Báo cáo thực tập tự động hóa tại phòng thí nghiệm tự động hóa Trường Đại học Mỏ Địa Chất

MỤC LỤC


LỜI NÓI ĐẦU
Là một sinh viên ngành kỹ thuật chuẩn bị ra trường, quá trình thực tập là một cơ hôi để
tiếp xúc với công việc sắp tới và định hướng cho mình những bước sau khi ra trường. Quá
trình thực tập cũng là một thử nghiệm trong quá trình tìm việc sau này. Áp dụng những
kiến thức được học trong trường để bước đầu thực hiện, nghiên cứu một dự án hoàn chỉnh
và có thêm những hiểu biết về công việc sau này.
Trong quá trình thực tập, được sự giúp đỡ và tạo điều kiện của thầy Nguyễn Chí Tình
cũng như phòng thí nghiệm bộ môn tự động hóa trường đại học Mỏ - Địa chất, em đã
được tiếp xúc với các mô hình thực nghiệm hiện đại, các thiết bị tự động hóa từ đó mô
phỏng và thực hiện các bài toán sẽ gặp trong tương lai.
Do nhận thức và trình độ còn hạn hẹp nên bài viết không tránh khỏi thiếu sót, em xin
nhận được ý kiến và đóng góp của các thầy cô để nâng cao kiến thức và phục vụ cho quá
trình làm việc sau này.
Em xin chân thành cảm ơn !
Báo cáo thực tập của em gồm 3 phần chính:
Phần 1: tổng quan về phòng thí nghiệm bộ môn tự động hóa trường đại học Mỏ Địa Chất
Phần 2: các công việc thực hiện trong quá trình thực tập
Phần 3: kết quả thu được sau quá trình thực tập


Phần I. Tổng quan về phòng thí nghiệm tự động hóa :
Địa chỉ: Tầng 1,2 nhà B2 – khu A, Trường Đại học Mỏ - Địa Chất,
Số 18 Phố Viên, P.Đức Thắng, Q.Bắc Từ Liêm, TP.Hà Nội
Các phòng thí nghiệm của Bộ môn Tự động hóa xí nghiệp Mỏ - Dầu khí là một trong
những tổ hợp phòng thí nghiệm được xây dựng nhằm tổ chức triển khai các hoạt động đào
tạo thực hành, thí nghiệm, nghiên cứu khoa học mang tính hiện đại, tính chiến lược thuộc
lĩnh vực Tự động hóa trên cơ sở bám sát các mục tiêu đào tạo, định hướng nghiên cứu,
yêu cầu của thực tiễn sản xuất và nhu cầu nguồn nhân lực chất lượng cao của xã hội.

Nhóm các Phòng thí nghiệm đã và đang triển khai xây dựng từ thời kỳ đầu thành lập Bộ
môn năm 2002 đến nay gồm có:
Phòng thí nghiệm Tự động hóa 01 (Xây dựng từ năm 2002).
Phòng thí nghiệm Tự động hóa 02 (Công ty Astec tài trợ năm 2016)
Phòng thí nghiệm Tự động hóa cơ sở Vũng Tàu (Công ty Astec tài trợ 2014)
CHỨC NĂNG VÀ NHIỆM VỤ CHUNG:
Tạo môi trường thuận lợi cho công tác thực hành thí nghiệm, đào tạo, nghiên cứu khoa
học cũng như hợp tác đào tạo, nghiên cứu, chuyển giao công nghệ với các tổ chức, cá
nhân bên ngoài.
Tích hợp hệ thống tự động sử dụng thiết bị điều khiển, cảm biến và cơ cấu chấp hành.
Phân tích, thiết kế, lập trình các ứng dụng đo lường điều khiển giao tiếp máy tính sử
dụng cổng ngoại vi, Card đo lường, các hệ thống điều khiển sử dụng mạng.
Thực nghiệm các thuật toán điều khiển tự động từ kinh điển đến hiện đại áp dụng cho
các hệ thống thực, robot thông minh và các quá trình sản xuất phức tạp.

3


Đào tạo kỹ năng phân tích, thiết kế, cấu hình và tích hợp hệ thống mạng truyền thông
công nghiệp.
Huấn luyện kỹ năng phân tích, thiết kế, vận hành và bảo dưỡng các thiết bị và hệ thống
thu thập dữ liệu và điều khiển giám sát tập trung và phân tán cho các xí nghiệp công
nghiệp tự động, các công ty thuộc lĩnh vực khai thác Mỏ và Dầu khí,…
Nghiên cứu và phát triển, thiết kế các mô hình đào tạo, các hệ thống tự động hóa thông
minh trong dân dụng và công nghiệp. Thực nghiệm và triển khai các đề tài nghiên cứu
khoa học các cấp.
Thiết kế, chế tạo các mô hình học tập và đào tạo phục vụ cho các đề tài NCKH sinh
viên, đồ án tốt nghiệp, thi Robocon, đề tài NCKH các cấp, cao học và NCS, thực hiện
chuyển giao công nghệ cho các tổ chức, các cơ quan xí nghiệp…
1. Phòng thí nghiệm tư động hóa 01:

Phòng thí nghiệm được xây dựng từ những ngày đầu thành lập Bộ môn Tự động hóa.
Được thiết kế tích hợp phục vụ NCKH, có thể đào tạo thực hành thí nghiệm nhiều môn
học khác nhau như: Kỹ thuật đo lường, kỹ thuật vi điều khiển, điện tử công suất, lý thuyết
ĐKTĐ, cảm biến và các phần tử tự động, lập trình tin học công nghiệp PLC, CNC, điều
khiển tự động truyền động điện, tự động hóa QTSX…Phòng được đầu tư, trang bị tương
đối đồng bộ, hoàn chỉnh và hiện đại nhiều mô hình với các thiết bị cơ bản: cảm biến, cơ
cấu chấp hành, thiết bị điều khiển PLC,Vi điều khiển, biến tần đa dạng và phong phú của
các hãng khác nhau.
Các chức năng chính của PTN Tự động hóa-01:
Đo lường các đại lượng điện và phi điện, đo lường và điều khiển bằng máy tính trên
mô hình trong PTN.
Khảo sát, phân tích, đánh giá các thiết bị tự động: các loại cảm biến, bộ truyền động,
cơ cấu chấp hành…
4


Thực nghiệm xây dựng mô hình toán cho đối tượng, sử dụng thành thạo phần mềm
chuyên dụng thiết kế và mô phỏng hệ thống.
Thiết kế hiệu chỉnh và ổn định cho các hệ thống tự động, thực nghiệm bộ điều khiển
thiết kế trên các hệ thống thực, phân tích đánh giá các kết quả thực nghiệm.
Nghiên cứu phát triển, thiết kế chế tạo Robot, ứng dụng trong lĩnh vực khai thác mỏ,
địa chất và dầu khí.

Các mô hình tự động hóa quá trình sản xuất

5


Robot thăm dò khảo sát địa hình và quan trắc môi trường.

Mô hình thí nghiệm đo lường

6


Một số module thực hành khác tại PTN TĐH 01
1. Phòng thí nghiệm tự động hóa 02:
Đây là phòng thí nghiệm hiện đại về Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa vừa mới
được thành lập với các trang thiết bị cập nhật khá hoàn chỉnh và tiên tiến, được tài trợ bởi
Công ty ứng dụng giải pháp công nghệ (Astec). Với 10 bàn thí nghiệm và thực hành đồng
bộ thiết bị điều khiển lập trình PLC, Logo, Biến tần, cơ cấu chấp hành…cùng với hàng
chục các module ghép nối chuyên dụng của các hãng nổi tiếng khác nhau: như Siemens,
Danfoss, ABB, Omron, Mitsubishi, Toshiba…Sự ra đời của PTN TĐH-02 đã đáp ứng
được các nhu cầu ngày càng tăng về quy mô đào tạo, thực hành nâng cao, nghiên cứu
khoa học và nguồn nhân lực chất lượng cao về lĩnh vực Tự động hóa trong các xí nghiệp
công nghiệp Mỏ và Dầu khí.
Các chức năng chính của PTN Tự động hóa-02:
Thiết lập các cấu hình giao tiếp, giao diện người dùng, thu thập số liệu và điều khiển
thông qua cổng ngoại vi máy tính, card chuyên dùng.
7


Phân tích và thiết kế, cài đặt luật điều khiển số cho hệ thống sử dụng các ngôn ngữ lập
trình thông dụng như VB, C++, Matlab hoặc Labview,...
Tích hợp, lập trình, vận hành điều khiển và giám sát thông qua mạng truyền thông công
nghiệp. Thiết kế xây dựng dự án sử dụng mạng truyền thông công nghiệp.
Đào tạo vận hành hệ thống điều khiển thủy lực và khí nén trong tự động hóa quá trình
sản xuất.
Đào tạo kĩ năng tích hợp hệ thống, lắp đặt và bảo trì các hệ thống tự động trong thực tế.
Cài đặt biến tần và ứng dụng trong công nghiệp, thực hiện các chương trình điều khiển

sử dụng PLC – Biến tần, giao tiếp người máy (HMI),...

Thiết bị tại phòng thí nghiệm 02

8


Phần II. Các công việc thực hiện trong quá trình thực tập
1. Tìm hiểu mô hình điều khiển hệ thống trạm bơm:

Mô hình điều khiển hệ thống trạm bơm.
1.1. Những thiết bị chính của mô hình:
•

PLC S7 200 CPU 224.
- Nguồn nuôi: 220 VAC
- Đầu vào số (khi chưa mở rộng): 14
- Đầu ra số (khi chưa mở rộng): 10
- Cổng truyền thông

9


• Module Analog EM235:
Nguồn nuôi : 24 VDC
Có 4 đầu vào analog
Đầu ra analog.

Bộ PLC s7 200 Cpu 224

• Van điều khiển áp suất:
Trong mô hình thí nghiệm điều khiển áp suất van điều khiển là van kiểu điện khí với
độ đóng mở van có thể thay đổi được bằng cách thay đổi tín hiệu điều khiển đưa vào
Converter. Khi tín hiệu vào thay đổi từ 4 – 20mA thì thông qua Converter sẽ có một áp
suất khí nén tương ứng để đóng mở van.Cụ thể như sau:
+ 4mA tới đầu vào Converter = 3 psi từ đầu ra Converter -> Van điều khiển khí nén
mở.
+ 20mA tới đầu vào Converter =15 psi từ đầu ra Conveter -> Van điều khiển khí nén
đóng.
Van điều khiển trong thí nghiệm điều khiển áp suất là van mở an toàn vì khi không có
tín hiệu điều khiển thì van mở hoàn toàn. Chiều tác động của van là chiều tác động thuận
nghĩa là khi tín hiệu điều khiển tăng thì độ mở van giảm.

10


Van khí nén
• Biến tần LS IE5
Loại biến tần SV0004iE5-IC
Đầu vào: 200 – 230V, 5.5A , 1 pha , 50/60Hz
Đầu ra: 0 – 200/230V, 2.5A , 3pha , 0 – 200Hz
Công suất: 0.5HP/0.4kW
Kích thước : 68mm x 115mm x 128mm
Khối lượng: 0.68kg

11


Biến tần LS iE5
• Bơm ly tâm

Công suất định mức: 25 kW
Điện áp định mức : 220V
Dòng định mức: 1.5A
Cột áp định mức: 12m
Lưu lượng định mức: 40 l/min
Tốc độ định mức: 2850 v/phút
Tần số định mức: 50Hz
• Cảm biến lưu lượng
Điện áp làm việc: 5-24vDC
Dòng điện đầu ra: 15mA
Dải đo : 1 – 30 l/min

12


Cảm biến lưu lượng
• Cảm biến áp suất:
- Nguồn cấp: 12 to 24 VDC
- Dãy áp suất: 0 to 500 kPa
- Ngõ ra: 4 to 20 mA
• Thiết bị biến đổi tín hiệu dòng / áp suất (IP converter)
- Đây là cơ cấu chấp hành trong hệ thống, có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện từ
-

bộ điều khiển thành tín hiệu khí nén để vận hành van điều khiển:
Tín hiệu đầu vào là 4-20mA.
Tín hiệu đầu ra là 3 – 15psi (0,2-1 bar)

13

• Bộ chuyển đổi đo chuẩn (transmitter):

Bộ chuyển đổi đo chuẩn Easy Flow 8035
Một bộ chuyển đổi đo chuẩn (Transmitter) là một bộ chuyển đổi đo mà đầu vào là tín
hiệu không chuẩn (lưu lượng, áp suất, nhiệt đô,…) và tín hiệu ra là một tín hiệu chuẩn (ví
dụ 1-10V, 0-20mA, 4-20mA, RS-485, tín hiệu bus trường,...). Ở đây sử dụng thiết bị:
Easy flow loại 8035 của hãng burket , vận tốc dòng chảy 0.3-10 m/s, tín hiệu output 420 mA.
-

Ngoài ra còn có các thiết bị:
• Van đóng mở bằng tay

14


• Máy nén khí

•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•

Van an toàn bảo vệ quá áp suất I/P converter
Van điện từ
Van một chiều bảo vệ động cơ
Đường ống nước
Đường dẫn khí nén
Bình chứa nước
Tủ điều khiển
Rơ le trung gian
Contactor
Công tắc điều khiển từ xa
Mức kế

15


1.2. sơ đồ nguyên lý của mô hình:

Sơ đồ kết nối các thiết bị mô hình trạm bơm.
Trong đó :
•
•
•
•
•
•

VĐ1,2,3,4,5,6 - van điện từ 1-6
I/P converter - bộ biến đổi tín hiệu dòng điện / áp suất
Bơm ly tâm - Bơm 1,2,3
FM - lưu lượng kế (flow metter)

LM – mức kế ( level metter )
V1, V2, V3, V4, V5 – Van đóng mở bằng tay

16


1.3. nguyên lý hoạt động
1.3.1. Bài toán 1: tự động hóa trạm bơm thoát nước mỏ
a, yêu cầu kỹ thuật
-

Bơm theo mức :

Cảm biến mức 1 và 2 cho biết mức nước trong bình 2 , cảm biến 1 tương đương với
mức nước cao, cảm biến 2 tương ứng với mức nước thấp.Nếu mức nước cao, hệ thống
bơm hoạt động bơm nước từ bình 2 lên bình 1 đến khi mức nước thấp thì dừng lại.
-

Bơm tuần tự:

Hệ thống bơm có 3 bơm ly tâm 1,2,3, các máy bơm lần lượt hoạt động, giả sử trong lần
bơm thứ nhất bơm 1 hoạt động, sau khi mực nước trở về mức thấp thì đóng bơm 1, khi
mực nước ở mức cao lần 2 thì chạy bơm 2, cứ thế tiếp tục.
-

Đường ống dự phòng:

Khi đường ống dẫn nước gặp sự cố cần đóng đường ống đó và có các đường ống dự
phòng để hệ thống bơm có thể tiếp tục hoạt động.
Có 2 nhánh đường ống trong bài thí nghiệm là nhánh 1 và 2 được lựa chọn để dẫn nước

bằng cách đóng mở các van điện từ, nếu 1 trong 3 van điện 1,3,5 được mở và các van điện
2,4,6 đều đóng thì nhánh 1 sẽ dẫn nước, và ngược lại .
-

Chế độ sự cố:

Nếu bơm 1 gặp sự cố thì lập tức đóng bơm 1, và van 1,2 , bơm 2 được hoạt động thay
thế bơm 1.
-

Công tắc điều khiển từ xa : đóng động cơ để giả lập trường hợp sự cố.

b, các thiết bị chính của thí nghiệm:
17


-

cơ cấu chấp hành: máy bơm, bơm mồi, biến tần, các cơ cấu đường ống, contactor,

-

các van.
Bơm mồi:

Các bơm ly tâm 1,2,3 cần mồi nước trước khi hoạt động nên một bơm mồi được sử
dụng trong bài thí nghiệm. Nguồn nước mồi lấy ngay từ bình 2, đường ống dẫn nước
mồi được sử dụng các van một chiều để khi các bơm hoạt động thì nước không bị đẩy
ngược về bơm mồi.
Thiết bị đo:

Lưu lượng nước trong các đường ống được đo bởi các lưu lượng kế FM1, FM2. Tín
hiệu ra từ lưu lượng kế chuyển qua bộ chuyển đổi đo chuẩn (easy flow 8035 ) chuyển
thành tín hiệu chuẩn (4-20mA).
Giá trị ra của bộ chuyển đổi đo chuẩn được gửi về bộ điều khiển (PLC).
-

Thiết bị điều khiển:

18


PLC S7 200 CPU 224 tích hợp cùng module mở rộng EM235 điều khiển theo chương
trình tự động được thiết lập để vận hành hệ thống.
c, Ứng dụng của bài toán
- Mục đích thí nghiệm: giả lập bài toán trạm bơm thoát nước mỏ đáp ứng các yêu cầu
kỹ thuật của bài toán.
Máy bơm có thể được khởi động trực tiếp bằng hệ thống contactor.
Tuy nhiên trong thực tế các động cơ có công suất vừa và lớn nên để bảo vệ động cơ và
tiết kiệm năng lượng có thể điều khiển đóng mở thông qua PLC kết nối với biến tần
tương ứng, áp dụng khởi động mềm.
1.3.2. Bài toán 2 ổn định mức bình chứa 1:
a. yêu cầu kỹ thuật:
ổn định mức nước trong bình chứa 1 ở giá trị đặt cho trước bằng cách điều chỉnh lượng
khí cấp cho van khí nén từ đó điều chỉnh độ đóng mở van. Độ đóng mở van quyết định
lượng nước bơm vào bình 1 qua nhánh 3.
b. Thiết bị chính:
- Cơ cấu chấp hành: máy bơm, van khí nén, bộ biến đổi dòng áp suất, các cơ cấu
-

truyền động thủy lực.
Thiết bị đo: cảm biến lưu lượng đo lưu lượng nước qua đường ống, mức kế đo mức

-

nước trong bình chứa 1, truyền tín hiệu về bộ điều khiển .
Thiết bị điều khiển: PLC S7 200 CPU 224 nhận tín hiệu từ thiết bị đo, xác định
thông số Kp Ki Kd từ đó xuất tín hiệu ra điều khiển độ mở van của van khí nén,

hoặc điều khiển tốc độ động cơ máy bơm .
c. Hướng cải tiến hoặc mở rộng:
- Sử dụng bộ PLC có chức năng tự chỉnh định thông số PID như S7 1200….hoặc sử
-

dụng PLC của các hãng khác.
Thiết kế giao diện giám sát điều khiển mô hình trên WinCC.
Kết hợp bộ điều khiển PID cho máy bơm và PID cho van áp suất để nâng cao hiệu
quả điều khiển.
19


20


1.3.3. Bài toán 3 thí nghiệm khảo sát đặc tính đối tượng:
Nhận dạng hàm truyền đạt đối tượng điều khiển từ đồ thị đáp ứng quá độ của đối tượng
ứng với một giá trị đầu vào do ta đặt trước.
Như lưu lượng, mức nước, ….
Hoặc khảo sát đặc tính của máy bơm.

2. Tìm hiểu mô hình điều khiển áp suất :
2.1. sơ đồ nguyên lý mô hình
Mô hình thiết bị thực tế :

Mô hình kết nối thiết bị thực tế.

21


Module điều khiển .
Sơ đồ nguyên lí hệ thống :

Sơ đồ kết nối các thiết bị bàn thí nghiệm điều khiển áp suất.

22


Mô hình giám sát trên wincc :
E đã tiến hành thiết kế giao diện giám sát điều khiển theo sơ đồ nguyên lý của mô hình
trên phần mềm WinCC để giả lập một số chức năng của mô hình.

2.2. nguyên lí hoạt động
Khí được cấp từ một máy khí nén vào quá trình qua một thiết bị lọc khí (Filter). Thiết
bị lọc khí có tác dụng làm sạch nguồn khí trước khi đưa vào quá trình để tránh làm bụi
bẩn van và các thiết bị đo, gây sai số lớn cho quá trình. Khí sau khi được lọc sẽ được cấp
cho hai nhánh của quá trình.
Khí vào nhánh số 1 cấp cho thiết bị chấp hành của hệ thống. Áp suất hoạt động được
chỉ thị trên áp kế G1 và được điều chỉnh bởi núm điều chỉnh R1. Khí vào nhánh 1 dùng để
điều chỉnh độ đóng mở van điều khiển, áp suất khí được đưa vào để điều khiển van thông
qua một

23


thiết bị biến đổi tín hiệu dòng điện/ khí nén (I/P Converter). Độ đóng mở van sẽ quyết
định lưu lượng khí đi vào quá trình qua nhánh 2, đồng thời quyết định áp suất đo được ở
cảm biến áp suất (tại đồng hồ G5)
Khí cấp cho quá trình qua nhánh 2 được điều chỉnh bởi núm điều chỉnh R2 và áp suất
hoạt động được chỉ thị trên áp kế G3. Với một độ mở van đã được điều khiển, lưu lượng
khí đi vào quá trình được hiển thị trên một lưu lượng kế thuỷ tinh (Flowmeter). Dòng khí
sau khi đi qua van điều khiển sẽ được thải trực tiếp ra ngoài khí quyển hoặc qua một bình
khí nén (tank) để thay đổi “sự trễ quá trình”.
a.

các thiết bị chính
1. Thiết bị lọc khí đầu vào (Filter).
2. Hai núm điều chỉnh áp suất R1, R2.
3. Thiết bị biến đổi tín hiệu dòng điện/ áp suất ( I/ P Converter).
4. Van điều khiển khí nén ( Pneumatic Control Valve).
5. Cảm biến áp suất ( Pressure Sensor).
6. Một bộ chuyển đổi đo chuẩn ( Transmitter).
7. Một bình khí nén ở cuối quá trình (Tank).
8. Một lưu lượng kế thuỷ tinh ( Flowmeter).
9. Sáu van đóng mở bằng tay kí hiệu từ V1÷ V6 (Manual valve).
10. Sáu áp kế kí hiệu từ G1- G6.

2.3. Cải tiến và mở rộng bài toán:
Áp dụng nguyên lý hoạt động của mô hình điều khiển áp suất trên với trang thiết bị
hiện có tại phòng thí nghiệm tại trường, có một số hướng mở rộng bài toán như:
-

Thay đổi biến điều khiển là áp suất khí bằng lưu lượng nước hoặc mức chất lỏng.
Nâng cấp bộ điều khiển với các PLC có chức năng cao hơn như S7 1200
Thiết kế giao diện giám sát điều khiển trên wincc để điều khiển và giám sát từ xa.

24


Phần III. Kết quả thu được
Sau quá trình tìm hiểu các mô hình thí nghiệm em đã được tiếp xúc với các thiết bị,
-

Tìm hiểu nguyên lý hoạt động và các ứng dụng của thiết bị.
Chức năng của nó trong mô hình
Cấu trúc của một hệ thống tự động
Thiết kế một hệ thống giám sát điều khiển trên WinCC
Yêu cầu kỹ thuật của bài toán thoát nước mỏ, bài toán ổn định áp suất
Từ đó đề xuất cải tiến hiện đại hóa mô hình với các thiết bị điều khiển tân tiến hơn,
áp dụng , kết hợp các sách lược điều khiển giải quyết bài toán với yêu cầu cao hơn.

25