Xây dựng và mô phỏng thành công mô hình “ Hệ thống giám sát và điều khiển mức nước”

LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, đóng góp
ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô và anh chị . Em xin gửi lời cảm ơn chân thành
đến TS. Đặng Văn Chí, Bộ môn Tự Động Hóa Mỏ - Dầu Khí trường Đại học Mỏ Địa
Chất người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt quá trình làm đồ án tốt
nghiệp.
Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong trường nói chung, các thầy
cô trong Bộ môn Tự Động Hóa Mỏ - Dầu Khí nói riêng đã dạy dỗ cho em kiến thức
về các môn đại cương cũng như các môn chuyên ngành, giúp em có được cơ sở lý
thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập.
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn anh chị phòng Kỹ thuật điều khiển và hệ
thống nhúng thuộc Viện nghiên cứu công nghệ thông tin ( là nơi em thực tập và làm đồ
án tốt nghiệp ) đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ em trong suốt quá trình học
tập và hoàn thành đồ án tốt nghiệp.
Hà nội, ngày 05 tháng 04 năm 2017.
Sinh Viên
Võ Huy Hoàng


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

2


CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU VỀ NƠI LÀM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1.1 Chức năng và nhiệm vụ
Viện nghiên cứu công nghệ thông tin thực hiện chức năng nghiên cứu cơ bản về khoa
học tự nhiên và phát triển công nghệ, cung cấp luận cứ khoa học cho công tác quản lý
khoa học, công nghệ và xây dựng chính sách, chiến lược, quy hoạch phát triển kinh tế - xã
hội, đào tạo nhân lực khoa học, công nghệ có trình độ cao theo quy định của pháp luật.
Nghiên cứu cơ bản về khoa học tự nhiên và phát triển công nghệ trong các lĩnh vực:
Toán học, vật lý, hóa học, sinh học, công nghệ sinh học, công nghệ thông tin, điện tử, tự
3


động hóa, công nghệ vũ trụ, khoa học vật liệu, đa dạng sinh học và các chất có hoạt tính
sinh học, khoa học trái đất, khoa học và công nghệ biển, môi trường và năng lượng, dự
báo, phòng, chống và giảm nhẹ thiên tai. Đề xuất và chủ trì thực hiện các chương trình
khoa học và công nghệ trọng điểm cấp nhà nước theo sự phân công của cơ quan nhà nước
có thẩm quyền. Đào tạo nhân lực khoa học, công nghệ có trình độ cao, tổ chức đào tạo
sau đại học về khoa học tự nhiên và công nghệ theo quy định của pháp luật. Báo cáo và
cung cấp thông tin động đất, cảnh báo sóng thần với cơ quan có thẩm quyền theo quy
định. Tuyên truyền, phổ biến kiến thức, kết quả nghiên cứu khoa học và phát triển công
nghệ đáp ứng yêu cầu phát triển thị trường khoa học, công nghệ.
Thẩm định, tư vấn và dịch vụ kỹ thuật các đề án, dự án trong lĩnh vực công nghệ thông
tin.
Chế tạo thử nghiệm các sản phẩm công nghệ thông tin và tự động hóa dựa trên các kết
quả nghiên cứu khoa học công nghệ của Viện.
Biên soạn giáo trình, đào tạo cán bộ nghiên cứu KHCN về công nghệ thông tin.
Tổ chức hợp tác quốc tế trong lĩnh vực công nghệ thông tin.
Một số thành tựu nổi bật của Viện Công nghệ thông tin trong thời gian gần đây:
Kỹ thuật vi xử lý và ứng dụng:
Trong giai đoạn đầu thành lập Viện Công nghệ thông tin là nơi đầu tiên đưa kỹ thuật vi
xử lý vào Việt Nam, đóng góp to lớn trong việc ứng dụng và phổ cập rộng rãi vi tin học
trên khắp cả nước. Các máy tính VT8x đầu tiên trong nước do Viện chế tạo đã thử nghiệm

ứng dụng quản lý thành công ở xí nghiệp may Sinco, xí nghiệp điện tử Tân Bình, nhà máy
chế tạo công cụ số 1 Hà Nội.... Viện đã triển khai ứng dụng hiệu quả kỹ thuật vi xử lý tại
Nhà máy xi măng Hoàng Thạch, trong điều độ lưới điện miền Bắc, giám sát nhiệt độ độ
ẩm trong Lăng Bác, trong một số lĩnh vực an ninh – quốc phòng. Đặc biệt chuỗi sản phẩm
các máy lập và giải mã tự động LGM-1 do tập thể cán bộ Viện thiết kế chế tạo đã được
Giải thưởng Nhà nước về KHCN năm 2007.
Kết nối Internet đầu tiên ở Việt Nam:
Năm 1991 Viện tiến hành kết nối thử nghiệm Internet với Trường đại học Karlshure
của Đức và đến năm 1992, nhóm cán bộ của Viện tại Phòng Kỹ thuật tính toán đã nghiên
4


cứu tạo account và thử nghiệm chuyển email nửa thủ công bằng quay số điện thoại kết nối
Viện CNTT (Hà Nội) và Trung tâm tính toán (CCU) của Đại học Quốc gia Úc nơi có
điểm truy cập vào Internet. Viện khi đó xây dựng hệ thống máy chủ email theo tiêu chuẩn
Internet để có thể kết nối những người sử dụng và qua đó đã tiến hành thử nghiệm kết nối
Internet đầu tiên ở Việt nam.
1.2 Cơ cấu tổ chức của viện
Các phòng chuyên môn:
Nghiên cứu hệ thống và quản lý
- Các hệ chuyên gia và tính toán mềm.
- Thống kê - tính toán và ứng dụng.
- Công nghệ tự động hoá.
- Tin học trong điều khiển học.
- Các hệ quản trị dữ liệu.
- Tin học quản lý.
- Công nghệ phần mềm trong quản lý sở dữ liệu và lập trình.
- Các hệ thống phần mềm tích hợp.
- Hệ thông tin địa lý.
- Nhận dạng và Công nghệ tri thức.

- Hệ thống mạng và Hạ tầng cơ sở công nghệ thông tin.
- Tin học viễn thông.
- Công nghệ thực tại ảo.
Các đơn vị quản lý nghiệp vụ:
- Phòng Quản lý tổng hợp.
Các trung tâm:
- Trung tâm Sáng tạo Microsoft (MIC).
- Trung tâm Công nghệ và Giải pháp phần mềm.
Hệ thống điều khiển mức nước thuộc phòng 315 ( kỹ thuật điều khiển và hệ thống
nhúng ), phòng chuyên làm các dự án liên quan đến hệ thống điều khiển tự động hóa như
bãi đỗ xe thông minh, xe robot thông minh (mobile robot), các dự án ứng dụng PLC trong
5


công nghiệp ...
Dấu ấn tiên phong của phòng kỹ thuật điều khiển và hệ thống nhúng là đưa máy tính
công nghiệp vào tự động hoá sản xuất được đánh dấu bằng thành công xây dựng hệ thống
đo xa và truyền dữ liệu các tham số Tuốc bin - Máy phát nhà máy thủy điện Hòa Bình và
chế tạo thành công hệ điều khiển số tháp chưng cất tinh dầu xuất khẩu tại Xí nghiệp tinh
dầu thuộc Trung tâm KHTN & CNQG vào những năm 1992-1993. Tiếp theo, công nghệ
nhúng được phát triển mạnh ở Viện. Nhiều thiết bị nhúng được Phòng Công nghệ Tự
động hóa thiết kế chế tạo cho các ứng dụng công nghiệp và đời sống. Nổi bật là hệ đo
mực nước từ xa qua mạng Ethernet, hệ thống kiểm soát xâm thực AC200 (Cúp vàng
Techmart 2005 và giải thưởng Quả cầu vàng 2005), thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm và điểm
sương THDP-1 từ xa (đạt giải thưởng Grand Prize trong cuộc thi quốc tế về thiết kế chip
PSOC năm 2004), hệ đo thông số môi trường khí MDA 104S trên nền DSP và PC104 ...

CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC
2.1 Giới thiệu tổng quan

Hiện nay sự công 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 hoá quá trình
công nghệ đã thực sự phát triển và ứng dụng mạnh mẽ trong công nghiệp cụ thể như công
nghiệp lọc hóa dầu, công nghiệp hóa chất, công 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 môi trường trong công nghiệp chế
biến , khai thác thì vấn đề điều khiển quá trình công nghệ là rất quan trọng.
Trong điều khiển quá trình, bài toán đặt ra là điều chỉnh quá trình công nghệ có yêu cầu
6


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 yêu cầu đặt ra.
Trong công ngiệp hóa lọc dầu, công nghiệp hóa chất, công 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
quá 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
dụng thực tế như vậy, đề tài nghiên cứu đối tượng chính ở đây là hệ thống điều khiển mức
nước.
2.2 Giới thiệu về hệ thống
Hệ thống điều khiển mức nước được hình thành với mô 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 dòng chảy trong các hệ thống đường ống có áp, khép kín, toàn
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.

7


BộBộ điều khiển

Bể nước trên

V2
V1
Cảm biến áp suất

Máy bơm

Bể nước dưới

Hình 2.1: Mô 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.
2.3 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
8

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 )
2.4 Các thiết bị chấp hành
2.4.1 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 không. 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:

9


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 2.2:Cảm biến áp suất VEGEBAR14
Hình 2.3:Cấu tạo của cảm biến

1.Khớp quá trình
2.Hộp thiết bị điện
3.Dây kết nối
10


-Dây kết nối:

Hình 2.4: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.
2.4.2 Van điện từ (Van tỷ lệ V2) BURKERT 2834
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 2.5: Van điện từ

11


Cấu tạo van 2834:

Hình 2.6:Cấu tạo thân van 2834
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.

Thân van (làm bằng đồng thau hoặc thép không gỉ)
Pít tông
Vòng chữ O
Vòng glide
Lò xo
Bộ phận hãm có tích hợp chỉnh vít
Trục pít tông cuộn dây
Cuộn dây (lõi cuộn cảm, cuộn hút)

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

12


Hình 2.7: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 lò 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

van.
Ta có thể điều chỉnh độ mở của van bằng cách điều chỉnh dòng điện. Dòng 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).
2.4.3 Máy bơm nước

Hình 2.8: Máy bơm
13


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

Hình 2.9: Van nhiễu 0211
Thông số kỹ thuật: +A: ký hiệu bình thường là van luôn đóng.
+Điện áp: 24VDC
+Công suất: 8W
2.5 Tính chọn thiết bị Rơ le:
14


Ở đây e chọn loại rơ le trung gian Handouk 2 cặp tiếp điểm GA-2C-D24SL, 8chân 2P,
LED, 24VDC.

Hình 2.10: Rơ le trung gian Handouk

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.

15


Hình 2.11: Sơ đồ dùng rơ le điều khiển đóng ngắt dòng 220VAC

2.6 Thiết bị điều khiển
2.6.1 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.

16


Hình 2.12: Module nguồn PS307 – 5A 24VDC
2.6.2 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 thông ... module lưu trữ chương trình điều khiển PLC S7- 300 trong bộ
nhớ của nó. Ngoài ra, một số module PLC có thể tích hợp một vài cổng vào/ra số, analog .

Hình 2.13: CPU 3.14 - v3.0

17


2.6.3 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 2.14: 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.

2.6.4 Module analog SM 331 AI2x12bit
Module đọc Analog với các tín hiệu khác nhau như: Dòng 4-20mA, đọc tín hiệu áp 010V DC, điện trở, nhiệt độ…Module có 2 nhóm kênh. Mỗi kênh có 2 đầu vào.
18


Hình 2.15: Sơ đồ kết nối thiết bị ngoại vi của module analog
SM 331 AI2x12bit

2.6.5 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.

19


Hình 2.16: Sơ đồ kết nối của thiết bị ngoại vi module SM 332 AO2x12bit (tín hiệu
dòng điện)

1.
2.
3.
4.
5.
6.

Liên kết đẳng thế.
Chức năng nối đất.
Nguồn nội.
Cách điện.
Bảng kết nối giao diện Bus.
Bộ chuyển đổi từ số sang tương tự.

2.7 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 luôn tuần hoàn, nên máy bơm luôn an toàn.

20


2.8 Sơ đồ đấu nối

Hình 2.17: Sơ đồ bố trí thiết bị trên mô hình

21

Hình 2.18: Sơ đồ mạch điện nguồn và CPU

Hình 2. 1: Sơ đồ đầu vào ra số

Hình 2.19: Sơ đồ đầu vào ra số

22


Hình 2.20: Sơ đồ đầu vào ra analog

23


CHƯƠNG 3
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC
3.1 Mô hình chung của hệ thống:

Hình 3.1: Mô hình của hệ thống
Yêu cầu bài toán: Khi đặt một lượng chiều cao mức nước ở giá trị đầu vào thì chiều
cao thực tế thu được sẽ đúng được như mong muốn nhưng trong thực tế tín hiệu đầu ra sẽ
thu được và phản hồi thông qua cảm biến báo về so sánh với tín hiệu đầu vào và cho ra
sai số đó là e(t), trong quá trình thực hiện sẽ xuất hiện thêm độ vọt lố và thời xác lập lâu
nên qua đó người ta sẽ sử dụng một bộ điều khiển để điều khiển tín hiệu đầu ra sát nhất
với tín hiệu đầu vào và nhanh nhất thông qua đối tượng điều khiển van V2. Và biến cần
điều khiển ở đây là chiều cao mức nước bên trong bể.

24

Hình 3.2:Biến cần điều khiển là mức nước

3.2 Xây dựng hàm truyền của hệ thống

Hàm truyền đạt của một quá trình là tỷ số giữa tín hiệu ra so với tín hiệu vào biểu diễn
theo toán tử Laplace.
3.2.1 Xây dựng hàm truyền van điện từ:
Mối quan hệ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra của van

25