THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT MỰC NƯỚC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO ĐỒ ÁN I
HỌC PHẦN: ĐỒ ÁN 1
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT MỰC NƯỚC
(MÃ HỌC PHẦN:13321H)

Hải Phòng 12/2021


MỤC LỤC

MỤC LỤC...................................................................................................................................................1
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ..................................................................................................................3
CHƯƠNG 1................................................................................................................................................5
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC................................................................5
1.1 Giới thiệu tổng quan.........................................................................................................................5
1.2 Giới thiệu về hệ thống.......................................................................................................................5
1.3 Các phần tử trong hệ thống.............................................................................................................6
1.4 Các thiết bị chấp hành.....................................................................................................................7
1.4.1 Cảm biến áp suất VEGABAR14...............................................................................................7
1.4.2 Van điện từ (Van tỷ lệ V2) BURKERT 2834.................................................................................9
1.4.3 Máy bơm nước.........................................................................................................................11
1.4.4 Van nhiễu V1 ( BURKERT 0211 ).........................................................................................12
1.5 Tính chọn thiết bị Rơ le:................................................................................................................12
1.6 Thiết bị điều khiển..........................................................................................................................14
1.6.1 Module nguồn: PS 307 -5A24VDC.........................................................................................14
1.6.2 Module xử lý trung tâm CPU 314 – 1AG14 – 0AB0 loại v3.0....................................................14
1.6.3 Module SM 323 DI8/DO8xDC24V/0,5A................................................................................15
1.6.4 Module analog SM 331 AI2x12bit..........................................................................................16

1.6.5 Module analog SM 332 AO2x12bit.........................................................................................17
1.7 Nguyên lý điều khiển......................................................................................................................18
1.8 Sơ đồ đấu nối..................................................................................................................................19
CHƯƠNG 2..............................................................................................................................................22
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC..........................................................................22
2.1 Mơ hình chung của hệ thống:........................................................................................................22
2.2

Xây dựng hàm truyền của hệ thống........................................................................................23

2.2.1 Xây dựng hàm truyền van điện từ:.........................................................................................23
2.2.2 Mối quan hệ giữa lưu lượng Q và thể tích chất lỏng V trong bình chứa.............................26
2.2.3 Cảm biến..................................................................................................................................27
2.2 Thiết kế bộ điều khiển PID............................................................................................................28
2.3 Thiết kế chương trình điều khiển:.................................................................................................32
1


2.3.1 Lưu đồ thuật toán....................................................................................................................32
CHƯƠNG 3..............................................................................................................................................33
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI.......................................................................................33
3.1 Thiết kế bộ điều khiển thích nghi..................................................................................................33
3.1.1 Đầu vào.....................................................................................................................................35
3.1.2 Đầu ra.......................................................................................................................................37
CHƯƠNG 4..............................................................................................................................................39
HỆ THỐNG GIÁM SÁT.........................................................................................................................39
4.1

Giới thiệu về phần mềm winCC..............................................................................................39

4.2 Giao diện giám sát..........................................................................................................................39
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................................................43

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
2


Y

Hình 2.1: Mơ hình của hệ thống....................................................................................22
Hình 2.2:Biến cần điều khiển là mức nước...................................................................23
Hình 2.3: Mối liên hệ giữa độ mở van và dịng điện.....................................................24
Hình 2.4: Mơ hình của van.............................................................................................25
Hình 2.5: Mối liên hệ giữa áp suất và dịng điện..........................................................27
Hình 2.6: Mối liên hệ giữa dòng điện và cổng PIW288 của module AI......................28
Hình 2.7: Sơ đồ hệ thống................................................................................................30
Hình 2.8: Mơ phỏng với a = 3.........................................................................................31

Hình 3.1: Chỉnh định mờ tham số cho bộ PID..............................................................34
Hình 3.2: Bên trong bộ chỉnh định mờ..........................................................................35
Hình 3.3: Đầu vào ( Sai số e(t) ).....................................................................................36
Hình 3.4: Đầu vào (đạo hàm sai số e’(t)).......................................................................37
Hình 3.5: Đầu ra Kp’......................................................................................................38
Hình 4.1: Bảng tag địa chỉ..............................................................................................40
Hình 4.2: Hệ thống khi chưa hoạt động........................................................................40
Hình 4.3: Hệ thống đang hoạt động...............................................................................41
Hình 4.4: Hệ thống vẫn hoạt động khi van V2 đã đóng...............................................42
Hình 4.5: Van V2 mở khi van nhiễu làm giảm mức nước đặt.....................................42

3

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC
1.1 Giới thiệu tổng quan
Hiện nay sự cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa ngày càng phát triển mạnh mẽ, sự tiến bộ
của khoa học kỹ thuật, trong đó có kỹ thuật điều khiển tự động cũng góp phần rất lớn tạo
điều kiện để nâng cao hiệu quả trong quá trình sản xuất. Hiện nay, tự động hố q trình
cơng nghệ đã thực sự phát triển và ứng dụng mạnh mẽ trong cơng nghiệp cụ thể như cơng
nghiệp lọc hóa dầu, cơng nghiệp hóa chất, cơng nghiệp xử lý nước, sản xuất giấy, sản
xuất xi măng ... cũng như trong các lĩnh vực khác của đời sống. Nói chung để nâng cao
hiệu quả sản xuất , đảm bảo an toàn cho người , máy móc và mơi trường trong cơng
nghiệp chế biến , khai thác thì vấn đề điều khiển quá trình cơng nghệ là rất quan trọng.
Trong điều khiển q trình, bài tốn đặt ra là điều chỉnh q trình cơng nghệ có yêu cầu
rất cao về độ tin cậy và tính sẵn sàng. Các đại lượng cần điều khiển như lưu lượng, áp
suất, nhiệt độ ... cần phải điều chỉnh để đáp ứng u cầu đặt ra.
Trong cơng ngiệp hóa lọc dầu, cơng nghiệp hóa chất, cơng nghiệp xử lý nước, sản suất
điện năng... vấn đề điều khiển mức nước cần đáp ứng với độ chính xác cao để phục vụ
q trình sản xuất hiệu quả tốt hơn. Chính vì vậy, vấn đề đặt ra trong đề tài là điều khiển
lưu lượng dòng chảy để ổn định mức chất lỏng với độ chính xác cao. Với yêu cầu ứng
4


dụng thực tế như vậy, đề tài nghiên cứu đối tượng chính ở đây là hệ thống điều khiển mức
nước.
1.2 Giới thiệu về hệ thống
Hệ thống điều khiển mức nước được hình thành với mơ hình điều khiển mức nước gồm
có hai bồn nước: trên và dưới. Máy bơm sẽ bơm nước từ bồn nước dưới lên trên thông
qua 1 van điện từ V( V2) có thể điều khiển độ mở van. Dưới đáy bể trên có lắp một cảm
biến áp suất và một van xả (V1).

Hệ thống có cảm biến mực nước và bộ điều khiển chuyên dụng, nhờ đó có thể giảm tiết
diện ống và tăng vận tốc dịng chảy trong các hệ thống đường ống có áp, khép kín, tồn
bộ được quản lý một cách chính xác và hiệu quả. Các hệ thống theo dõi và giám sát làm
tăng khả năng cải thiện cả hiệu suất và độ tin cậy.
Bài toán đặt ra là : sử dụng bộ điều khiển S7 300 và thuật toán điều khiển PID điều
khiển độ mở van (V2) để bể trên luôn giữ ở mức nước yêu cầu.

5


BộBộ điều khiển
Bể nước trên

V2
V1
Cảm biến áp suất

Máy bơm
Bể nước dưới

Hình 1.1: Mơ hình điều khiển mức

Với sự phát triển của kỹ thuật hiện nay thì có nhiều cách để điều khiển mức nước, nhưng
ở đây em sử dụng bộ điều khiển PID và PID mờ để điều khiển.
1.3 Các phần tử trong hệ thống
+Cảm biến áp suất VEGABAR14
+Van điện từ (Van tỷ lệ) BURKERT 2834 ( V2 )
+Máy bơm nước
+PLC S7300
Module nguồn: PS307 – 5A 24VDC

6


Module xử lý trung tâm CPU 314 – 1AG14 – 0AB0 loại v3.0
Module Analog: SM331 AI8x12bit

6ES7 331 – 7KF02-0AB0

Module Digital: SM 323 DI8/DO8 x DC24V/0.5A 6ES7 323 - 1BH01 – 0AA0
Module Analog: SM331 AI2x12bit

6ES7 331 – 7KB02 – 0AB0

Module Analog: SM332 AO2x12bit 6ES7 332 – 5HB01 – 0AB0
Bể nước dưới
Kích thước : Dài 30 cm
Rộng 23 cm
Cao 17 cm
Bể nước trên
Kích thước :

Dài 16,5 cm
Rộng 16,5 cm
Cao 23 cm

Van xả đáy bể nước trên ( V3 )
1.4 Các thiết bị chấp hành
1.4.1 Cảm biến áp suất VEGABAR14
Đây là thiết bị chuyển đổi lực từ sự đo lường của cảm biến lực, áp suất tuyệt đối hoặc
chân khơng. Các chất có thể đo được: khí, hơi nước và các chất lỏng. Ở đây, sự lệch của

áp suất được chuyển đổi thành một tín hiệu đo lường.
Nguyên lý hoạt động:

7


Phần tử cảm biến là tế bào đo “CERTEC” với màng ngăn gốm giao nhau (cắt nhau).
Áp lực quá trình gây ra sự thay đổi điện dung trong tế bào đo của màng gốm. Sự thay đổi
Dải đo: 0-0.1 bar, 0-10000Pa
Tín hiệu ra: 4-20mA
Nguồn cung cấp: 12-30VDC

này được chuyển đổi thành tín hiệu đầu ra thích hợp và được xuất ra như giá trị đo.

Cấu tạo:

Hình 1.2:Cảm biến áp suất VEGEBAR14
Hình 1.3:Cấu tạo của cảm biến

1.Khớp quá trình
2.Hộp thiết bị điện
3.Dây kết nối

8


-Dây kết nối:

Hình 1.4:Các dây nối của cảm biến
1.Dây màu nâu (+) là nguồn cung cấp và cũng là đường truyền tín hiệu.

2.Dây màu xanh da trời (-) là nguồn cung cấp và cũng là đường truyền tín hiệu.
3.Dây nối với màn hình.
1.4.2 Van điện từ (Van tỷ lệ V2) BURKERT 2834

9


Đây là loại van có thể điều khiển độ mở van. Bộ phận điều khiển điện tử 1094 cung
cấp một dữ liệu liên tục mở mặt cắt ngang van loại 2834 tỷ lệ với tín hiệu đầu vào

Hình 1.5: Van điện từ

Cấu tạo van 2834:

Hình 1.6:Cấu tạo thân van 2834
10


1. Thân van (làm bằng đồng thau hoặc thép không gỉ)
2. Pít tơng
3. Vịng chữ O
4. Vịng glide
5. Lị xo
6. Bộ phận hãm có tích hợp chỉnh vít
7. Trục pít tông cuộn dây
8. Cuộn dây (lõi cuộn cảm, cuộn hút)

Cấu tạo bộ phận điều khiển van BURKERT 1094 – PMR:

Hình 1.7:Cấu tạo bộ điều khiển van

Nguyên tắc hoạt động:
Khi chưa cấp điện cho van, cuộn cảm (cuộn hút) ( 8) chưa có điện, pittong (2) chịu áp
lực của lị xo (5) ép lên thành van làm van đóng lại.
Khi ta cấp điện cho van, cuộn cảm được tích điện gây ra từ trường, nếu từ trường đủ
lớn để thắng được lực đẩy của lò xo, pittong sẽ được hút lên, van sẽ mở ra và nước đi qua
11


van.
Ta có thể điều chỉnh độ mở của van bằng cách điều chỉnh dịng điện. Dịng điện càng
cao thì từ trường càng mạnh van mở càng rộng (nhưng dòng điện không được vượt quá xa
Imax chịu được của van).
1.4.3 Máy bơm nước

Hình 1.8: Máy bơm

HAHNNING EW
DPS 25 – 032
Nguồn: 220 – 240 V
Tần số: 50Hz
Công suất: 30W
1.4.4 Van nhiễu V1 ( BURKERT 0211 )
Đây là loại van có chỉ có chức năng đóng hoặc mở gây ra nhiễu từ bể nước trên.

12


Hình 1.9: Van nhiễu 0211
Thơng số kỹ thuật: +A: ký hiệu bình thường là van ln đóng.
+Điện áp: 24VDC

+Cơng suất: 8W
1.5 Tính chọn thiết bị Rơ le:
Ở đây e chọn loại rơ le trung gian Handouk 2 cặp tiếp điểm GA-2C-D24SL, 8chân 2P,
LED, 24VDC.

Hình 1.10: Rơ le trung gian Handouk
13


Điều khiển máy bơm: Cấp nguồn chờ 220V AC cho máy bơm: một đầu máy bơm nối
cực âm (N), đầu còn lại của máy bơm nối chân NO của rơ le. Chân Pole của rơ le nối
dương nguồn (L) 220V. Khi có tác động của nguồn 24V dẫn tới cuộn hút của rơ le được
cấp nguồn làm 2 chân Pole và NO của rơ le được nối với nhau : cấp nguồn cho máy bơm.

Hình 1.11: Sơ đồ dùng rơ le điều khiển đóng ngắt dịng 220VAC

1.6 Thiết bị điều khiển
1.6.1 Module nguồn: PS 307 -5A24VDC
Module nguồn PS cung cấp nguồn hoạt động cho các module phần cứng trên Rack.
Tên viết ngắt module nguồn của S7- 300 là PS307. Module nguồn PS307 yêu cầu áp cung
cấp đầu vào là 120/230V AC và ngõ ra là 24V DC để cung cấp cho CPU và các module
khác. Mỗi module nguồn có mã số và cần phải định nghĩa trong cấu hình phần cứng để
giao tiếp và sử dụng.

14


Hình 1.12: Module nguồn PS307 – 5A 24VDC
1.6.2 Module xử lý trung tâm CPU 314 – 1AG14 – 0AB0 loại v3.0
Module xử lý trung tâm CPU chứa vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ định thì, bộ

đếm, cổng truyền thơng ... module lưu trữ chương trình điều khiển PLC S7- 300 trong bộ
nhớ của nó. Ngồi ra, một số module PLC có thể tích hợp một vài cổng vào/ra số, analog .

Hình 1.13: CPU 3.14 - v3.0

15


1.6.3 Module SM 323 DI8/DO8xDC24V/0,5A
Module có 8 đầu vào số và 8 đầu ra số. Điện áp đầu vào là 24V DC và điện áp tải là
24V DC. Đầu vào được nối với các thiết bị chuyển mạch: công tắc, nút ấn ... Đầu ra được
nối với các thiết bị van điện từ, động cơ máy bơm, đèn tín hiệu ...

Hình 1.14: Sơ đồ kết nối thiết bị ngoại vi của module SM 323 DI8/DO8
1. Số kênh.
2. Đèn hiển thị.
3. Bảng kết nối giao diện bus.
1.6.4 Module analog SM 331 AI2x12bit
Module đọc Analog với các tín hiệu khác nhau như: Dịng 4-20mA, đọc tín hiệu áp 0-

16


10V DC, điện trở, nhiệt độ…Module có 2 nhóm kênh. Mỗi kênh có 2 đầu vào.

17


Hình 1.15: Sơ đồ kết nối thiết bị ngoại vi của module analog
SM 331 AI2x12bit

1.6.5 Module analog SM 332 AO2x12bit
Module xuất tín hiệu Analog. Có hai đầu ra trong một nhóm kênh. Tín hiệu đầu ra có
thể được thiết lập riêng về điện áp hoặc dòng điện.

18


Hình 1.16: Sơ đồ kết nối của thiết bị ngoại vi module SM 332 AO2x12bit (tín hiệu
dịng điện)
1. Liên kết đẳng thế.
2. Chức năng nối đất.
3. Nguồn nội.
4. Cách điện.
5. Bảng kết nối giao diện Bus.
6. Bộ chuyển đổi từ số sang tương tự.
1.7 Nguyên lý điều khiển
Nếu Pđặt > P _thực tế thì V2 mở (từ từ). Để bơm nước vào bình cho đạt mức yêu cầu.
Nếu P_đặt = P_thực tế thì V2 đóng (từ từ).
Nếu P_đặt < P_thực tế thì V2 đóng . Xả van tay để P_đặt = P_thực tế.
Chú ý: Đặc biệt với kết cấu hệ thống bơm nước, có 1 đường ống dẫn nước trở lại bình
dưới nên hệ thống bơm nước ln tuần hồn, nên máy bơm ln an tồn.
19