lớp 112191a nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ quá trình dòng chảy bình mức Điều khiển giám sát trên web

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.82 MB, 81 trang )

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

---

<b>ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH: CNKT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ </b>

<b>CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HĨA CƠNG NGHIỆP </b>

<b>TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ Q TRÌNH DỊNG CHẢY/BÌNH MỨC ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT </b>

<b>TRÊN WEB </b>

<b>Người hướng dẫn : TS. Nguyễn Ngọc Minh </b>

<b>Hưng Yên, năm 2023</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

<b>LỜI CẢM ƠN </b>

Báo cáo đồ án tốt nghiệp chuyên ngành : Tự động hóa cơng nghiệp với đề tài

<i><b>“Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ q trình dịng chảy/bình mức điều khiển giám sát trên WEB” là kết quả của quá trình cố gắng không ngừng nghỉ của em và được </b></i>

sự động viên khích lệ của thầy cơ và bạn bè. Qua trang viết này em xin gửi lời cảm ơn tới những người đã giúp đỡ em trong thời gian học tập ,nghiên cứu khóa học vừa qua.

Em tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy Nguyễn Ngọc Minh đã tận tình hướng dẫn để em có những thơng tin cần thiết để hoàn thành được đồ án tốt nghiệp này.

Xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo nhà trường “Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Hưng Yên”, khoa Điện – Điện Tử đã tạo điều kiện cho em hồn thành tốt cơng việc hồn thành đồ án tốt nghiệp của mình.

Em xin chân thành cảm ơn!

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

<b>LỜI NÓI ĐẦU </b>

Điều khiển PLC, HMI, Web, các loại cảm biến là những thiết bị rất hay và lý

<b>thú, cuốn hút được nhiều sinh viên theo đuổi. Là những sinh viên chuyên ngành tự </b>

<b>động hóa cơng nghiệp, em muốn được tiếp cận và hiểu sâu hơn với những thiết bị </b>

tự động hóa và chế tạo mơ hình. Vì vậy, đồ án tốt nghiệp là điều kiện tốt giúp em kiểm chứng được lý thuyết đã được học, rút ra những kinh nghiệm quý báu và cơ hội tiếp xúc với những trang thiết bị hiện đại.

Xét điều kiện cụ thể ở nước ta trong cơng cuộc cơng nghiệp hóa hiện đại hóa sử dụng ngày càng nhiều thiết bị hiện đại để điều khiển tự động các quá trình sản xuất, gia công, chế biến sản phẩm...Điều này dẫn tới việc hình thành các hệ thống chiết rót, sản xuất, điều chế chất lỏng cần tính ổn định và chính xác cao. Bên cạnh điều kiện về chất lượng của thiết bị thì ta cũng lên cần có những giải pháp sát cho các hệ thống đó một cách liên tục và độ trễ dữ liệu thấp, khả năng lưu trữ lớn.

<b> Chính vì vậy trong đồ án tốt nghiệp này, em đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu </b>

<b>thiết kế chế tạo hệ q trình dịng chảy/bình mức điều khiển giám sát trên WEB” </b>

<b>để làm tốt nghiệp của mình. </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

1.2 Nội dung nghiên cứu ... x

1.3 Ý nghĩa và thực tiễn của đề tài ... xi

1.4 Phương pháp nghiên cứu ... xi

2.3 Phương pháp thiết kế hệ điều khiển quá trình và thiết kế website ... 23

2.3.1 Thiết kế hệ đo áp suất ... 23

2.3.2 Mơ hình bình mức ... 25

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

2.4 Lưu đồ P&ID điều khiển tầng ... 29

2.5 Khảo sát chất lượng cảm biến lưu lượng ... 29

2.6 Sơ đồ khối toàn mạch ... 31

2.7 Lưu đồ thuật toán đo và điều khiển ... 33

2.8 Thiết kế giao diện module PLC và HMI ... 34

2.9 Thiết kế mơ hình bình mức ... 36

2.10 Sơ đồ kết nối ... 38

2.11 Giao điện Hmi ... 38

2.12 Lập trình giao diện Web ... 39

2.13 Xây đựng Web và giao diện ... 43

3.3 Khảo sát bộ điều khiền Simple loop control (1 tầng điều khiển) ... 62

3.4 Khảo sát bộ điều khiển cascade control (2 tầng điều khiển ) ... 66

Tài Liệu Tham Khảo ... 69

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

<b>DANH MỤC HÌNH ẢNH </b>

Hình 1. 1: Mơ Hình của cty TNHH Tiến Đạt ... 4

Hình 1. 2: Mơ hình bình mức của Leybold ... 4

Hình 1. 3: Sơ đồ cấu trúc ... 5

Hình 2. 1: Màn hình HMI Weintek TK6070ih ... 8

Hình 2. 2: Dịng FX chính hãng ... 9

Hình 2. 3: Dịng FX dạng board ... 9

Hình 2. 4: Sơ đồ chân của PLC ... 11

Hình 2. 5: Sơ đồ hệ thống điều khiển PID ... 15

Hình 2. 6: Đáp ứng quá độ khâu PID ... 16

Hình 2. 7: Xác định tham số mơ hình xấp xỉ bậc nhất có trễ ... 17

Hình 2. 8: Mơ hình điều khiển với Kgh ... 19

Hình 2. 9:Xác định hệ số khuếch đại tới hạn ... 19

Hình 2. 10: Các loại cảm biến thường dùng ... 20

Hình 2. 11: cấu tạo cảm biến áp suất ... 21

Hình 2. 12: Cảm biến áp suất Measens ... 21

Hình 2. 13: Ý tưởng lập trình ... 23

Hình 2. 14: Mơ tả hệ đo ... 23

Hình 2. 15: Đồ thị mức nước và áp suất thực tế ... 24

Hình 2. 17: Lưu đồ P&ID một vịng phản hồi ... 25

Hình 2. 18: Sơ đồ khối của hệ ... 25

Hình 2. 19:Sơ đồ hàm truyền đạt trước và sau khi tinh chỉnh ... 27

Hình 2. 20: Đồ thị trước và sau khi tinh chỉnh trên mơ phỏng ... 28

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

Hình 2. 21: Lưu đồ P&ID ... 29

Hình 2. 16:Khảo sát chất lượng của cảm biến lưu lượng ... 31

Hình 2. 22: Sơ đồ khối ... 31

Hình 2. 23: Sơ đồ cáp giáo tiếp RS232 ... 32

Hình 2. 24: Sơ đồ chân của cụm DB9 trên PLC ... 32

Hình 2. 25: Sơ đồ chuyển đổi dữ liệu ... 33

Hình 2. 26: Lưu đồ thuật tốn ... 34

Hình 2. 27: Mặt trước của module điều khiển ... 35

Hình 2. 28: Sơ đồ lắp đặt ... 36

Hình 2. 29: Mặt trước của module bình mức chất lỏng ... 37

Hình 2. 30: Sơ đồ kết nối ... 38

Hình 2. 31: Giao diện HMI trang 1 ... 39

Hình 2. 32: Giao diện HMI trang 2 ... 39

Hình 2. 33: Giao diện đăng nhập ... 40

Hình 2. 34: Giao diện trang 1 ... 40

Hình 2. 35: Mẫu báo cáo 1 vịng phản hồi ... 41

Hình 2. 36:Mẫu báo cáo 2 vịng điều khiển ... 41

Hình 2. 37: Giao diện trang 2 ... 41

Hình 2. 38: Giao diện trang 3 ... 42

Hình 2. 39: Ghi dữ liệu xuống PLC ... 47

Hình 2. 40: Đọc dữ liệu từ PLC ... 48

Hình 2. 41: Khai báo thuộc tính thời gian ... 50

Hình 2. 42: Thiết lập định dạng cho Excel ... 50

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

Hình 2. 43: Các câu lệnh thiết lập HEADER và FOOTER ... 51

Hình 2. 44: Liên kết web ... 51

Hình 2. 45: Bố cục chính của HTML ... 51

Hình 2. 46: Gọi chương trình con và CSS ... 52

Hình 2. 47: Bố cục của Web ... 53

Hình 2. 48: Đoạn mã tạo nút ấn chức năng ... 53

Hình 2. 49: Chương trình con fn_ScreenChange() ... 53

Hình 2. 50: Cấu trúc của thẻ <table> ... 54

Hình 2. 51: Thẻ <input>và Chương trình con IO Field ... 54

Hình 3. 5: Báo cáo của điều khiển 2 vịng điều khiển ... 61

Hình 3. 6: Đồ thị khi chưa có bộ PID ... 62

Hình 3. 7: Độ thị tìm T và L... 62

Hình 3. 8. Đồ thị đáp ứng của bộ PI... 63

Hình 3. 9: Đồ thị khi tăng Kp ... 63

Hình 3. 10: Đồ thị khi giảm Kp... 64

Hình 3. 11: Đồ thị trước và sau khi tinh chỉnh trên thực tế ... 65

Hình 3. 12: Đồ thị khảo sát điều khiển tầng ... 66

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

Hình 3. 13: Đồ thị điều khiển tầng khi đưa bộ thơng số ... 67Hình 3. 14: Đồ thị khi thay đổi SV liên tục ... 68

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

<b>DANH MỤC BẢNG BIỂU </b>

Bảng 2. 1: Thông số của PLC ... 11

Bảng 2. 2: Đặc tính ngõ vào ... 12

Bảng 2. 3: Đặc tính ngõ ra ... 13

Bảng 2. 4: Lưu chọn thông số bộ điều khiển theo ZN1 ... 18

Bảng 2. 5: thông số bộ điều khiển theo thực nghiệm ... 20

Bảng 2. 6:Đánh giá chất lượng cảu bộ PID... 28

Bảng 2. 7: Phần mềm sử dụng ... 42

Bảng 2. 8: Các module cần thiết ... 47

Bảng 2. 9: So sánh khi thay đổi van xả ... 64

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

<b>MỞ ĐẦU </b>

Ngày nay, cùng với sự phát triển của kinh tế, việc áp dụng các phương thức quy trình hiện đại vào trong các nghành công nghiệp là điều tất yếu. Trong đó hệ thống scada đã được sử dụng rất nhiều trong các nhà máy, xí nghiệp, để hiểu rõ hơn

<i><b>về hệ thống giao tiếp này, em đã được giao đề tài ‘‘Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ </b></i>

<b>q trình dịng chảy/bình mức điều khiển giám sát trên WEB” để nghiên cứu. </b>

Việc nghiên cứu đề tài này đã giúp em hiểu thêm rõ hơn về sự quan trọng của hệ thống làm việc này. Đã cung cấp cho em thêm hiểu biết, để khi ra trường xin vào các khu công nghiệp làm việc khơng bị bỡ ngỡ, khó khăn khi tiếp xúc với các hệ thống máy móc ứng dụng phát triển trên cơ sở của hệ thống điều khiển.

Trong đồ án tốt nghiệp này, em sẽ sử dụng PLC board là một loại PLC của Trung Quốc phát triển dựa trên PLC chính hãng của Mitsubishi nên sẽ khơng có tích hợp hay module mạng của riêng. Ta có 2 kiểu public website là public trong mạng nội bộ và public lên internet. Để tối ưu chi phí thực hiện đề tài và để khơng phải mất chi phí duy trì website, em sẽ tiến hành chỉ public website trong mạng nội bộ để phù hợp tiêu chí nghiêm cứu và thử nghiệm trong quy mô học tập. Nếu muốn public lên internet thì cũng sẽ làm tương tự như public trong mạng nội bộ (LAN) nhưng chúng ta cần chi phí thuê IP và chí phí mua router VPN cho PLC.

Trong quá trình thực hiện đề tài, gặp nhiều khó khăn là điều tất yếu, em đã tham khảo học hỏi các ý kiến và sự chỉ dạy của các thầy, cô trong khoa, đặc biệt là

<b>sự chỉ dẫn tận tình của thầy Nguyễn Ngọc Minh. </b>

Để phục vụ trong công tác học tập, nghiên cứu và giảng dạy trong các trường đại học, cao đẳng, trung cấp thuộc những khối ngành kĩ thuật trên khắp cả nước, giúp sinh viên tiếp cận thực tế, có cái nhìn khách quan và chân thực nhất trong quá trình học tập.

<b>1.2 Nội dung nghiên cứu </b>

Nghiêm cứu tạo web bằng html

Nghiêm cứu phần mềm lập trình Vscode

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

Nghiêm cứu nodejs, MySQL, CSS

<b>1.3 Ý nghĩa và thực tiễn của đề tài </b>

Với đề tài này sẽ giúp cho chúng hiểu hơn về những ngôn khác, khả năng tương thích với PLC. Hiểu rõ hơn về một phần của một hệ thống scada gồm các phần tử đơn thuần như giám sát thời gian thực, thu thập dữ liệu cảm biến, ghi lại những sự kiện hoặc các CSDL của hệ thống.

<b>1.4 Phương pháp nghiên cứu </b>

Đề tài đề cập đến một lĩnh vực đang ứng dụng rất phổ biến trong công nghiệp nhưng lại là kiến thức mới đối với sinh viên. Đề tài của em được chia ra thành 3 phần chính:

- Mở đầu : Giới thiệu cơ sở lý luận

- Chương 1: Tổng quan về điều khiển q trình, điều khiển dịng chảy/bình mức.

- Chương 2: Thiết kế hệ thống điều khiển mức.

- Chương 3: Gia công mô đun hệ thống – Khảo sát đánh giá.

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

Điều khiển quá trình được định nghĩa là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển, vận hành và giám sát các q trình cơng nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an toàn cho con người, máy móc và mơi trường.

Nhiệm vụ của điều khiển quá trình là can thiệp các biến vào của quá trình kỹ thuật một cách hợp lý để các biến ra của nó thỏa mãn các chỉ tiêu cho trước, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng xấu của quá trình kỹ thuật đối với con người và mơi trường xung quanh. Hơn nữa, các diễn biến của quá trình kỹ thuật cũng như các tham số, trạng thái hoạt động của các thành phần trong hệ thống cần được theo dõi và giám sát chặt chẽ. Tuy nhiên, trong một q trình kỹ thuật thì khơng phải biến vào nào cũng có thể can thiệp được và khơng phải biến ra nào cũng cần phải điều khiển.

Đại lượng được điều khiển (controlled variable, CV) là một biến ra hoặc một biến trạng thái của quá trình được điều khiển, điều chỉnh sao cho gần với một giá trị đặt (setpoint, SP) hoặc bám theo một tín hiệu chủ đạo (reference signal). Các đại lượng được điều khiển liên quan hệ trọng tới sự vận hành ổn định, an toàn của hệ thống hoặc chất lượng sản phẩm. Các biến ra hoặc biến trạng thái còn lại của quá trình khơng được điều khiển, nhưng có thể được ghi chép hoặc hiển thị. Nhiệt độ, mức, áp suất và nồng độ là những đại lượng được điều khiển tiêu biểu nhất trong các hệ thống điều khiển quá trình.

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

Phạm vi của điều khiển quá trình tập trung vào các giải pháp ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp khai thác, chế biến và năng lượng. Vì vậy từ đây về sau khái niệm điều khiển quá trình được hiểu là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển, vận hành và giám sát các q trình cơng nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an tồn cho con người, máy móc và mơi trường.

Trong cơng nghiệp sản xuất chất lỏng như hóa chất, nước uống đóng chai, sữa, nước mắm, dầu ăn … vấn đề cần điều mức, lưu lượng dòng chảy cần đáp ứng với độ chính xác cao để phục vụ quá trình sản xuất đạt hiệu quả tốt hơn, 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 dổi. Chính vì vậy chúng ta cần thiết phải “Ổn định mức nước”

Các hệ thống truyền thông công nghiệp phố biến hiện nay cho phép liên kết mạng ở nhiều mức khác nhau, từ các cảm biến, cơ cấu chấp hành dưới cấp trường cho đến các máy tính điều khiển, thiết bị quan sát, máy tính điều khiển giám sát và máy tính cấp điều hành xí nghiệp, quản lý cơng ty.

Các mạng truyền thông công nghiệp bao gồm: Modbus, Ethernet, Devicenet, Controlnet,…

Các cơ chế điều khiển quan trọng được sử dụng trong linh vực tự động hóa cơng nghệ bao gồm:

<i>-Bộ điều khiển kogic lập trình (PCL). -Hệ thống điều khiển phân tán (DCS). </i>

<i>-Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA). </i>

Tất cả các yếu tố này liên quan đến các thiết bị hiện trường, thiết bị thông minh, PC điều khiển giám sát, bộ điều khiển I/O phân tán và bộ hiển thị HMI.

Để có thể kết nối và cho phép giao tiếp giữa các thiết bị này, cần có một mạng lưới hoặc sơ đồ truyền thông mạnh mẽ và hiệu quả hơn. Chúng khác biệt khá nhiều so với các

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

mạng doanh nghiệp truyền thống. Các mạng truyền thông công nghiệp này tạo thành một đường dẫn liên lạc giữa các thiết bị hiện trường, bộ điều khiển và PC.

Webserver hiện nay đã dần phổ biến hơn trong công nghiệp. Hiện nay rất nhiều hãng PLC đã tích hợp hoặc có những module mạng để thực điều đó.

Weserver hỗ trợ thao tác điều khiển và giám sát đữ liệu qua các trình duyệt như goole chrome, firefox, coccoc, opera,… là ứng dụng phổ biến có thể điều khiển và giám sát từ xa trên internet thơng qua máy tính, điện thoại, notepad

Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và sự ra đời của cơng nghệ 4.0 thì việc giám sát và điều khiển PLC thông qua internet là phổ biến và cần thiết, các thuật toán hỗ trợ kết nối web với PLC tạo điều kiện cho các hãng PLC phát triển các chức năng public dữ liệu lên mạng viễn thơng.

Webserver tích hợp ứng dụng nền nodejs chạy trên máy tính Server, thơng qua địa chỉ IP public và cổng định sẵn thì người dùng có thể truy cập đến dữ liệu của PLC gửi lên Webserver theo thời gian thực.

Webserver có thể chuyển đổi thành ứng dụng di động cài đặt trên các hệ điều hành Android hoặc IOS, cho phép người dùng truy cập từ xa một các linh hoạt và trục quan nhất. Trong thực tế có rất nhiều cơng ty cũng tham gia chế tạo những mơ hình this nghiệm bình mức. Dưới đây là một vài thiết bị có trên thị trường.

- Mơ hình thực hành thí nghiệm điều khiển q trình chất lỏng của cơng ty TNHH XD & TM TBĐ Tiến Đạt

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

- Mơ hình Flow and level control của Leybold

<small>Hình 1. 2: Mơ hình bình mức của Leybold </small>

Khi khảo sát đặc tính động học của một đối tượng điều khiển hay một hệ thống, thông thường các đối tượng khảo sát được xem là tuyến tính, dẫn đến phép mơ tả hệ thống bằng một hệ phương trình vi phân tuyến tính. Sử dụng nguyên lý xếp chồng của hệ tuyến tính, ta có thể dễ dàng tách riêng các thành phần đặc trưng cho từng chế độ làm việc để nghiên cứu với những cơng cụ tốn học chặt chẽ, chính xác nhưng đơn giản và hiệu quả. Sử dụng mơ hình tuyến tính để mơ tả hệ thống có nhiều ưu điểm như:

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

- Mơ hình đơn giản, các tham số mơ hình tuyến tính dễ dàng các định được các phương pháp thực nghiệm mà cần phải đi từ những phương trình hóa lý phức tạp mơ tả hệ. - Các phương pháp tổng hợp bộ điều khiển tuyến tính rất phong phú và khơng tốn nhiều thời gian để thực hiện.

- Cấu trúc đơn giản của mơ hình cho phép theo dõi được kết quả điều khiển một cách dễ dàng và có thể chỉnh định lại mơ hình cho phù hợp với u cầu thực tế

Chính vì những ưu điểm này của mơ hình tuyến tính mà lý thuyết điều khiển tuyến tính và mơ hình tuyến tính đã có được miền ứng dụng rộng lớn

Trong thực tế lại tồn tại phần lớn các đối tượng được điều khiển lại mang tính động học phi tuyến. Với hệ phi tuyến thì khơng dùng được ngun lý xếp chồng và khơng phải đối tượng nào, hệ thống nào cũng có thể mơ tả được bằng một mơ hình tuyến tính, cũng như không phải lúc nào những giả thiết cho phép xếp xỉ hệ thống bằng mơ hình tuyến tính được thỏa mãn. Hơn thế nữa độ tối ưu tác động nhanh chỉ có thể tổng hợp được nếu ta sử dụng bộ điều khiển phi tuyến . Các hạn chế này bắt buộc người ta phải trực tiếp nghiêm cứu tính tốn động học của đối tượng, tổng hợp hệ thống bằng những cơng cụ tốn học phi tuyến.

Cấu trúc của hệ ổn định mức nước nghiên cứu trong đồ này như hình vẽ sau :

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

<b>Chương 2 </b>

<b>THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC </b>

<b>2.1 Lựa chọn thiết bị 2.1.1 Hệ đo áp suất </b>

Về bản chất, đây là cảm biến có độ nhạy cao với sự thay đổi của áp suất. Thiết bị dùng để đo sự thay đổi của áp suất trong đường ống, hệ thống kín độ sâu mà người dùng khó thể thao tác đo lường. Cảm biến được sử dụng đo áp suất nước, khí nén, khí ga hiệu quả.

Ứng dụng phổ biến nhất của cảm biến là đo áp lực nước. Loại cảm biến được áp dụng để đo mức nước trong hệ thống. Với nguyên lý hoạt động đo mức nước cơ bản. Mối

<i><b>quan hệ giữa áp suất và chiều cao cột nước. Với công thức: </b></i>

Trong đó d là khối lượng riêng của nước và h là chiều cao của cột nước. Sự thay đổi chiều cao cột nước sẽ ảnh hưởng đến áp suất nước mà cảm biến đo được. Lúc này, dựa trên áp suất nước, chiều cao của cột nước để tính toán sự thay đổi của mức nước. Cảm biến áp suất sẽ được đặt ở đáy để nước và đo áp suất tại vị trí này. Từ tín hiệu áp suất đáy bể mà đo được sự chênh lệch tăng hoặc giảm của mức nước.

Cảm biến đo được áp suất và tính được mức nước chính xác. Tín hiệu sẽ được truyền về trung tâm điều khiển, các thông số tính tốn mức nước thấp hoặc q cao so với giới hạn sẽ ra lệnh điều khiển cho máy bơm nước mở hoặc đóng để đảm bảo an tồn cho hệ thống.

Dựa trên áp suất đo dược kết hợp sự liên hợp giữa áp suất và chiều cao cột nước, ta có thể tính tốn ra được chính xác mức hiện tại. Đây được gọi là phương pháp đo áp suất thủy tĩnh dựa vào áp lực của nước.

Phương pháp này được ứng dụng trong các nhà máy bia, ở các cột bia, trong các nhà máy nước ở các cột tạo áp lực cho đường ống. Ngồi ra cịn được sử dụng trong các trung tâm cấp nước, nhà máy sản xuất dệt nhuộm và may mặc,…

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

Màn hình HMI Weintek chắc đã rất phổ biến ở Việt Nam. Weintek là hãng đến từ Đài Loan (Taiwan) với trên 30 năm kinh nghiệm về nghiên cứu và sản xuất màn hình cảm ứng HMI (Human Machine Interface). Hiện nay trên thị trường có rất nhiều hãng sản xuất màn hình HMI có thị trường rộng lớn như: Proface, Mitsubishi, Siemens…bên cạnh đó có một số hãng đến từ China, Taiwan: Samkoon, Delta Kinco,, MCGS, TouchWin.

Màn hình cảm ứng HMI Weintek với điểm mạnh là giá thành khá rẻ, phần mềm dễ sử dụng, đáp ứng được đủ các yêu cầu mà 1 HMI đúng nghĩa phải có, từ cấu hình, kết nối truyền thông, phần mềm mở (Open source), sản phẩm tiêu chuẩn chất lượng Đài Loan (Taiwan). Hiện nay Weintek có nhà máy ở China nên hầu hết các dòng HMI sẽ đều là “Made in china”.

<small>Hình 2. 1: Màn hình HMI Weintek TK6070ih </small>

<b>Thơng số kỹ thuật </b>

- Chế độ hoạt động : cảm ứng . - Kích cỡ màn hình : 7 inches - Hiển thị : 65536 màu . - Nguồn cấp : 24VDC - CPU : 32Bit 400 MHz . - Bộ nhớ : 128MB . - Cổng lập trình : USB .

- Giao tiếp : RS232 , RS422 , RS485

</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">

tọa độ, bộ đến tốc độ cao (HSC), PID, đồng hồ thời gian thực...

- Modul mở rộng nhiều chủng loại như Analog, xử lý nhiệt độ, điều khiển vị trí, các - Modul mạng như Cclink, Profibus...

- Ngồi ra cịn có các board mở rộng (Extension Board) như Analog, các board dùng cho truyền thông các chuẩn RS232, RS422, RS485 và cả USB.

- Để lập trình PLC ta có thể sử dụng các phần mềm sau: GX Developer, GX Works2, GX Work3.

- Các ngôn ngữ lập trình như:

o LAD(Ladder): là phương pháp lập trình hình thang, thích hợp trong ngành điện cơng nghiệp.

</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">

o FBD(Flowchart Block Diagram): là phương pháp lập trình theo phương pháp sơ đồ khối, thích hợp cho ngành điện tử số.

o STL(Statement List): là phương pháp lập trình theo dạng dịng lệnh giống như ngơn ngữ Assemply, thích hợp cho ngành máy tính.

- Một PLC gồm có các vùng nhớ sau: o Tín hiệu ngõ vào:X

o Tín hiệu ngõ ra: Y o Bộ định thời Times: T o Bộ đếm Counter: C

o Các cờ nhớ của PLC: M và S o Thanh ghi dữ liệu: D

<b>Cấu trúc phần cứng PLC Mitsubishi họ FX </b>

- Đơn vị điều khiển trung tâm ( CPU: Central Processing Unit )

Là bộ vi xử lý thực hiện các lệnh trong bộ nhớ chương trình. Nhập dữ liệu ở ngõ vào, xử lý chương trình, nhớ chương trình, xử lý các kết quả trung gian và các kết quả này được truyền trực tiếp đến cơ cấu chấp hành để thực hiện chương trình xuất dữ liệu ra các ngõ ra.

- Bộ nhớ (Memory) :

Dùng để chứa chương trình số liệu, đơn vị nhỏ nhất là bit. Bộ nhớ là vùng nắm giữ hệ điều hành và vùng nhớ của người sử dụng (hệ điều hành là một phần mềm hệ thống mà nó kết nối PLC để PLC thực sự hoạt động được). Có nhiều loại bộ nhớ khác nhau. Để PLC có thể hoạt động được, cần thiết phải có bộ nhớ để lưu trữ chương trình.

Bộ nhớ của PLC là CMOSRAM, tiêu tốn năng lượng khá ít, và được cấp pin dự phịng khi mất nguồn. Nhờ đó dữ liệu sẽ khơng bị mất.

- Các Module xuất-nhập ( Input – Output ) :

Khối xuất – nhập đóng vai trị là mạch giao tiếp giữa vi mạch điện tử bên trong PLC với mạch ngồi. Module nhập nhận tín hiệu từ sensor và đưa vào CPU, module xuất đưa tín hiệu điều khiển từ CPU ra cơ cấu chấp hành.

</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23">

Mọi hoạt động xử lý tín hiệu từ bên trong PLC có mức điện áp từ 5 ÷ 15 VDC, trong khi tín hiệu bên ngồi có thể lớn hơn nhiều. Ta có nhiều loại ngõ ra như: ngõ ra dùng role, ngõ ra dùng transitor, ngõ ra dùng triac.

Hệ thống BUS: là hệ thống tập hợp một số dây dẫn kết nối các module trong PLC

<b>gọi là BUS, đây là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều tín hiệu song song. </b>

Trên đây là hình ảnh sơ đồ chân của PLC board Fx3U – 32MT. Đã được tích hợp cả analog và đầu vào ra số.

<small>Bảng 2. 1: Thông số của PLC </small>

Ngõ ra Transistor: 24VDC/5A (Khuyến cáo sử dụng 1A)

Ngõ vào analog 6 ngõ vào analog, độ chính xác 12bit, AAD2: 10V, A3-AD5: 0-20mA; Đọc cấu trúc lệnh RD3A.

</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24">

0-Ngõ ra analog 2 ngõ ra analog, độ chính xác 12bit, ngõ ra vôn: 10V, ngõ ra analog với cấu trúc lệnh WR3A

Kích thước (Dài*Rộng*Cao)

Khả năng bảo vệ Chống ăn mòn – chống ẩm – chống tĩnh điện

<b>Đặc tính kĩ thuật chung của PLC họ FX </b>

 Đặc tính ngõ vào:

FX bộ phận chính, FX modul bộ phận mở rộng

X0->X7 X8->∞

</div><span class="text_page_counter">Trang 25</span><div class="page_container" data-page="25">

Điện áp ngõ vào 24VDC±10%

Cơng tắc ngõ vào

Tỉ lệ dịng điện/N ngõ 2A/1 ngõ, 8A/com 0.5A/1 ngõ, 0.8A/com

Công suất lớn nhất của tải 80VA 12W/24VDC Đèn phụ tải lớn 100W(1.17A/85VAC,

0.4A/250VAC)

1.5W/24VDC

Phụ tải nhỏ Khi nguồn cấp nhỏ hơn 5VDC thì cho phép ít nhất 2mA

---

</div><span class="text_page_counter">Trang 26</span><div class="page_container" data-page="26">

Thời gian đáp ứng

Off->On 10ms <0.2ms; <5µs (chỉ Y0,Y1) On->Off

Dòng điện rỉ --- 0.1mA/30VDC Chỉ dẫn hoạt động LED sáng khi cuộn dây được kích hoạt

- RS485 hỗ trợ 4 giao thức truyền thông.

</div><span class="text_page_counter">Trang 27</span><div class="page_container" data-page="27">

- Hỗ trợ lệnh 1N, 2N, 3U với 8000 step - Tính tốn số thực

- Kết nối HMI tốc độ quét 3000 steps/ 1ms

<b>2.1.4 Bộ điều khiển PID </b>

Bộ điều khiển PID là bộ điều khiển vòng kín, được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Bộ điều khiển PID được sử dụng để điều chỉnh sai lệch giữa giá trị đo được của hệ thống(Process Variable-PV) Với giá trị đặt(Set Point-SP) bằng cách tính tốn và điều chỉnh giá trị ở ngõ ra.

Một bộ điều khiển gồm 3 thành phần :

- P (Proportional) : Tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với sai lệch(e - error).

- I (Integral) : Tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với tích phân theo thời gian của sai lệch - D (Derivative) : Tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với vi phân theo thời gian của sai lệch.

<small>Hình 2. 5: Sơ đồ hệ thống điều khiển PID </small>

Tuỳ vào các đối tượng điều khiển khác nhau, yêu cầu công nghệ khác nhau, mà lựa chọn các bộ điều khiển khác nhau. Bộ điều khiển PID là tổng hợp ghép song song 3 khâu P,I,D có sơ đồ khối như sau:

</div><span class="text_page_counter">Trang 28</span><div class="page_container" data-page="28">

Đáp ứng quá độ của bộ PID:

Phương trình bộ PID lý tưởng:

( )(t) K<i><sub>p</sub></i> ( ) <i><sub>i</sub></i> (t) dt <i><sub>d</sub><sup>de t</sup></i>

<i>b) Thiết kế bộ điều khiển PID </i>

Luật điều khiển thường được chọn trên cơ sở đã xác định được mơ hình tốn học của đối tượng phải phù hợp với đối tượng cũng như thỏa mãn yêu cầu của bài toán thiết kế.

Trong trường hợp khơng thể xác định được mơ hình tốn học của đối tượng, có thể tìm luật điều khiển cũng như các tham số của bộ điều khiển thông qua thực nghiệm. Ziegler và Nichols đã đưa ra Phương pháp xác định thông số tối ưu của bộ PID là dựa trên đồ thị hàm quá độ của đối tượng hoặc dựa trên các giá trị tới hạn thu được qua thực nghiệm.

<i>c) Phương pháp sử dựng hàm quá độ của đối tượng </i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 29</span><div class="page_container" data-page="29">

Phương pháp này cịn có tên là Phương pháp thứ nhất của Ziegler – Nichols. Nó có nhiệm vụ xác định các thông số Kp , TI , TD cho các bộ điều khiển P, PI và PID trên cơ sở đối tượng có thể mơ tả xấp xỉ bởi hàm truyền đạt dạng:

Sao cho hệ thống nhanh chóng về trạng thái xác lập và Độ quá điều chỉnh  max không vượt quá một giới hạn cho phép, khoảng 40% so với  t h( ) lim h(t) :

( )

Ba tham số Tt (thời gian trễ), K (hệ số khuếch đại) và T (hằng số thời gian qn tính) của mơ hình xấp xỉ có thể xác định được gần đúng từ đồ thị hàm quá độ h(t) của đối tượng. Nếu đối tượng có dạng như hình 3.15a mơ tả thì từ đồ thị hàm h(t) đó ta đọc ra được:

+ Tt là khoảng thời gian tín hiệu ra h(t) chưa có phản ứng ngay với tín hiệu kích thích 1(t) tại đầu vào.

+ K là giá trị giới hạn  t h( ) lim h(t)

Gọi A là điểm kết thúc khoảng thời gian trễ , tức là điểm trên trục hồnh có hồnh độ bằng Tt . Khi đó T là khoảng cần thiết sau Tt để tiếp tuyến của h(t) tại A đạt được giá trị K.

</div><span class="text_page_counter">Trang 30</span><div class="page_container" data-page="30">

Trường hợp hàm q độ h(t) khơng có dạng lý tưởng như ở hình 2.7a, nhưng có dạng gần giống như hình chữ S của khâu qn tính bậc 2 hoặc bậc n như mơ tả ở hình 2.7b thì ba tham số K, Tt , T được xác định xấp xỉ như sau:

+ K là giá trị giới hạn h()

+ Kẻ đường tiếp tuyến của h(t) tại điểm uốn của nó. Khi đó Tt sẽ là hoành độ giao điểm của tiếp tuyến với trục hoành và T là khoảng thời gian cần thiết để đường tiếp tuyến đi được từ giá trị 0 tới được giá trị K.

Như vậy ta thấy điều kiện để áp dụng được Phương pháp xấp xỉ mô hình bậc nhất có trễ của đối tượng là đối tượng phải ổn định, khơng có dao động và ít nhất hàm quá độ của nó phải có dạng chữ S. Sau khi đã có các tham số cho mơ hình xấp xỉ của đối tượng, ta chọn các thơng số của bộ điều khiển theo bảng sau:

<small>Bảng 2. 4: Lưu chọn thông số bộ điều khiển theo ZN1 </small>Từ đó suy ra:

+Hệ số tích phân: <i><small>pi</small></i>

+Hệ số vi phân: <i><small>K</small><sub>D</sub></i> <small></small><i><small>K T</small><sub>p</sub></i><small>.</small> <i><sub>v</sub></i>

<i>d) Sử dụng giá trị tới hạn thu được từ thực nghiệm </i>

Trong trường hợp không thể xây dựng Phương pháp mơ hình cho đối tượng thì phương pháp thiết kế thích hợp là Phương pháp thực nghiệm. Thực nghiệm chỉ có thể tiến

</div><span class="text_page_counter">Trang 31</span><div class="page_container" data-page="31">

hành nếu hệ thống đảm bảo điều kiện: Khi đưa trạng thái làm việc của hệ đến biên giới ổn định thì mọi giá trị của tín hiệu trong hệ thống điều phải nằm trong giới hạn cho phép.

Phương pháp này cịn có tên là Phương pháp thứ hai của Ziegler – Nichols. Điều đặc biệt là phương pháp này khơng sử dụng mơ hình tốn học của đối tượng điều khiển, ngay cả mơ hình xấp xỉ gần đúng.

Các bước tiến hành như sau :

+ Trước tiên, sử dụng bộ P lắp vào hệ kín (hoặc dùng bộ PID và chỉnh các thành phần KI và KD về giá trị 0). Khởi động quá trình với hệ số khuếch đại KP thấp, sau đó tăng dần KP tới giá trị tới hạn Kgh để hệ kín ở chế độ giới hạn ổn định, tức là tín hiệu ra h(t) có dạng dao động điều hòa. Xác định chu kỳ tới hạn Tgh của dao động.

<small>Hình 2. 8: Mơ hình điều khiển với Kgh </small>

<small>Hình 2. 9:Xác định hệ số khuếch đại tới hạn </small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 32</span><div class="page_container" data-page="32">

<small>Bảng 2. 5: thông số bộ điều khiển theo thực nghiệm </small>

<b>2.1.5 Cảm biến áp suất Measens MPS500 </b>

Cảm biến áp suất là thiết bị cảm nhận áp suất trên đường ống hoặc bồn chứa có áp suất….Áp suất này được chuyển đổi thành tín hiệu điện áp hoặc dịng điện. Các tín hiệu này sẽ được truyền về biến tần hoặc PLC để điều khiển động cơ hoạt động. Có thể hiểu đơn giản như dùng máy lạnh hoặc tủ lạnh có Inverter vậy các bạn. Động cơ lúc nào cũng chạy nhưng được giám sát bằng thiết bị cảm biến để điều chỉnh cơng suất chạy ít hay nhiều.

<small>Hình 2. 10: Các loại cảm biến thường dùng </small>

Xem qua hình 1 thì chúng ta thấy cảm biến áp suất có rất nhiều loại tùy vào nhu cầu sử dụng mà chọn cảm biến phù hợp. Về cấu tạo cảm biến áp suất em giới thiệu loại cảm biến cơ bản sau.

Cấu tạo bên ngoài của cảm biến áp suất thường làm bằng Inox 304 không gỉ. Khả năng chống va đập cao.

</div><span class="text_page_counter">Trang 33</span><div class="page_container" data-page="33">

+ Electric connection : Kết nối điện + Amplifier : Bộ khuếch đại tín hiệu + Sensor : Màng cảm biến xuất ra tín hiệu

+ Process Connection : Chuẩn kết ren (Ren kết nối vào hệ thống áp suất)

<i>c) Cảm biến áp suất Measens MPS500 </i>

Hình 2. 12: Cảm biến áp suất Measens Thông số kĩ thuật :

- Dải áp suất: 0…100mbar - Nhiệt độ giới hạn: -40…125°C - Nhiệt độ bù giới hạn: 0…100°C

</div><span class="text_page_counter">Trang 34</span><div class="page_container" data-page="34">

Kết hợp với mơn điều khiển lập trình mà chúng em đã được học và nghiên cứu tại nhà trường: Mơn điều khiển lập trình với PLC và mơn tự động hóa q trình sản xuất.

Trên cơ sở phân tích các đặc điểm kỹ thuật và hiệu quả kinh tế, nhóm nghiên cứu quyết định lựa chọn chế tạo thiết bị thực tập dưới dạng mô đun với mục đích bảo vệ tính linh hoạt khi sử dụng và dễ dàng vận chuyển, sửa chữa, bảo hành, mở rộng và kết nối các thiết bị khác.

Sau khi hoàn thiện được hệ đo ta sẽ đưa ra được giải pháp thực hiện làm webserver bằng cách mã nguồn mở trung gian nodejs, thực hiện kết nối với PLC, từ đó đưa dữ liệu theo thời gian thực lên internet.

</div><span class="text_page_counter">Trang 36</span><div class="page_container" data-page="36">

+Ưu điểm :

- Thi công lắp đặt đơn giản - Giá thành rẻ

- An toàn khi vận hành - Ứng dụng thực tế

+Nhược điểm : Dễ bị nhiễu do môi trường

Từ đồ thị trên ta cso thế thấy sai số giữa hai giá trị trên là không nhiều sẽ từ 0.02 đến 0.4. Qua đây ta có thể đánh giá được hệ thống làm việc với chính xác tương đối.

Dựa vào đồ thị trên, ta có thể thấy hai đường gần như song song với nhau. Áp suất và mức quan hệ với nhau qua công thức p = d.h. Do lấy đồng diện tại 4,38 là gốc 0 cho mức nước nên ta thấy trong bẳng 3.2 khi quy đổi từ áp suất về mức nước thực tế thì phải cộng đi một lượng xấp xỉ 2,35 cm thì 100mbar = 1,021m nước.

</div><span class="text_page_counter">Trang 37</span><div class="page_container" data-page="37">

Tính chọn các thơng số hệ thống A,h. Khi ta chọn thơng số h và A thì thể tích của bình mức sẽ thay đổi. Ta sẽ chọn h phù hợp với dải áp suất của cảm biến có trên thị trường và phù hợp mơ hình. Tại đây em chọn h tối đa là 35cm quy ra áp suất thủy tĩnh vẫn nằm trong dải đo của cảm biến suất. Tiếp theo em sẽ chọn đến A sẽ phải đáp ứng đồng nhất về tiết diện là hình trụ trịn và thể tích khơng q lớn gây nặng mơ hình. Khi A lớn thì thể tích cũng lớn kéo theo rất nhiều thứ phải lớn theo nên sẽ chọn tiết diện là 67 thì khi đó ta sẽ cần bình chứa có thể tích lớn hơn 1,3 lít.

Theo định luật bảo tồn năng lượng ta thành lập được phương trình cân bằng lưu lượng:

</div><span class="text_page_counter">Trang 38</span><div class="page_container" data-page="38">

a: Tiết diện đường xả ( <small>2</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 39</span><div class="page_container" data-page="39">

<small>Hình 2. 18:Sơ đồ hàm truyền đạt trước và sau khi tinh chỉnh </small>

Ta tiến hành ghép nối hai sơ đồ hàm truyền đạt trước và sau khi tinh chỉnh bộ thơng số. Với bộ thơng số tính tốn được là Kp = 2; Ki = 0.39; Kd = 2.54. Và bộ thông số sau khi tinh chỉnh là Kp = 6; Ki = 1; Kd = 2.54. Với đường màu đen sử dụng bộ thơng số tính tốn được. Và đường màu đỏ sử dụng bộ thông số sau khi tinh chỉnh lại.

</div><span class="text_page_counter">Trang 40</span><div class="page_container" data-page="40">

<small>Hình 2. 19: Đồ thị trước và sau khi tinh chỉnh trên mô phỏng </small>

Dưới đây là bảng đánh giá chất lượng của hệ thông sau khi tinh chỉnh lại bộ điều khiển.

<small>Bảng 2. 6:Đánh giá chất lượng cảu bộ PID </small>

</div>