chính được kết thúc bằng lệnh kết thúc chương trình (MEND)

 Chương trình con là một bộ phận của chương trình, các chương trình con phải được viết sau lệnh kết thúc chương trình chính đó là lệnh MEND

 Các chương trình xử lý ngắt là một bộ phận của chương trình Nếu cần sử dụngchương trình, cần xử lý ngắt phải viết sau lệnh kết thúc chương trình chínhMEND

Các chương trình con được nhóm lại thành một nhóm ngay sau chương trìnhchính Sau đó đến ngay các chương trình xử lý ngắt Bằng cách viết như vậy cấu trúcchương trình được rõ ràng và thuận tiện hơn trong việc đọc chương trình sau này Cóthể tự do trộn lẫn các chươngtrình con và chương trình sử lý ngắt đằng sau chươngtrình chính

2.1.8Các vùng nhớ của S7-200

Bộ nhớ của S7-200 có tính năng động cao, có thể đọc và ghi được toàn vùng,ngoại trừ phần các bít nhớ đặc biệt được kí hiệu SM (Special Memory) chỉ có thể truycập đọc

Bộ nhớ có một tụ nhớ để nuôi, duy trì dữ liệu trong một khoảng thời gian khimất điện

 Vùng nhớ dữ liệu: Được sử dụng để lưu trữ các dữ liệu của trương trình

 Vùng nhớ đối tượng: Bao gồm các bộ đếm, bộ định thì, các cổng vào ra tương

tự Vùng này không thuộc kiểu non-volatile nhưng có thể đọc và ghi được

2.2Lý thuyết giải thuật điều khiển PID

2.2.1Thuật toán điều khiển PID

Sơ đồ khối của khâu hiệu chỉnh PID đƣợc biểu diễn nhƣ sơ đồ 2.5

Sơ đồ 2.5: Sơ đồi khối của bộ điều khiển PID

 Control Signal: Tín hiệu điều khiển của bộ điều khiển PID điều khiểnđối tƣợng

 Feedback Signal: Tín hiệu hồi tiếp mà bộ điều khiển nhận đƣợc từ đốitƣợng điều khiển

 Output: Ngõ ra đáp ứng của đối tƣợng điều khiển sau khi đƣợc điềukhiển bởi bộ

điều khiển PID

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

 Khâu tỉ lệ P cho ra giá trị Pout dựa trên giá trị sai lệch tại thời điểm hiệntại

 Khâu tích phân I cho ra giá trị Iout là giá trị tích lũy sai số từ quá khứ đếnthời điểm hiện tại

 Khâu vi phân D tính toán giá trị Dout là giá trị dựa trên tốc độ thay đổicủa sailệch

Tổng 3 thành phần trên tính toán ngõ ra của bộ điều khiển PID Ta quyđịnh u(t)

là ngõ ra cuối cùng của bộ điều khiển PID Nhƣ vậy, biểu thứccuối cùng của giải thuậtPID là:

2.2.2 Chức năng của các khâu trong bộ điều khiển PID

Ở phần 2.2.1 ta đã phân tích bộ điều khiển PID gồm 3 khâu: tỉ lệ P, tích phân Ivà vi phân D Phần này sẽ trình bày về chức năng của từng khâu

2.2.2.1 Khâu tỉ lệ P

Khâu tỉ lệ (đôi khi còn được gọi là độ lợi) làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ vớigiátrị sai số hiện tại Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đóvớimột hằng số Kp, được gọi là độ lợi tỉ lệ

Khâu tỉ lệ được cho bởi:

Pout = Kpe(t)Trong đó:

 Pout : thừa số tỉ lệ đầu ra

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

 e: sai số = SP – PV

 t: thời gian tức thời (hiện tại)

Độ lợi của khâu tỉ lệ càng lớn thì ngõ ra đáp ứng càng nhanh, vọt lố càng lớngây

ra mất ổn định Ngược lại, độ lợi càng nhỏ thì đáp ứng đầu ra chậm trong khisai số đầuvào lớn, và làm cho bộ điều khiển kém nhạy, tác động điều khiển có thểsẽ chậm.Vì vậykhâu P có chức năng làm giảm sai số xác lập

Đồ thị PV theo thời gian với 3 giá trị của Kp (Ki và Kd là hằng số) đượcbiểudiễn trong hình 2.8

Hình 2.8: Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của khâu tỉ lệ

2.2.2.2 Khâu tích phân I

Khâu tích phân làm cho hệ thống đạt trạng thái bền vững sau khi xác lập Sai sốgiữa giá trị đặt và giá trị đo ở ngõ ra hệ thống được giảm xuống và tiến về 0 nhờkhâutích phân

Thừa số tích phân được cho bởi công thức:

Trong đó:

 Iout : thừa số tích phân của ngõ ra

 Ki : độ lợi tích phân, một thông số điều chỉnh được

 e: sai số = SP – PV

 t: thời gian tức thời (hiện tại)

 τ: biến tích phân trung gian

Khâu tích phân (khi cộng thêm khâu tỉ lệ) sẽ tăng tốc chuyển động của quá trìnhtới điểm đặt và khử số do 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 mộtđộ lệch vớicác hướng khác)

Đồ thị PV theo thời gian với 3 giá trị của Ki (Kp và Kd là hằng số) được

biểu diễn trong hình 2.9

Hình 2.9: Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của khâu tích phân

 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 tức thời (hiện tại)

Khâu vi phân làm giảm 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 phânđược sử dụng để làm giảm biên độ vọt lố được tạo ra bởi thành phần tích phân và tăngcường 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 thểkhiến quá trình trở nên không ổn định nếu nhiễu và độ lợi vi phân đủ lớn Do đó mộtxấp xỉ của bộ vi sai với băng thông giới hạn thường được sử dụng hơn Chẳng hạnnhư mạch bù sớm pha

Đồ thị PV theo thời gian với 3 giá trị của Kd (Kp và Ki là hằng số) được biểudiễn trong hình hình 2.10

Hình 2.10:Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của khâu vi phân

Như vậy dựa vào đáp ứng của các hình 2.8, hình 2.9, hình 2.10 ta có thể kếtluận về ảnhhưởng của các thông số trong bộ điều khiển PID như bảng sau:

Bảng 2.3: Ảnh hưởng của hệ thống khi tăng các thông

số 2.2.3 Phương pháp tính toán các thông số của bộ điều khiển PID

Hiện nay có nhiều phương pháp để tìm ra các thông số Kp, Ki, Kd của bộđiềukhiển PID như: hiệu chỉnh bằng tay, PID tunning, Ziegler – Nichols Sau đâynhóm xin trình bày phương pháp được sử dụng phổ biến nhất là phương pháp Ziegler– Nichols

2.2.3.1 Phương pháp Ziegler – Nichols thứ nhất

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

hệ hở

Sơ đồ2.6: Sơ đồ khối của hệ hở

Áp dụng cho các đối tượng có đáp ứng đối với tín hiệu vào là hàm nấc có

dạng chữ S (hình2.11) như nhiệt độ lò nhiệt, tốc độ động cơ

Hình 2.11: Đồ thị đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S

Hàm truyền của hệ thống:

Thông số của các bộ điều khiển được chọn theo bảng sau:

Bảng 2.4: Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất

2.2.3.2 Phương pháp Ziegler- Nichols thứ hai

Phương pháp này dựng cho bộ điều khiển PID trong hệ kín

Sơ đồ 2.7: Sơ đồ khối của hệ kín có bộ tỉ lệ P

Phương pháp này áp dụng cho đối tượng có khâu tích phân lý tưởng như vị tríhệtruyền động dùng động cơ… Đáp ứng quá độ của hệ hở của đối tượng tăng đến vôcùng

Hình 2.12: Đồ thị đáp ứng của hệ kín

Phương pháp này thay bộ điều khiển PID trong hệ kín bằng bộ khuếch đại, sau

đó tăng K cho đến khi hệ nằm ở biên giới ổn định, tức là hệ kín trở thành khâu daođộng điều hòa Lúc này ta có Kgh và chu kì của dao động đó là Tgh Tham số cho bộ điều khiển PID chọn theo bảng sau:

Bảng 2.5: Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG

3.1 Yêu cầu thiết kế

Điều khiển chính xác hệ thống ổn định mực chất lỏng Người vận hành sẽ càiđặt giá trị mức chất lỏng cần ổn định Sau khi khởi động, máy bơm sẽ bơm chất lỏnglên bồn và ổn định chất lỏng đúng với giá trị đặt nhờ giải thuật điều khiển PID

Hệ thổng ổn định mức chất lỏng có khả năng được điều khiển thông qua giaodiện màn hình HMI

Dựa vào yêu cầu thiết kế hệ thống, mô hình được xây dựng trên 5 khối cơbản:khối nguồn cung cấp, khối tín hiệu ngõ vào, khối PLC, khối điều khiển và khối cơcấu chấp hành Sơ đồ khối của hệ thống được miêu tả trong sơ đồ 3.1

Sơ đồ 3.1: Sơ đồ khối hệ thống

 Khối nguồn: Gồm CB cấp điện 220V vào biến tần và bộ nguồn24VDC Nguồn 24VDC sử dụng cấp cho PLC, màn hình HMI

 Khối tín cảm biến: Cảm biến siêu âm

 Khối chấp hành: Gồm biến tần Delta, máy bơm, các đèn báo, relays

 Khối điều khiển, giám sát: Gồm màn hình HMI, công tắc nguồn, van cơ

 Khối PLC: Là thiết bị điều khiển chính của hệ thống gồm CPU 224, module analog EM231 và EM232

 Cảm biến siêu âm là thiết bị dùng để xác định vị trí của các vật thông qua phát

ra sóng siêu âm, nó có thể phát hiện hầu hết các đối tượng là kim loại, chất lỏnghoặc chất rắn, vật trong hoặc mờ đục (các vật có thể phản xạ sóng siêu âm) Tùyvào môi trường mà sóng âm có vận tốc khác nhau

 Sóng siêu âm được truyền đi trong không khí với vận tốc 340m/s Nếu một cảmbiến phát ra sóng siêu âm và thu về các sóng phản xạ đồng thời sẽ đo đượckhoảng thời gian lúc phát đi tới lúc phát về, thì máy tính có thể xác định đượcquãng đường mà vật đã di chuyển trong không gian Quãng đường di chuyểncủa sóng sẽ bằng hai lần khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật, theohướng phát của sóng hay khoảng cách từ sóng tới chướng ngại vật sẽ được tính

theo nguyên lí TOF: d=v*t/2.

Cảm biến siêu âm UA18CLD05AGTR của hãng Carlo Gavazzi:

Hình 3.1: Cảm biến siêu âm

 Đây là cảm biến được hãng Carlo Gavazzi phát triển dựa trên các sản phẩmcùng hãng khác Nó dựa trên nguyên lí thu phát sóng siêu âm, bao gồm một đầu

dò bằng piezoelec-tric mà cộng hưởng với một tần số mong muốn và có thểchuyển đổi năng lượng điện năng thành năng lượng âm thanh và ngược lại

 Ưu điểm của loại cảm biến này là có thể đo khoảng cách rời rạc với các đốitượng di chuyển, có thể phát hiện và đo lường, ít bị ảnh hưởng bởi các vật liệucủa mục tiêu và bề mặt mục tiêu, với các đối tượng nhỏ thì có thể phát hiện trênmột khoảng cách dài hơn

 Ngoài ra nó có thể kháng được các tác nhân từ bên ngoài như độ rung, bức xạ hồng ngoại, tiếng ồn và bức xạ EMI

 Ứng dụng của cảm biến dùng để phát hiện mức độ/kiểm soát, phát hiện vật,đo lưu lượng dung dịch…

Đầu vào của cảm biến có 3 dây tương ứng với ba màu xanh, đen và đỏ

 Xanh:

V- Đỏ: V+

 Đen: dây tín hiệu

Sơ đồ 3.2: Sơ đồ dây của cảm biến siêu âm