(Đồ án hcmute) điều khiển giám sát và ổn định mực chất lỏng dùng plc s7 1200

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
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

SKL 0 0 3 8 8 5

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2015

do an


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
---***---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

Ngành : Cơng nghệ kỹ thuật điện tử truyền thông
Giảng viên hướng dẫn : TS. Trương Đình Nhơn
Ngày nhận đề tài: 10/3/2015

MSSV : 11141351
MSSV : 11141361
Lớp : 11141CLĐT2
ĐT :
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:
 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:
 Hồn thành mơ hình cơ khí,mơ hình hoạt động đúng u cầu thiết kế
 Hoàn chỉnh hệ thống SCADA điều khiển và giám sát trên WINCC
TRƯỞNG NGÀNH

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Th.S Nguyễn Ngô Lâm

TS. Trương Đình Nhơn
i

do an


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
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
Giáo viên hướng dẫn
(Ký & ghi rõ họ tên)

năm 20…

ii

do an


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
---***----

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN 1
Họ và tên Sinh viên : Đào Minh Trí.
MSSV: 11141351

Ngành: Cơng nghệ kỹ thuật điện tử truyền thơng.
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)

iii

do an


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
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)

iv

do an


LỜI CẢM ƠN

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 q
thầy cơ 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 khơng 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 khơng ngoại lệ.
Trong thời gian thực hiện đồ án, nhóm thực hiện đã nhận được sự giúp đỡ rất tận
tình từ q Thầy/Cơ trong và ngồi khoa Điên-Điện tử, cũng như các bạn cùng làm
đồ án tại xưởng điện. Nhờ sự giúp đỡ đó, nhóm đã hồn 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 hồn 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
đề tài.
Cảm ơn cha mẹ, những người thân đã góp ý kiến, giúp đỡ và động viên
nhóm hồn thành đề tài này.
Xin chân thành cảm ơn!
Nhóm thực hiện đề tài
Đào Minh Trí
Nguyễn Lê Văn Thành

v

do an


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 cơng 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. Ngồi ra, nó cịn 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 tịi, nghiên cứu và hướng
dẫn tận tình của giáo viên hướng dẫn cùng Thầy/Cô thuộc Khoa Điện-Điện Tử để
có thể hồn thành tốt đồ án này.
Mặc dù, nhóm thực hiện đã cố gắng hồn thành nhiệm vụ đề tài đặt ra và đúng
thời hạn nhưng chắc chắn sẽ khơng tránh khỏi những thiếu sót, mong các q
Thầy/Cơ và các bạn thơng cảm. Nhóm thực hiện đề tài mong nhận được những ý
kiến đóng góp từ q Thầy/Cơ và các bạn.
Xin chân thành cảm ơn!

vi

do an


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

vii

do an


MỤC LỤC
NỘI DUNG

TRANG

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

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................... 7
viii

do an


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 tốn thơng số PID ................................................................................ 17
2.2. Tổng quan mơ hình bồn nước ......................................................................... 18
2.2.1. Mơ hình của hệ thống ................................................................................... 19
2.2.2. Mơ hình tốn 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
ix

do an

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. Mơ hình cơ khí sau khi hồn 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
x

do an


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

xi

do an


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
PID : Proportional-Integral-Derivative.
PLC : Programmable Logic Controller.
SCADA : Supervisory Control And Data Acquisition

xii

do an


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 thơng, module tín hiệu và bảng tín hiệu ........................ 26
Bảng 3.1. Điện áp sử dụng của từng thiết bị ................................................................. 57

xiii

do an


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình

Trang

Hình 2.1. Sơ đồ khối khâu hiệu chỉnh PI ...................................................................... 9
Hình 2.2. Đặc tính q 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 q 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. Mơ 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 thơng ................................................................................... 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

xiv

do an


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. Hồn 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. Mơ 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. Mơ hình lắp đặt tủ điện ............................................................................... 54
Hình 3.12. Sơ đồ nguyên lý kết nối phần cứng ............................................................. 55

xv

do an


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 mơ hình. ..................................................... 75
Hình 5.2. Giao diện màn hình chính. ............................................................................ 76

xvi

do an


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

xvii

do an


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1

do an


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
1.1 Lý do chọn đề tài
Tự động hóa q trình cơng 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 cơng 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 q trình sản xuất các
chất lỏng khơng 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 địi 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, cơng 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 cơng 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 khơng cao nên nhóm chúng em sử dụng bộ điều khiển
PID kinh điển để điều khiển.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

2

do an


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
1.2 Mục đích nghiên cứu
Mục đích của đề tài nhằm thực hiện ổn định mực chất lỏng theo u cầu dựa
trên mơ 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 thơng 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 cơng 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 cơng mơ 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.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

3

do an

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
 Giao diện điều khiển và giám sát có khả năng cài đặt thơng số điều khiển,
chọn chế độ điều khiển, hiển thị mực chất lỏng, đường đặc tính q trình
q độ của hệ thống.
Ngồi ra, các thuật tốn điều khiển khác như mờ, nơron… khơng 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. Thơng qua đề tài, độc giả có thể tự xây dựng
được một mơ 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 q 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 hồn thành tốt cơng 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 cơng 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 trị 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 mơ 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 mơ 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:
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

4

do an


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
 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 chun mơn.
Nhóm phương pháp nghiên cứu thực tiễn:
 Phương pháp quan sát: tham khảo các mơ hình thực tế tại các cơng ty, xí
nghiệp. Nắm được ngun tắc hoạt động chính yếu của hệ thống nhằm đưa
vào mơ 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 mơ 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
cơng đoạn tiến hành xây dựng mơ hình từ q 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 mơ
hình. Chi tiết thiết bị sử dụng trong mơ 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
thống và phần thiết kế giao diện điều khiển, giám sát hệ thống.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

5

do an


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
 Chương 5: Kết quả đạt được
Chương này trình bày về kết quả sau khi thiết kế, thi cơng mơ hình và kết quả
kết hợp giữa mơ 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 hồn thiện về mơ hình cũng như giao diện điều
khiển giám sát nhằm tối ưu hóa hệ thống trong tương lai.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

6

do an


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

do an

7