Engineering document template
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (6.03 MB, 41 trang )
ĐIỀU KHIỂN BỒN NƯỚC BẰNG
THUẬN TỐN PID, CĨ CODE
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ....................................................................................IV
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT...........................................................................VI
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BỒN NƯỚC....................................1
1.1 GIỚI THIỆU
1
1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
2
1.3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
2
1.4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU
2
1.5 DỰ KIẾN KẾT QUẢ
2
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT.............................................................................3
2.1 GIỚI THIỆU THUẬN TOÁN PID
3
2.1.1 Giới thiệu..........................................................................................................3
2.1.2 FB PID compact...............................................................................................4
2.2 PHẦN MỀM FACTORY I/0
6
2.3 GIỚI THIỆU GIAO THỨC MQTT
8
2.3.1 Giới thiệu..........................................................................................................8
2.3.2 Thành phần MQTT...........................................................................................8
2.4 GIỚI THIỆU NODE-RED
9
2.4.1 Giới thiệu..........................................................................................................9
2.4.2 Giao diện lập trình...........................................................................................9
2.4.3 Chức năng của node-red................................................................................10
2.5 PHẦN MỀM KEEPSERVER
11
2.5.1 OPC................................................................................................................11
2.5.2 Tính năng Kepserver......................................................................................12
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG................................................................13
3.1 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG
13
3.1.1 Khối PLC........................................................................................................14
3.1.2 Khối SCADA...................................................................................................14
3.1.3 Khối Node-red................................................................................................15
3.1.4 Bơm................................................................................................................15
3.1.5 Cảm biến........................................................................................................15
3.1.6 Khối OPC server............................................................................................15
3.2 THIẾT KẾ GIAO DIỆN
18
3.2.1 Thiết kế dữ liệu...............................................................................................18
3.2.2 Thiết kế giao diện SCADA..............................................................................21
3.2.3 Thiết kế Node-red...........................................................................................23
3.2.4 Thiết kế bồn nước trên Factory I/O...............................................................24
CHƯƠNG 4. GIẢI THUẬT VÀ ĐIỀU KHIỂN.......................................................26
4.1 HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG
26
4.2 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬN TRÊN PLC
27
CHƯƠNG 5. THỰC NGHIỆM..................................................................................28
5.1 CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM
28
5.2 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
28
5.3 KẾT LUẬN THỰC NGHIỆM
30
CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN............................................................................................31
6.1 ƯU ĐIỂM
31
6.2 NHƯỢC ĐIỂM
31
6.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN
31
TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................32
PHỤ LỤC A..................................................................................................................33
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
HÌNH 2.1 SƠ ĐỒ KHỐI BỘ ĐIỀU KHIỂN PID......................................................3
HÌNH 2.2 PID COMPACT............................................................................................5
HÌNH 2.3 PHẦN MỀM FACTORY I/0.......................................................................7
HÌNH 2.4 MƠ PHỎNG MỘT DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT TRÊN FACTORY
I/O...............................................................................................................................................7
HÌNH 2.5 GIAO TIẾP GIỮA PLC SIM S71200 VỚI FACTORY I/O...................8
HÌNH 2.6 HOẠT ĐỘNG CỦA MQTT........................................................................9
HÌNH 2.7 GIAO DIỆN LẬP TRÌNH NODE-RED..................................................10
HÌNH 2.8 MƠ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA KEEPSERVER..............................11
HÌNH 3.9 CẤU HÌNH PLC........................................................................................14
HÌNH 3.10 CẤU HÌNH SCADA................................................................................15
HÌNH 3.11 CẤU HÌNH KẾT NỐI PLC VỚI OPC SERVER................................16
HÌNH 3.12 CẤU HÌNH KẾT NỐI OPC SERVER VỚI NODE_RED THƠNG
QUA MQTT CLIENT...........................................................................................................16
HÌNH 3.13 CẤU HÌNH KẾT NỐI OPC SERVER VỚI NODE RED THƠNG
QUA MQTT CLIENT...........................................................................................................16
HÌNH 3.14 CẤU HÌNH KẾT NỐI OPC SERVER VỚI NODE_RED THƠNG
QUA MQTT CLIENT...........................................................................................................17
HÌNH 3.15 GIAO TIẾP GIỮA PLC VỚI NODE RED THƠNG QUA OPC
SERVER..................................................................................................................................17
HÌNH 3.16 ĐỊA CHỈ INPUT/OUTPUT PLC...........................................................18
HÌNH 3.17 CẤU HÌNH PID COMPACT.................................................................19
HÌNH 3.18 CÀI ĐẶT LOẠI ĐIỀU KHIỂN CHO PID COMPACT.....................19
HÌNH 3.19 CÀI ĐẶT LOẠI TÍN HIỆU INPUT/OUTPUT....................................19
HÌNH 3.20 CÀI ĐẶT GIỚI HẠN GIÁ TRỊ QUÁ TRÌNH.....................................20
HÌNH 3.21 CÀI ĐẶT GIỚI HẠN GIÁ TRỊ NGÕ RA............................................20
HÌNH 3.22 CÁC THƠNG SỐ TRÊN PID PARAMETER.....................................20
HÌNH 3.23 CẤU HÌNH MẠNG KẾT NỐI PLC VỚI SCADA..............................21
HÌNH 3.24 GIAO DIỆN SCADA ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT BỒN NƯỚC........22
HÌNH 3.25 GIAO DIỆN CỦA NODE_RED DASHBOAR....................................23
HÌNH 3.26 CHƯƠNG TRÌNH NODE-RED............................................................24
HÌNH 3.27 MƠ PHỎNG BỒN NƯỚC TRÊN FACTORY I/O..............................24
HÌNH 3.28 ĐỊA CHỈ NGỎ VÀO/RA.........................................................................25
HÌNH 5.29 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VỚI MỨC NƯỚC 100CM..................28
HÌNH 5.30 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VỚI MỨC NƯỚC 100CM..................29
HÌNH 5.31 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM SAU KHI XẢ NƯỚC...........................29
HÌNH 5.32 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM SAU KHI XẢ NƯỚC...........................30
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
PLC
Programmable Logic Controller
SCADA
Supervisory Control And Data Acquisition
CPU
Central Processing Unit
PID
Proportional Integral Derivative
OPC
OLE for Process Control
MQTT
Message Queue Telemetry Transport
IOT
Internet Of Things
Trang 1/34
CHƯƠNG 1.
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BỒN NƯỚC
1.1 Giới thiệu
Cùng với sự phát triển của xã hội đời sống con người ngày càng được nâng
cao, việc thay thế các hoạt động thủ công bằng các thiết bị tự động ngày còn được
áp dụng rộng rãi trong các hoạt động hằng ngày cũng như trong quá trình sản xuất.
Đều này giúp giảm bớt sức lao động, tăng năng suất cũng như chất lượng sản phẩm
và đảm bảo an toàn sức khỏe cho người lao động.
Công nghệ tự động giám sát và điều khiển mực chất lỏng được sử dụng rất
phổ biến các nhà máy, xí nghiệp, các trạm bơm. Bằng việc sử dụng các công nghệ
tự động giúp cho quá trình điều khiển, giám sát lưu lượng chất lỏng sử dụng, bơm
và xả chất lỏng một cách tin cậy với độ chính xác cao mà khơng cần đến sự kiểm tra
trực tiếp của con người.
Trên thực tế có rất nhiều phương pháp giúp ổn định mực nước trong bồn trong
đề tài này em tập trung sử dụng thuận toán PID để ổn định mực nước trong bồn.
Chức năng: Hệ thống giám sát, điều khiển ổn định mức nước trong bồn luôn
dao động ở mức mong muốn.
Hoạt động: Khởi động hệ thống bằng nút Start trên giao diện Scada. Cài đặt
giá trị mức nước mong muốn. Tùy vào mức nước hiện tại với mức nước đã cài đặt
mà bơm sẽ hoạt động nhanh hay chậm ( thông qua việc sử dụng bộ PID trong
Tiaportal). Hệ thống được điều khiển để đảm bảo mức nước trong bồn luôn bám
theo giá trị đặt (kể cả khi có tác động của van xả).
Ứng dụng. Việc ổn định mức nước bằng thuật toán PID được ứng dụng trong
nhiều lĩnh vực như là xử lý nước thải, sản xuất nước đóng chai, hệ thống cung cấp
nước cho hộ dân cư…
Trang 2/34
1.2 Mục đích nghiên cứu
-
Dựa vào các kiến thức đã học về lập trình PLC, SCADA, Factory I/O xây
dựng mô phỏng hệ thống điều khiển, giám sát bồn nước đơn.
-
Tìm hiểu ứng dụng thuận tốn PID vào lập trình PLC S7-1200
-
Biết cách giao tiếp PLC trên nên tảng IOT thông qua giao thức truyền thông
MQTT.
1.3 Đối tượng nghiên cứu
-
PLC S71200 CPU 1214 DC/DC/RLY.
-
Lập trình PLC, SCADA.
-
Thuận tốn PID.
-
Phần mềm Factory I/O.
-
Phần mềm KeepserverEx.
-
Giao thức MQTT, Node-red.
1.4 Phạm vi nghiên cứu
Phạm vị nghiên cứu giới hạn ổn định mức nước trong hệ bồn đơn.
1.5 Dự kiến kết quả
Hệ thống sau khi hồn thành thì mức nước trong bồn sẽ dao động quanh mức
mà chúng ta mong muốn. Bên cạnh đó có thể giám sát, điều khiển hoạt động của
bồn trên giao diện Scada và Node-red .
Trang 3/34
CHƯƠNG 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Giới thiệu thuận toán PID
2.1.1 Giới thiệu
PID: Proportional Integral Derivative (bộ điều khiển tỉ lệ tích phân) là một
thuận ngữ để chỉ cơ chế phản hồi vòng điều khiển được sử dụng để điều khiển các
biến quá trình khác nhau như áp suất, lưu lượng, nhiệt độ và tốc độ độc cơ trong các
ứng dụng công nghiệp. Bộ điều khiển PID được sử dụng nhiều trong các hệ thống
điều khiển vịng kín. Bộ điều khiển PID sẽ tính tốn lỗi bằng cách tính tốn giữa các
giá trị thực tế và giá trị mong muốn sau đó thiết lập các tham số cho phù hợp.
Hình 2.1 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID
Trong đó:
• P ( Proportional) : Là phương pháp điều chỉnh tỉ lệ, đưa ra đầu ra tỷ lệ
với sai số hiện tại e(t) , nó so sánh điểm mong muốn hoặc điểm đặt với
giá trị thực tế hoặc giá trị phản hồi .Sai số kết quả được nhân với một
hằng số tỉ lệ để có được kết quả đầu ra. Nếu giá trị lỗi bằng 0, thì đầu ra
bộ điều khiển bằng 0.
• I(Integral): Phương pháp điều khiển tích phân, tích phân của sai lệch
theo thời gian lấy mẫu. Điều khiển tích phân là phương pháp điều chỉnh
Trang 4/34
để loại bỏ lỗi ở trạng thái ổn định. Nó tích hợp lỗi trong một khoảng
thời gian cho đến khi giá trị lỗi bằng 0, giữ giá trị cho thiết bị điều
khiển cuối cùng mà tại đó lỗi bằng 0.
• D (Derivative): Phương pháp điều khiển vi phân, vi phân của sai lệch.
Có nhiệm vụ tạo ra các tín hiệu điều chỉnh để có thể cho tỉ lệ phù hợp
nhất với tốc độ thay đổi sai lệch đầu vào
Các loại bộ điều khiển PID
• Bộ điều khiển tỉ lệ- P
• Bộ điều khiển tỉ lệ và tích phân- PI
• Bộ điều khiển đạo hàm-PD
• Bộ điều khiển tỉ lệ, tích phân , vi phân-PID
Bộ điều khiển PID giúp giảm sai số xác lập đến mức tối thiểu nhất, hạn chế độ
dao động, giảm thời gian xác lập, độ vọt lố. Bộ điều khiển được ứng dụng nhiều
trong việc điều khiển mức nước, tốc độ động cơ, điều khiển nhiệt độ.
Đáp ứng vịng Thời gian lên
kín
Kp
Ki
Kd
Giảm
Giảm
Thay đổi nhỏ
Vọt lố
Thời gian
Sai số xác
Tăng
xác lập
Thay đổi
lập
Giảm
Tăng
Giảm
nhỏ
Tăng
Giảm
Loại bỏ
Thay đổi
nhỏ
Bảng 2.1 Ảnh hưởng của các thông số Kp,Ki,Kd
2.1.2 FB PID compact
Step 7 cung cấp khối chức năng “PID_compact”. Khối chức năng được phát
triển đặc biệt để điều khiển các cơ cấu chấp hành tỉ lệ.
Trang 5/34
Hình 2.2 PID compact
Tên
Input
Chức năng
Setpoint
liệu
real
Giá trị đặt đầu vào
Input
real
Giá trị đầu vào dạng real
Input Per
int
Xử lý giá trị dạng analog
Disturbance
real
Giá trị gây nhiễu
Manual Enable
bool
Bật/tắt chế độ manual
ManualVlue
real
Giá trị manual
ErrorAck
real
Xóa thơng báo/cảnh báo
bool
lỗi
Khởi động lại bộ điều
bool
khiển
Giá trị q trình được
Output
real
chia tỉ lệ
Giá trị đầu ra dạng real
Output_Per
real
Giá trị đầu ra dạng
Reset
Output
Kiểu dữ
ScaledInput
Trang 6/34
analog
Output_PWM
SetpointLimit_H
SetpointLimit_L
InputWarning_H
int
Giá trị đầu ra điều khiển
bool
độ rộng xung
Điểm đặt được cố định ở
bool
giới hạn trên
Điểm đặt được cố định ở
bool
giới hạn dưới
Giá trị quy trình vượt
quá giới hạn cảnh báo
InputWarning_L
bool
trên
Giá trị quy trình vượt
quá giới hạn cảnh báo
State
int
trên
Chế độ hoạt động của bộ
điều khiển
0=Inactive,1=Sut,2=Tir,
Error
bool
3=Automation,4=Manual
Trạng thái báo lỗi
2.2 Phần mềm Factory I/0
Factory I/O là một phần mềm giúp thiết kế và mơ phỏng các hệ thống tự động
hóa dưới dạng 3D một cách trực quan. Với thư viện phong phú phần mềm có thể
mơ phỏng với nhiều hệ thống tự động hóa thơng dụng nhất hiện nay.
Factory khơng chỉ kết nối với các thiết bị PLC thật mà cịn có khả năng kết nối
với PLC Sim của Siemens.
Trang 7/34
Hình 2.3 Phần mềm Factory I/0
Hình 2.4 Mơ phỏng một dây chuyền sản xuất trên Factory I/O
-
Để có thể giao tiếp giữa PLC Sim với Factory I/0 cần phải có một dự án
mẫu.
Trang 8/34
Hình 2.5 Giao tiếp giữa PLC Sim S71200 với Factory I/O
2.3 Giới thiệu giao thức MQTT
2.3.1 Giới thiệu
MQTT là viết tắt của “Message Queue Telemetry Transport”. Đây là một giao
thức truyền thơng điệp (message) theo mơ hình publish/subscribe, sử dụng băng
thơng thấp, độ tin cậy cao và có khả năng hoạt động trong điều kiện đường truyền
không ổn định.
2.3.2 Thành phần MQTT
• Cline: Được chia thành 2 nhóm chính là publish và subscriber. Cline
chỉ làm ít nhất trong 2 việc là publisher các thông điệp (message) lên
một hay nhiều topic cụ thể hoặc subscriber một hay nhiều topic nào đó
để nhận message từ topic này.
• Broker: Là trung tâm, là điểm giao của tất cả các kết nối đến từ cline.
Nhiệm vụ chính của broker là nhận message từ publisher, xếp các
message theo hàng đợi rồi chuyển chúng tới một địa chỉ cụ thể.
• Topic: Là nơi một client muốn đặt hoặc xuất message.
• Message: Là bảng tin trao đổi giữa các thiết bị IOT. Nhận được khi
subscribing một topic hoặc gửi đi khi publish một topic.
Trang 9/34
Hình 2.6 Hoạt động của MQTT
2.4 Giới thiệu Node-red
2.4.1 Giới thiệu
Node-Red là một cơng cụ lập trình kéo thả để kết nối các thiết bị phần cứng
API và online services với nhau. Nó cung cấp một trình soạn thảo dự trên trình
duyệt giúp dễ dàng kết nối các luồng với nhau bằng cách sử dụng một loạt các Node
trong bảng màu (palette) có thể được triển khai chỉ bằng một cú nhấp chuột. Node –
red cũng cho phép kiểm sốt nhiều chức năng thơng qua JavaScript. JavaScript là
ngơn ngữ lập trình cho nền tảng Node-Red.
2.4.2 Giao diện lập trình
Cửa sổ soạn thảo gồm 4 thành phần chính:
• Tiêu đề ở trên chứa nút Deploy. Menu chính.
• Bảng màu (palette) bên trái chứa các nút có sẵn đễ sử dụng.
• Khơng gian làm việc chính (workspace) ở giữa, nơi các luồng được tạo.
Trang 10/34
• Thanh sidebar bên phải.
Hình 2.7 Giao diện lập trình Node-red
2.4.3 Chức năng của node-red
-
Cho phép chỉnh sửa luồng flow ngay trên trình duyệt.
-
Hỗ trợ mơi trường thời gian thực nhẹ cùng với mơ hình hướng sự kiện
và khơng chặn.
-
Các luồng khác nhau được tạo trong node-red được lưu trữ bằng Json
dễ dàng nhập và xuất để chia sẽ với người khác.
-
Có thể chạy trong mơi trường điện tốn đám mây như IBM Cloud,
AWS.
Trang 11/34
2.5 Phần mềm Keepserver
Keepserver thường được biết đến với tên gọi quen thuộc Keepware OPC
server. Là một nền tảng tích hợp mạnh mẽ giúp bạn kết nối thiết bị của nhiều hãng
PLC trong quá trình giao tiếp với các phần mềm Scada.
Hình 2.8 Mơ phỏng hoạt động của Keepserver
2.5.1 OPC
OPC là một chuẩn giao tiếp trao đổi dữ liệu giữa các phần mềm theo cơ chế
client-server được sử dụng nhiều trong ngành cơng nghiệp tự động hóa. Là giao
thức cho phép kết nối các phần mềm SCADA (WinCC, LapView, HMI…) tới các
dòng PLC của nhiều hãng khác nhau.
OPC server như một cầu nối trung gian giữa OPC client và PLC trong đó:
• OPC Client: Các phần mềm SCADA ( WinCC, LabView…), HMI,
Visual Basic
• OPC Softwares: KepserverEX, OPCTechServer…
Trang 12/34
2.5.2 Tính năng Kepserver
Là phần mềm OPC phổ biến nhất hiện nay, KeepserverEX có nhiều tính năng
nổi bật như:
• Săn sàng cho IOT, tương thích với Thing Works Manufactory
Accelerator.
• Tương thích với các siêu giám sát hàng đầu, chẳng hạn như VMware và
Hyper-V.
• Tính năng bảo mật được nâng cao.
• Giao diện dễ sử dụng, dễ dàng cài đặt, bảo trì và khắc phục sự cố.
• Cho phép sử dụng nhiều giao thức trong cùng một máy chủ.
Trang 13/34
CHƯƠNG 3.
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG
3.1 Sơ đồ khối của hệ thống
NODE
RED
(3)
OPC server
(6)
SCADA
PLC
(2)
S7-1200
(1)
BƠM
CẢM BIẾN
(4)
MỨC (5)
Trang 14/34
3.1.1 Khối PLC
Lập trình điều khiển hệ thống, đọc tín hiệu analog từ cảm biến xử lý tín hiệu
theo chương trình đã được lập trình.
Hình 3.9 Cấu hình PLC
3.1.2 Khối SCADA
Lập trình giao diện giao tiếp giữa người dùng với máy tính có chức năng thu
thập dữ liệu và giám sát hệ thống.
Sử dụng WinCC Runtimes Advanced với chuẩn kết nối IE general để giao tiếp
với PLC.
Trang 15/34
Hình 3.10 Cấu hình SCADA
3.1.3 Khối Node-red
Thu thập dữ liệu, giám sát hệ thống trên node _red dashboard
3.1.4 Bơm
Bơm nước vào bồn
3.1.5 Cảm biến
Cảm biến mức lấy thông tin mức nước từ bồn nước và đưa vào
PLC
3.1.6 Khối OPC server
OPC server giúp kết nối PLC với Node red. Nhận và gửi dữ liệu giữa PLC với
Node _red thông qua giao thức MQTT.
Trang 16/34
Hình 3.11 Cấu hình kết nối PLC với OPC server
Hình 3.12 Cấu hình kết nối OPC server với Node_red thơng qua MQTT client
Hình 3.13 Cấu hình kết nối OPC server với Node red thông qua MQTT client
Trang 17/34
Hình 3.14 Cấu hình kết nối OPC server với Node_red thơng qua MQTT client
Hình 3.15 Giao tiếp giữa PLC với Node red thông qua OPC server
Trang 18/34
3.2 Thiết kế giao diện
3.2.1 Thiết kế dữ liệu
-Địa chỉ ngõ vào ra:
Hình 3.16 Địa chỉ input/output PLC
Trang 19/34
-Thiết lập các thông số cho khối chức năng PID_compact.
Hình 3.17 Cấu hình PID compact
Hình 3.18 Cài đặt loại điều khiển cho PID compact
Hình 3.19 Cài đặt loại tín hiệu Input/output
