Mô hình điều khiển, giám sát hệ thống bơm cấp nước đẳng áp cho nhà máy dệt nhuộm

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Th.S NGUYỄN MINH QUYỀN

MỤC LỤC
MỤC LỤC......................................................................................................................................1
MỤC LỤC HÌNH ẢNH................................................................................................................3
LỜI MỞ ĐẦU................................................................................................................................6
LỜI CẢM ƠN................................................................................................................................7
CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT..............................8

1.1.

ĐẶT VẤN ĐỀ................................................................................................................8

1.2.

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI..................................................................................................8

1.3.

Ý NGHĨA THỰC TIỄN..................................................................................................9

1.4.

MỤC TIÊU ĐỀ TÀI.....................................................................................................10

1.5.

1.4.1.

Tính toán, thiết kế mô hình.............................................................................10

1.4.2.

Điều khiển động cơ bơm qua biến tần.............................................................10

1.4.3.

Truyền thông PLC với biến tần.......................................................................10

1.4.4.

Lập trình tạo giao diện SCADA, Webserver...................................................10

1.4.5.

Kết nối SCADA với PLC................................................................................10

1.4.6.

Kết nối Webserver với PLC thông qua giao thức MQTT trong IoT...............10

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU.........................................................................................10

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1...........................................................................................................11
CHƯƠNG 2.

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG.....................................................12

2.1.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT....................................................................................................12

2.2.

CHỌN THIẾT BỊ CHO HỆ THỐNG...........................................................................15

2.3.

2.2.1.

Chọn thiết bị cho mạch động lực....................................................................15

2.2.2.

Lựa chọn thiết bị cho mạch điều khiển...........................................................19

THIẾT KẾ PHẦN CỨNG, MẠCH ĐIỆN....................................................................23
2.3.1.

Thiết kế phần cứng bằng phần mềm SolidWorks............................................23

2.3.2.

Thiết kế hệ thống điện với EPLAN.................................................................24

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2...........................................................................................................27
CHƯƠNG 3.

ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH ÁP SUÁT DÙNG S7-1200 VỚI BIẾN TẦN
SIEMENS; LÀM VIỆC VỚI GIAO DIỆN SCADA VÀ CÁC GIAO THỨC TRUYỀN
THÔNG
.........................................................................................................................28
3.1.

SƠ ĐỒ GIẢI PHÁP......................................................................................................28

3.2.

LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN.............................................................................................29
3.2.1.

Các lưu đồ và đồ thị thuật toán.......................................................................29

3.2.2.

Bộ điều khiển PI..............................................................................................31

3.2.3.

Đánh giá chất lượng hệ thống.........................................................................35

SVTH: TRẦN QUỐC VƯƠNG, CA LÊ VŨ

1


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
3.3.

3.4.

3.5.

3.6.

Th.S NGUYỄN MINH QUYỀN

GIỚI THIỆU BIẾN TẦN..............................................................................................38
3.3.1.

Biến tần SINAMICS V20................................................................................38

3.3.2.

Cài đặt biến tần SIEMENS SINAMICS V20.................................................39

3.3.3.

TRUYỀN THÔNG PLC VỚI BIỀN TẦN......................................................40

GIỚI THIỆU PLC S7-1200..........................................................................................40
3.4.1.

Các tính năng về đo lường, điều khiển vị trí, điều khiển quá trình.................41

3.4.2.

Phần mềm lập trình.........................................................................................41

CẤU HÌNH TRUYỀN THÔNG...................................................................................42
3.5.1.

Cấu hình PLC..................................................................................................42

3.5.2.

Cấu hình biến tần.............................................................................................43

3.5.3.

Khối lệnh truyền thông Modbus RTU.............................................................44

LẬP TRÌNH HỆ THỐNG SCADA TRÊN WINCC PRO CỦA TIA PORTAL...........47
3.6.1.

Giao diện lập trình scada.................................................................................49

3.6.2.

Chế độ Control trên SCADA..........................................................................49

3.6.3.

Chế độ Trend trên SCADA.............................................................................50

3.6.4.

Chế độ Alarm-Report trên SCADA................................................................51

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3...........................................................................................................54
CHƯƠNG 4.
GIAO THỨC MQTT, WEBSEVER NODE-RED, KẾT NỐI DỮ LIỆU
GIỮA PLC VÀ WEBSEVER NODE-RED THÔNG QUA GIAO THỨC MQTT............55
4.1.

4.2.

GIAO THỨC MQTT....................................................................................................55
4.1.1.

Giao thức MQTT là gì ?..................................................................................55

4.1.2.

Các khái niệm trong MQTT............................................................................56

4.1.3.

Ưu điểm và các ứng dụng của MQTT.............................................................57

4.1.4.

Một số bước cơ bản để làm việc với giao thức MQTT...................................60

NODE-RED MQTT......................................................................................................63
4.2.1.

Node-Red là gì ?..............................................................................................63

4.2.2.

Các bước cơ bản làm việc với Node-Red MQTT...........................................64

KẾT LUẬN CHƯƠNG 4...........................................................................................................68
HẠN CHẾ VÀ CÁCH KHẮC PHỤC CỦA ĐỀ TÀI.............................................................69
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI.................................................................70
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................................71

SVTH: TRẦN QUỐC VƯƠNG, CA LÊ VŨ

2


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Th.S NGUYỄN MINH QUYỀN

MỤC LỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1 Sơ đồ giải thuật PID của hệ thống.............................................................................12
Hình 2.2 Đồ thị PV theo thời gian với Kp thay đổi..................................................................12
Hình 2.3 Đồ thị PV theo thời gian với Ki thay đổi...................................................................13
Hình 2.4 Đồ thị PV theo thời gian với Kd thay đổi..................................................................14
Hình 2.5 Bơm CNP...................................................................................................................15
Hình 2.6 Biến tần SINAMICS V20 SIEMENS........................................................................16
Hình 2.7 Bảng thông số và tính chọn CB 2P............................................................................17
Hình 2.8 Bảng thông số và tính chọn CB 3P............................................................................17
Hình 2.9 Cầu chì Kye Kentech-KHF-32M...............................................................................18
Hình 2.10 Contactor 3P LS MC-9b..........................................................................................19

Hình 2.11 Relay nhiệt LS MT-32..............................................................................................19
Hình 2.12 Nguồn OMRON S8JC-Z10024C.............................................................................20
Hình 2.13 Đèn báo....................................................................................................................20
Hình 2.14 Các lại nút nhấn của Schneider Electric..................................................................21
Hình 2.15 Cảm biến PSA-01P AUTONICS.............................................................................21
Hình 2.16 Tủ điện.....................................................................................................................22
Hình 2.17 Relay mực nước HANYOUNG FS-3......................................................................22
Hình 2.18 Phần mềm SolidWorks.............................................................................................23
Hình 2.19 Hình ảnh thiết kế trên phần mềm SolidWorks.........................................................23
Hình 2.20 Phần mềm EPLAN...................................................................................................24
Hình 2.21 Mô hình 3D của tủ điện thiết kế bằng EPLAN ProPanel........................................24
Hình 2.22 Kích thước tủ điện thiết kế bằng EPLAN ProPanel.................................................25
Hình 2.23 Mạch động lực thiết kế bằng EPLAN Electric P8...................................................26
Hình 2.24 Sơ đồ kết nối PLC thiết kế bằng EPLAN Electric P8..............................................27
Hình 2.25 Sơ đồ điều khiển thiết kế bằng EPLAN Electric P8................................................27
Hình 3.1 Sơ đồ giải pháp..........................................................................................................28
Hình 3.2 System flowchart.......................................................................................................29
Hình 3.3 Control flowchart.......................................................................................................29
Hình 3.4 Giải thuật gọi bơm.....................................................................................................30
Hình 3.5 Staging (Pump 2).......................................................................................................30
Hình 3.6 Destaging (Pump 2)...................................................................................................31
Hình 3.7 Phương pháp FOPDT.................................................................................................32
Hình 3.8 Phương pháp xác định K............................................................................................33
Hình 3.9 Phương pháp xác định Tp..........................................................................................33
SVTH: TRẦN QUỐC VƯƠNG, CA LÊ VŨ

3


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Th.S NGUYỄN MINH QUYỀN

Hình 3.10 Phương pháp xác định L..........................................................................................33
Hình 3.11 Phương pháp xác định K,Tp, L................................................................................34
Hình 3.12 Sai số xác lập...........................................................................................................35
Hình 3.13 Độ vọt lố..................................................................................................................35
Hình 3.14 Thời gian quá độ......................................................................................................36
Hình 3.15 Hiển thị đánh giá hệ thống trên trang Control.........................................................36
Hình 3.16 Hiển thị đánh giá hệ thống trên trang Trend............................................................37
Hình 3.17 SIEMENS SINAMICS V20.....................................................................................38
Hình 3.18 PLC SIEMENS S7-1200..........................................................................................40
Hình 3.19 Cấu hình cho SIEMENS S7-1200............................................................................42
Hình 3.20 Cấu hình System and clock memory cho SIEMENS S7-1200................................42
Hình 3.21 Khối lệnh MB_MASTER TIA Portal......................................................................44
Hình 3.22 Khối lệnh MB_COM_LOAD TIA Portal................................................................46
Hình 3.23 Cấu hình WINCC Professional................................................................................47
Hình 3.24 Cấu hình WINCC Professional................................................................................47
Hình 3.25 Cấu hình WINCC Professional................................................................................48
Hình 3.26 Cấu hình WINCC Professional................................................................................48
Hình 3.27 Cấu hình WINCC Professional................................................................................48
Hình 3.28 Giao diện làm việc của WINCC Professional..........................................................49
Hình 3.29 Màn hình hiển thị trang Control...............................................................................49
Hình 3.30 Templates cho các bơm............................................................................................50
Hình 3.31 Thiết lập Trend.........................................................................................................50
Hình 3.32 Màn hình hiển thị trang Trend.................................................................................51
Hình 3.33 Chế độ Alarm trong WinCC.....................................................................................51
Hình 3.34 Cấu hình khối dữ liệu cho chế độ Alarm.................................................................52
Hình 3.35 Các Alarm trong TIA Portal.....................................................................................52
Hình 3.36 Màn hình hiển thị trang Alarm-Report.....................................................................53

Hình 3.37 Cấu hình dữ liệu Report...........................................................................................53
Hình 3.38 Bảng Report được xuất ra để lưu trữ.......................................................................54
Hình 4.1 Mô tả giao thức MQTT..............................................................................................55
Hình 4.2 Ứng dụng của các tập đoàn sử dụng MQTT..............................................................58
Hình 4.3 Mosquitto với Node-Red qua giao thức MQTT........................................................59
Hình 4.4 Giao tiếp giữa iOS và Raspberry bằng MQTT..........................................................59
Hình 4.5 Trang chủ cloudmqtt.com..........................................................................................60
Hình 4.6 Đăng nhập tài khoản đã đăng ký vào cloudmqtt.com................................................60
SVTH: TRẦN QUỐC VƯƠNG, CA LÊ VŨ

4


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Th.S NGUYỄN MINH QUYỀN

Hình 4.7 Thông tin tài khoản đã đăng ký trên cloudmqtt.........................................................61
Hình 4.8 Khối MQTT_Client được mở trong TIA Portal.........................................................61
Hình 4.9 Command giá trị IP ping server.................................................................................62
Hình 4.10 Websocket thể hiện các topic và các giá trị..............................................................62
Hình 4.11 Mô hình Node-Red...................................................................................................63
Hình 4.12 Các mô hình triển khai Node-Red...........................................................................64
Hình 4.13 Đăng ký tài khoản IBM Cloud.................................................................................64
Hình 4.14 Khởi tạo tên miền địa chỉ truy cập Node-Red.........................................................65
Hình 4.15 Giao diện trên trang điều khiển trên websever Node-Red.......................................65
Hình 4.16 Giao diện trên websever Node-Red.........................................................................65
Hình 4.17 Bảng Report trên web..............................................................................................66
Hình 4.18 Giao diện chức năng và tùy chỉnh trên Node-Red...................................................67
Hình 4.19 Lập trình các chức năng trên Node-Red..................................................................67

Hình 4.20 Cấu hình trao đổi dữ liệu của cloudmqtt với websever Node-Red..........................68

SVTH: TRẦN QUỐC VƯƠNG, CA LÊ VŨ

5


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Th.S NGUYỄN MINH QUYỀN

LỜI MỞ ĐẦU
Trong thời buổi công nghiệp hóa hiện nay, nền công nghiệp hiện đang phát triển
và chiếm ưu thế hơn so với các lĩnh vực khác trong đời sống sản xuất. Trong đó, tự
động hóa là một ngành mới nhưng đang chiếm vị trí rất quan trọng và không thể thiếu
trong các hệ thống, các dây chuyền sản xuất. Các hệ thống ứng dụng tự động hóa đang
dần thay thế các hệ thống thủ công, thay con người thực hiện các công việc nặng nhọc
và khả năng thực hiện các công việc một cách chính xác ngay cả những công việc tinh
vi hiện đại, làm tăng năng suất
Để đạt được những thành tựu trên các hệ thống tự động phải được trang bị các
thiết bị điều khiển lập trình như bộ điều khiển PLC – một hệ thống điều khiển, giám
sát thu thập dữ liệu... có khả năng xử lý tại chỗ và khả năng nối mạng nhanh tạo thành
hệ thống mạng điều khiển theo chế độ thời gian thực. Ngoài chức năng điều khiển và
giám sát hệ thống còn có nhiều cơ sở dữ liệu, khả năng tự xác định và khắc phục hỏng
hóc, khả năng thống kê, báo cáo và kết hợp với mạng máy tính quản lý lập kế hoạch
tạo thành hệ thống tự động hóa sản xuất toàn cục. Vì vậy, việc nghiên cứu PLC, biến
tần và các hệ thống tự động trong công nghiệp là hết sức cần thiết.
Với một thực tế, học phải đi đôi với hành, lý thuyết phải gắn liền với thực tiễn,
việc thực hiện mô hình thực tế là cơ hội để sinh viên trải nghiệm, tự học hỏi nghiên
cứu và vận dụng những kiến thức đã tích lũy vào thực tiễn, tạo ra một sản phẩm mang

tính ứng dụng và tính công nghiệp. Là điều kiện để tìm hiểu kỹ hơn về lý thuyết điều
khiển tự động, khả năng lập trình và giám sát hệ thống qua giao diện Webserver. Trong
quá trình thực hiện, nhóm cũng gặp không ít khó khăn khi thiết kế và thi công mô
hình, do thiếu kinh nghiệm thực tế, kiến thức hạn chế và sức ép về thời gian nên quá
trình hoàn thành đồ án không tránh khỏi những thiếu sót. Do vậy rất mong sự đóng
góp quý báu của quý thầy cô và các bạn để đề tài hoàn thiện và phát triển tốt hơn.

Xin chân thành cảm ơn
Trần Quốc Vương, Ca Lê Vũ

SVTH: TRẦN QUỐC VƯƠNG, CA LÊ VŨ

6


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Th.S NGUYỄN MINH QUYỀN

LỜI CẢM ƠN
Được sự phân công của khoa Điện – Điện Tử trường Đại Học Giao Thông Vận
Tải TP.Hồ Chí Minh và được sự đồng ý của thầy giáo hướng dẫn Th.S Nguyễn Minh
Quyền, chúng tôi đã thực hiện đề tài mang tên: “Mô hình điều khiển, giám sát hệ
thống bơm cấp nước đẳng áp cho nhà máy dệt - nhuộm”
Để có thể hoàn thành được đề tài này, nhóm thực hiện đề tài xin chân thành cảm
ơn các thầy, cô giáo trường Đại Học Giao Thông Vận Tải TP.Hồ Chí Minh nói chung
và các thầy, cô trong bộ môn Tự động hóa nói riêng đã tận tình hướng dẫn, giảng dạy
trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và rèn luyện ở trường.
Xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn Th.S Nguyễn Minh Quyền đã trực
tiếp hướng dẫn tận tình chu đáo và tạo điều kiện để nhóm thực hiện đề tài có thể hoàn

thành khóa luận này.
Cuối cùng xin gửi lời cảm ơn gia đình, các bạn học viên trong lớp, các anh chị đi
trước lời cảm ơn sâu sắc vì những đóng góp quý báu và sự động viên, giúp đỡ nhiệt
tình trong suốt thời gian học tập, cũng như quá trình nghiên cứu, hoàn thành đồ án
này.
Mặc dù đã cố gắng để thực hiện đề tài một cách hoàn chỉnh nhất. Nhưng do buổi
đầu làm quen và tiếp cận trong lĩnh vực mới cũng như hạn chế về kiến thức và kinh
nghiệm nên không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định mà bản thân chưa nhìn
nhận được. Nhóm thực hiện đề tài rất mong nhận được sự góp ý của quý Thầy (Cô)
giáo và các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn.
Nhóm thực hiện đề tài xin chân thành cảm ơn!

Nhóm sinh viên thực hiện
Trần Quốc Vương, Ca Lê Vũ

SVTH: TRẦN QUỐC VƯƠNG, CA LÊ VŨ

7


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Th.S NGUYỄN MINH QUYỀN

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong thời đại công nghiệp hóa, hiện đại hóa các phương pháp tiên tiến, các hệ
thống sản xuất được hình thành ngày càng nhiều giúp năng suất lao động được tăng
lên một cách rõ rệt. Đặc biệt trong ngành điện tự động hóa đã có rất nhiều các hệ thống
hiện đại, tối ưu được xây dựng và lắp đặt trong các nhà máy, xí nghiệp, giúp tăng năng

suất và giảm chi phí nhân công cũng như sức người.
Hệ thống ổn định áp suất nói riêng cũng như các hệ thống yêu cầu xử lý tín hiệu
nhiệt độ, độ ẩm, áp suất được ứng dụng rộng rãi trong ngành tự động hóa công nghiệp
và cả trong cuộc sống. Từ nguyên lý của hệ thống ta có thể phát triển rộng sang các
ứng dụng khác có ảnh hưởng trực tiếp vào cuộc sống thường nhật và vấn đề ở đây là
ổn định áp suất trong một mô hình cụ thể tiêu biểu như nước ở khu dân cư, các tòa
nhà, nhà máy,….
Nhưng vấn đề đặt ra cụ thể là nhu cầu sử dụng nước của nhà máy không có quy
luật, khác nhau ở từng thời điểm, nên làm sao để giải quyết áp suất nước trong đường
ống để sử dụng ổn định và gây ít nguy hại nhất dẫn đến về các phần cứng như đường
ống, máy bơm là một câu hỏi; bên cạnh đó, việc giám sát một cách hệ thống một cách
nhất quán cũng là một vấn đề cần được giải quyết
1.2. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Hệ thống ổn định áp suất nước trong nhà máy đã được nhiều người làm với nhiều
phương pháp khác nhau, nhiều thiết bị khác nhau, là nhà máy sẽ xây dựng tháp nước,
các bơm trong hệ thống sẽ được khởi động trực tiếp với nguồn điện lưới và bơm nước
lên các tháp. Khi hoạt động, các bơm sẽ luôn trong trạng thái đầy tải cho đến khi tháp
nước đầy thì bơm được ngắt và khi nào thiếu nước bơm sẽ hoạt động trở lại. Đối với
phương pháp này, khi nhu cầu sử dụng nước thay đổi đột ngột và liên tục thì hệ thống
sẽ không đáp ứng kịp thời. Ngoài ra, phương pháp này còn gây ra những hạn chế như
sụt áp hệ thống điện do khởi động cùng lúc nhiều bơm; áp lực nước trong hệ thống đôi
khi tăng quá cao không cần thiết có thể gây nứt hoặc bể ống nước, phải xả tràn làm
thất thoát nước sạch hoặc điều chỉnh van để bảo vệ quá áp trong khi hệ thống bơm vẫn
chạy với tốc độ tối đa gây lãng phí điện rất lớn, giảm tuổi thọ hệ thống bơm do khởi
động trực tiếp với điện lưới.
Xây dựng tháp có bể chứa nước trên cao, nước sạch được bơm lên bể chứa có
giám sát mực nước, chống được hiện tượng quá áp do nước được xả tự nhiên đến nơi
sử dụng nước. Giải pháp này tốn nhiều chi phí xây dựng tháp nước, việc xây dựng và
hoàn thành công trình mất nhiều thời gian. Bể nước trên cao dễ bị đóng rong rêu,
nhiễm khuẩn, chi phí bảo dưỡng, vệ sinh và an toàn tháp về lâu dài rất cao, tốc độ cấp

nước thụ động, không đáp ứng kịp khi nhu cầu sử dụng tăng
Vải nhân tạo được dệt từ sợi nhân tạo, trong đó sợi visco là loại được sản xuất và
sử dụng nhiều nhất.
SVTH: TRẦN QUỐC VƯƠNG, CA LÊ VŨ

8


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Th.S NGUYỄN MINH QUYỀN

Các loại vải sau khi dệt thường rất cứng, khó thấm nên rất khó nhuộm màu và
chưa đạt được độ trắng cần thiết nên cần tiền xử lý trước khi nhuộm
 Giũ hồ qua máy Boiloff, 600 độ , 30m/min
 Relax (giặt) loại bỏ tiếp, tẩy trắng 1200-1300 độ C, 2600l
 Định hình ổn định về hình dạng (nhiệt cao nên “chết” sợi), 1900-2300 độ C,
20m/min
 Giảm trọng (máy JET) để vải mỏng nhẹ hơn, dễ bắt màu
Giai đoạn chính : nhuộm >130 độ, 3-4 bar, 2200l
Thuốc nhuộm

Loại sợi

Nhiệt độ nhuộm

Ph nhuộm

60

10.5-11

Hoạt tính

Coton

Phân tán

PES

130-135

4.5-5.5

Cation

CD

<135

10.5-11

Phân tán

Nilon

70-80

4.5-5.5

Chính vì những điều này khiến người làm đề tài muốn nghiên cứu, thực thi đề tài
“Mô hình điều khiển, giám sát hệ thống bơm cấp nước đẳng áp cho nhà máy dệt nhuộm” với việc sử dụng thuật toán PID, giải thuật gọi bơm, giám sát qua SCADA và
tích hợp IoT Industry
Vì đề tài mang tính mô hình, chỉ mô phỏng lại hoạt động cơ bản của quá trình ổn
định áp suất trong nhà máy dệt nhuộm nhằm mục đích trình bày và nghiên cứu nên
chúng tôi thực hiện phương án thu nhỏ tỉ lệ giá trị áp suất đặt lại còn từ 0,3-0,4 bar
1.3. Ý NGHĨA THỰC TIỄN
Trong những năm gần đây, ngành điện tự động hoá phát triển không ngừng và
ứng dụng điểu khiển áp suất được sử dụng trong nhiều các hệ thống nông nghiệp cũng
như công nghiệp trong các lĩnh vực liên quan đến dung môi, chất lỏng.
Biến tần là một thiết bị tự động đa năng, có nhiều tính năng điều khiển tốc độ
động cơ và tiết kiệm năng lượng, ứng dụng rộng rãi trong tất cả các ngành công
nghiệp, mang lại hiệu quả kinh tế cao.
PLC là thiết bị dùng để điều khiển nhiều thiết bị đa dạng hỗ trợ các yêu cầu về
điều khiển tự động, được ứng dụng trong nhiều hệ thống khác nhau.
Đề tài được ứng dụng rộng rãi, nhằm đáp ứng vào nhu cầu thực tế trong lĩnh vực
tự động hóa, đặc biệt giải quyết được vấn đề điều khiển và giám sát một cách trực
quan

SVTH: TRẦN QUỐC VƯƠNG, CA LÊ VŨ

9


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Th.S NGUYỄN MINH QUYỀN

1.4. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
1.4.1. Tính toán, thiết kế mô hình

Tính toán chọn thiết bị phần cứng
Thiết kế 3D mô hình bằng SolidWorks, 3D tủ điện và mạch điện bằng EPLAN
1.4.2. Điều khiển động cơ bơm qua biến tần
Cài đặt thông số biến tần để điều khiển động cơ
Lập trình PLC thực hiện điều khiển bằng PID
1.4.3. Truyền thông PLC với biến tần
Truyền thông để gửi, nhận các tín hiệu : tần số, các giá trị setpoint, điều khiển…
Lấy dữ liệu nhận được từ biến tần về PLC, sau đó lập trình, tạo giao diện kết nối
PLC với SCADA
1.4.4. Lập trình tạo giao diện SCADA, Webserver
Tạo được một giao diện thân thiện và tiện nghi cho người giám sát tại chỗ cũng
như từ xa để hệ thống được hoạt động một cách tốt nhất.
1.4.5. Kết nối SCADA với PLC
Nắm được phương thức truyền nhận dữ liệu giữa PLC và hệ thống SCADA
Truyền nhận dữ liệu giữa hệ thống Scada và PLC qua chuẩn giao tiếp Profinet.
1.4.6. Kết nối Webserver với PLC thông qua giao thức MQTT trong IoT
Nắm được phương thức truyền thông giữa PLC và webserver
Truyền nhận dữ liệu giữa PLC và webserver thông qua MQTT trên nền
webserver Node-Red
1.5. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Các nội dung cần nghiên cứu:
 Nội dung 1: Tìm hiểu giải pháp cho hệ thống
 Nội dung 2: Thiết kế giải thuật cho hệ thống.
 Nội dung 3: Tìm hiểu biến tần SIEMENS SINAMICS V20.
 Nội dung 4: Truyền thông biến tần SIEMENS SINAMICS V20 & PLC S71200.
 Nội dung 5: Thiết kế giao diện SCADA WINCC Professional
 Nội dung 6: Phương thức truyền nhận tín hiệu giữa giao diện SCADA và PLC
 Nội dung 7: Tìm hiểu về giao thức MQTT trong IoT kết nối công nghiệp
 Nội dung 8: Tìm hiểu công cụ Node-Red
SVTH: TRẦN QUỐC VƯƠNG, CA LÊ VŨ

10


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Th.S NGUYỄN MINH QUYỀN

 Nội dung 9 : Xây dựng giao diện trên websever bằng Node-Red
 Nội dung 10: Truyền nhận dữ liệu từ PLC và Node-Red thông qua giao thức
MQTT
 Nội dung 11: Thực nghiệm và tiến hành hiệu chỉnh.

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Trong quá trình học tập, thảo luận và lên ý tưởng đề tài cho Luận văn tốt nghiệp,
chúng tôi đã đi đến sự đồng nhất trong các vấn đề cốt lõi của Tự động hóa là giải thuật
PID, các khía cạnh của việc điều khiển, giám sát hệ thống một cách chính xác nhưng
vẫn đảm bảo được tối ưu, mang tính hiệu quả trong bối cảnh của nền công nghiệp 4.0
IoT. Đó là nguyên nhân thúc đẩy chúng tôi nghiên cứu và thực hiện đề tài này

SVTH: TRẦN QUỐC VƯƠNG, CA LÊ VŨ

11


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Th.S NGUYỄN MINH QUYỀN

CHƯƠNG 2. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG

2.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Giải pháp
PLC S7-1200 hỗ trợ giải thuật PID. Để ổn định được áp suất hệ thống, ta sử dụng
chức năng PID của PLC. Tín hiệu cảm biến được đưa về PLC sau đó tính toán xuất tín
hiệu gửi xuống cho biến tần thông qua truyền thông kiểm soát áp suất hệ thống

Hình TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG.1 Sơ đồ giải thuật PID của hệ thống

Các khâu của Bộ điều khiển PID
 Khâu tỉ lệ (P)

Hình TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG.2 Đồ thị PV theo thời gian với Kp thay đổi

SVTH: TRẦN QUỐC VƯƠNG, CA LÊ VŨ

12


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Th.S NGUYỄN MINH QUYỀN

Khâu tỉ lệ (đôi khi còn được gọi là độ lợi) làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá
trị sai số hiện tại. Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó với
một hằng số Kp, được gọi là độ lợi tỉ lệ.
Độ lợi của khâu tỉ lệ lớn là do thay đổi lớn ở đầu ra mà sai số thay đổi nhỏ. Nếu
độ lợi của khâu tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định (xem phần điều chỉnh vòng).
Ngược lại, độ lợi nhỏ là do đáp ứng đầu ra nhỏ trong khi sai số đầu vào lớn, và làm
cho bộ điều khiển kém nhạy, hoặc đáp ứng chậm. Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá thấp,
tác động điều khiển có thể sẽ quá bé khi đáp ứng với các nhiễu của hệ thống.

 Khâu tích phân (Kp)
Khâu tích phân (khi cộng thêm khâu tỉ lệ) sẽ tăng tốc chuyển động của quá trình
tới điểm đặt và khử số dư sai số ổn định với một tỉ lệ chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển.
Tuy nhiên, vì khâu tích phân là đáp ứng của sai số tích lũy trong quá khứ, nó có thể
khiến giá trị hiện tại vọt lố qua giá trị đặt (ngang qua điểm đặt và tạo ra một độ lệch
với các hướng khác).

Hình TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG.3 Đồ thị PV theo thời gian với Ki thay đổi

SVTH: TRẦN QUỐC VƯƠNG, CA LÊ VŨ

13


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Th.S NGUYỄN MINH QUYỀN

 Khâu vi phân (Ki)

Hình TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG.4 Đồ thị PV theo thời gian với Kd thay đổi

Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển và đặc tính này
là đang chú ý nhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều khiển.
Từ đó, điều khiển vi phân được sử dụng để làm giảm biên độ vọt lố được tạo ra
bởi thành phần tích phân và tăng cường độ ổn định của bộ điều khiển hỗn hợp. Tuy
nhiên, phép vi phân của một tín hiệu sẽ khuếch đại nhiễu và do đó khâu này sẽ nhạy
hơn đối với nhiễu trong sai số, và có thể khiến quá trình trở nên không ổn định nếu
nhiễu và độ lợi vi phân đủ lớn. Do đó một xấp xỉ của bộ vi sai với băng thông giới hạn
thường được sử dụng hơn. Chẳng hạn như mạch bù sớm pha.

SVTH: TRẦN QUỐC VƯƠNG, CA LÊ VŨ

14


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Th.S NGUYỄN MINH QUYỀN

2.2. CHỌN THIẾT BỊ CHO HỆ THỐNG
2.2.1. Chọn thiết bị cho mạch động lực
2.2.1.1. Chọn động cơ bơm
 Yêu cầu:
 Động cơ 3 pha
 Công suất tùy thuộc vào quy mô mô hình
 Giải pháp: Chọn động cơ 3 pha
 Các thông số kỹ thuật:
 Bơm: CNP model MS80/0.37SSC
 Điện áp: 220/380V
 Dòng điện : 1.6/0.96 A
 Lưu lượng tối đa : 3.8 m3/h
 Cột áp : 14.6m
 Công suất: 0.37 kW
 Tốc độ : 2820 RPM
 Áp suất cực đại: 6 bar

Hình TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG.5 Bơm CNP

SVTH: TRẦN QUỐC VƯƠNG, CA LÊ VŨ

15


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Th.S NGUYỄN MINH QUYỀN

2.2.1.2. Chọn biến tần
 Yêu cầu:
 Biến tần ngõ ra pha pha 380 V
 Công suất tùy thuộc vào quy mô mô hình
 Có truyền thông Modbus RS485.
 Giải pháp: Chọn biến tần SINAMICS V20

Hình TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG.6 Biến tần SINAMICS V20 SIEMENS

 Các thông số kĩ thuật:
 Hãng sản xuất: SIEMENS
 Mã đặt: 6SL3210-5BE15-5UV0
 Công suất định mức ngõ ra: 0.37 kW
 Điện áp: 3 pha 400V AC
 Dòng điện định mức ngõ vào: 1.7 A
 Dòng điện định mức ngõ ra: 1.3 A
 Tần số: 50Hz
2.2.1.3. Lựa chọn MCB
 Mục đích:
 Cách ly, đóng cắt, bảo vệ ngắn mạch, bảo vệ quá tải cho mạch động lực.
SVTH: TRẦN QUỐC VƯƠNG, CA LÊ VŨ

16


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Th.S NGUYỄN MINH QUYỀN

 Tính chọn theo công thức P = U.I.cosφ từ đó tính được Iđm=2.5 A
 Giải pháp: Chọn 4 MCB LS BKN ( 3 MCB 3P 6A, 1 MCB 2P 6A)
 Các thông số kĩ thuật:
 BKN 2P
 Số cực : 1
 Dòng điện định mức: 6A
 Ics=Icu=6kA

Hình TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG.7 Bảng thông số và tính chọn CB 2P

 BKN 3P
 Số cực : 1
 Dòng điện định mức: 3 MCB 6A
 Ics=Icu=6kA

Hình TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG.8 Bảng thông số và tính chọn CB 3P

2.2.1.4. Lựa chọn cầu chì
 Mục đích: Cách ly, bảo vệ ngắn mạch, bảo vệ quá tải cho mạch động lực.
SVTH: TRẦN QUỐC VƯƠNG, CA LÊ VŨ

17

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Th.S NGUYỄN MINH QUYỀN

 Giải pháp: Chọn cầu chì Kye Kentech-KHF-32M
 Các thông số kĩ thuật:
 Dạng tép 1 cực
 Dòng điện tối đa: 32A
 Điện áp tối đa: 690V

Hình TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG.9 Cầu chì Kye Kentech-KHF-32M

2.2.1.5. Lựa chọn contactor
 Mục đích: Đóng cắt thiết bị điện
 Giải pháp: Chọn contactor 3P LS MC-9b, 9A, 1NO + 1NC
 Các thông số kĩ thuật:
 Số cực: 3 cực
 Dòng điện định mức: 9A
 Công suất định mức: 4kW

SVTH: TRẦN QUỐC VƯƠNG, CA LÊ VŨ

18


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Th.S NGUYỄN MINH QUYỀN

Hình TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG.10 Contactor 3P LS MC-9b

2.2.1.6. Lựa chọn relay nhiệt
 Mục đích: Bảo vệ quá tải cho thiết bị điện, động cơ
 Giải pháp: Chọn relay nhiệt LS MT-32
 Các thông số kĩ thuật:
 Số cực: 3 cực
 Dải điều chỉnh: 0.63-1A
 Công suất định mức: 4kW

Hình TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG.11 Relay nhiệt LS MT-32

2.2.2. Lựa chọn thiết bị cho mạch điều khiển
2.2.2.1. Lựa chọn nguồn
 Mục đích: Cấp nguồn cho PLC, nguồn cho cảm biến áp suất
SVTH: TRẦN QUỐC VƯƠNG, CA LÊ VŨ

19


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Th.S NGUYỄN MINH QUYỀN

 Yêu cầu:
 Nguồn 24V DC, dòng lớn hơn 5 A, có bảo vệ ngắn mạch, quá tải.
 Có nối đất để tránh rò điện.
 Giải pháp: Chọn nguồn OMRON S8JC-Z10024C

Hình TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG.12 Nguồn OMRON S8JC-Z10024C

 Các thông số kĩ thuật:
 Điện áp đầu vào: 200-240 VAC
 Dòng điện đầu vào: 1.4A
 Tần số 50-60Hz
 Điện áp đầu ra: 24V DC
 Dòng điện đầu ra: 4.5A
 Công suất 100W
2.2.2.2. Lựa chọn đèn báo
 Mục đích: Báo nguồn, báo tình trạng làm việc của hệ thống.
 Yêu cầu: Sử dụng với điện áp điều khiển
 Giải pháp: Chọn 2 đèn báo 24v và 3 đèn báo 220V.

Hình TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG.13 Đèn báo
SVTH: TRẦN QUỐC VƯƠNG, CA LÊ VŨ

20


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Th.S NGUYỄN MINH QUYỀN

 Các thông số kĩ thuật:
 Điện áp đầu vào: 24V cho đèn 24V, 220V cho đèn 220V.
2.2.2.3. Lựa chọn nút nhấn
 Mục đích: Điều khiển hệ thống.
 Yêu cầu: Sử dụng với điện áp điều khiển 24V DC.
 Giải pháp: Chọn 2 nút nhấn XB7-NA và 1 nút nhấn dừng khẩn cấp
ZA2EE102 của Schneider Electric.

Hình TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG.14 Các lại nút nhấn của Schneider Electric

2.2.2.4. Lựa chọn cảm biến
 Mục đích: Đọc tín hiệu áp suất một cách chính xác để điều khiển hệ thống
 Giải pháp: Chọn cảm biến PSA-01P của hãng AUTONICS

Hình TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG.15 Cảm biến PSA-01P AUTONICS

 Thông số kĩ thuật:
 Loại hiển thị: Hiển thị Led 7 đoạn
 Nguồn cấp: 24V
SVTH: TRẦN QUỐC VƯƠNG, CA LÊ VŨ

21


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Th.S NGUYỄN MINH QUYỀN

 Dải điện áp cho phép: 90-110% điện áp định mức
 Dải đo áp suất: 0-100 kPa
 Dòng điện tiêu thụ : tối đa 50mA
 Thời gian phản hồi: lựa chọn 2.5ms, 5ms, 100ms, 500ms
 Ngõ ra analog: 1-5VDC ± 2%
2.2.2.5. Lựa chọn tủ điện
 Mục đích: Gắn và bảo vệ các thiết bị điện trong mạch điều khiển và động lực.
 Yêu cầu: Tủ có kích thước phù hợp với số lượng thiết bị và có sơn tĩnh điện.
 Giải pháp: Chọn mua tủ điện tại cửa hàng bán tủ điện

Hình TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG.16 Tủ điện

 Thông số kĩ thuật: Tủ có kích thước là 55x50 cm và có sơn tĩnh điện.
2.2.2.6. Lựa chọn relay mực nước
 Mục đích: Giám sát mực nước của bồn và đóng, cắt tiếp điểm khi hết nước
làm ngưng hệ thống tránh bơm chạy khô gây cháy bơm
 Giải pháp: Chọn relay mực nước HANYOUNG FS-3

Hình TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG.17 Relay mực nước HANYOUNG FS-3

 Thông số kĩ thuật:
SVTH: TRẦN QUỐC VƯƠNG, CA LÊ VŨ

22


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Th.S NGUYỄN MINH QUYỀN

 Model: FS-3A ( High Sensitivity)
 Nguồn: 110 VAC/ 220 VAC 50/60Hz
 Nguồn tiêu thụ: 3.2VA
 Thời gian phản hồi: tối đa 80ms khi vận hành, tối đa 160ms khi trả về
2.3. THIẾT KẾ PHẦN CỨNG, MẠCH ĐIỆN
2.3.1. Thiết kế phần cứng bằng phần mềm SolidWorks

Hình TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG.18 Phần mềm SolidWorks

SolidWorks là phần mềm thiết kế 3D có mặt từ 1997 được tạo bởi công ty
Dassault Systèmes SolidWorks Corp với các chức năng chính như:
 Thiết kế mô hình 3D
 Lắp ráp các chi tiết
 Xuất bản vẽ dễ dàng
 Công cụ tạo kích thước, quản lý dự án và quy trình hiệu quả
 Tính năng gia công và phân tích động lực học

SVTH: TRẦN QUỐC VƯƠNG, CA LÊ VŨ

23


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Th.S NGUYỄN MINH QUYỀN

Hình TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG.19 Hình ảnh thiết kế trên phần mềm SolidWorks

2.3.2. Thiết kế hệ thống điện với EPLAN
EPLAN với nền tảng CAE (Computer-Aid Engineering) đã phát triển các giải
pháp thiết kế đã được chứng minh mang tính hiệu quả, góp phần cải thiện và nâng cao
hiệu suất mang lại lợi ích cho khách hàng trong nhiều năm trở lại đây. EPLAN Electric
P8 và EPLAN ProPanel là một trong hai phần mềm quan trọng của EPLAN

Hình TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG.20 Phần mềm EPLAN

2.3.2.1. Thiết kế tủ điện 3D bằng EPLAN ProPanel
EPLAN ProPanel là một phần mềm trên nền tảng của tổ hợp EPLAN. Là giải
pháp kỹ thuật dựa trên phần mềm để thiết kế và xây dựng các tủ điều khiển, tổng đài

và hệ thống phân phối điện linh hoạt trên mô hình 3D.

SVTH: TRẦN QUỐC VƯƠNG, CA LÊ VŨ

24


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Th.S NGUYỄN MINH QUYỀN

Hình TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG.21 Mô hình 3D của tủ điện thiết kế bằng EPLAN
ProPanel

Hình TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG.22 Kích thước tủ điện thiết kế bằng EPLAN
ProPanel

2.3.2.2. Bảng vẽ mạch điện bằng EPLAN Electric P8
EPLAN Electric P8 là phần mềm toàn diện trong thiết kế tổng quan hệ thống
điện. Là công cụ cực kì quan trọng đối với các kỹ sư của các công ty chuyên về thiết
kế, thi công hệ thống điện, phần mềm giúp tăng tối đa hiệu quả trong thiết kế, kiểm
soát tài liệu và lưu trữ dự án
SVTH: TRẦN QUỐC VƯƠNG, CA LÊ VŨ

25