báo cáo cuối kỳ hệ thống điều khiển mức chất lỏng

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (7.79 MB, 34 trang )

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

<b><small> TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO</small></b>

<b>BÁO CÁO CUỐI KỲ</b>

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

<b>CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN</b>

<b><small>1.1</small></b>Giới thiệu về đề tài<b><small> ···</small></b>4

<b><small>1.4 </small></b>Ưu điểm và nhược điểm của đề tài<small>···6</small>

<b>CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ</b>

<b>2.1Giới thiệu các nghiên cứu và đề xuất liên quan đến dự án. ···</b>9

<b>2.2Sơ đồ khối của hệ thống···10</b>

<b>2.3Thiết bị được sử dụng trong hệ thống ···11</b>

2.3.1 AI···12

2.3.2 CPU···14

2.3.3 AO···15

2.3.4 BIẾN TẦN (SINAMICS V20 INVERTER)···17

2.3.5 BƠM TĂNG ÁP NƯỚC···20

2.3.6 CẢM BIẾN ULM-53···20

<b>2.4Phần mềm Tia Portal V16···23</b>

<b>CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG</b>

Yêu cầu của hệ thống<small>···</small>25

<b>CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ</b>

<b>4.1 Kết quả đạt được trong thiết kế phần cứng···26</b>

<b>4.2 Kết quả đạt được trong thiết kế phần mềm···28</b>

<b>4.3 Kết quả đạt được về hoạt động của hệ thống···32</b>

<b>CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN</b>

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

<b><small>Bảng quy trình thực hiện</small></b>

<small>Tuần 2- Chỉnh sửa mô phỏng</small>

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

<b>CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN</b>

<b>1.1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI</b>

Hiện nay, trong q trình cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, yêu cầu tự động hóa ngày càng cao trong đời sống và sản xuất (yêu cầu điều khiển tự động, linh hoạt, tiện lợi, gọn nhẹ). Mặt khác, nhờ sự phát triển nhanh chóng của cơng nghệ thơng tin và kỹ thuật điện tử, thiết bị điều khiển lập trình PLC đã xuất hiện. Thực hiện cơng việc một cách khoa học để đạt được số lượng sản phẩm lớn, nhanh chóng và tiết kiệm. Các cơng ty sản xuất thường sử dụng cơng nghệ lập trình.

Dây chuyền sản xuất tự động PLC giảm sức lao động của công nhân nhưng đạt hiệu quả cao đáp ứng kịp thời nhu cầu cuộc sống. Trong đề tài này, chúng ta cùng thảo luận về các hệ thống điều khiển được thiết kế với cơ sở là các hệ thống này sẽ có thể điều khiển mực nước theo mong muốn

Bộ điều khiển có trong hệ thống tạo ra tín hiệu điều khiển được chuyển đổi thành tín hiệu mong muốn bởi bộ truyền động và được đưa đến nhà máy để thực hiện hành động mong muốn.

Hoạt động vịng kín của hệ thống điều khiển cho phép tín hiệu phản hồi được so sánh với đầu vào tham chiếu do đó cung cấp hành động được kiểm soát. Nguyên tắc hoạt động này được sử dụng bởi hệ thống mức chất lỏng.

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

Cùng với sự phát triển của xã hội, mức sống của con người được nâng cao thì những công việc thay thế công việc bằng các thiết bị tự động cũng được nhiều người đón nhận trong cơng việc cũng như trong q trình làm việc. chương trình hoạt động.

Cơng nghệ giám sát và mức độ kiểm tra chất lượng cũng được nhiều công ty, xí nghiệp cũng như nhà máy áp dụng với nhiều mục đích thay thế cơng việc giám sát và kiểm tra chất lượng bằng phương pháp thủ cơng, cơng nghệ tự động. Kiểm sốt bảo vệ giám sát chất lượng tích cực, kiểm sốt chất lượng sử dụng. Bơm và xả chất lượng đáng tin cậy mà không cần kiểm tra trực tiếp của con người. Công nghệ này được ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải, lọc dầu, nhà máy nước, nhà máy nhiệt, truyền tải điện, phát điện, bể chứa nước, bể chứa nước tự động. Từ những vấn đề trên đặt ra câu hỏi nên sử dụng phương pháp nào để giám sát và kiểm soát chất lượng một cách hợp lý nhất về chi phí, độ tin cậy, tính linh hoạt, dễ vận hành và dễ sử dụng.

Sau khi đã xác định đối tượng, chủ đề nghiên cứu và giới hạn phạm vi Nghiên cứu, xác định mục tiêu là khâu quan trọng, việc liệt kê tiếp tục định hướng đúng hướng cho văn bản thực hiện quy chế. Các mục công cụ như sau:

• Học cách đo mực nước • Tìm hiểu về PLC S7 – 1500 • Tìm hiểu đầu vào và đầu ra tương tự • Tìm hiểu giao thức máy tính kết nối với PLC

• Thiết kế giao diện Wincc đo lường và giám sát bể chứa nước

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

- Vẽ sơ đồ khối - Vẽ sơ đồ nối dây - Tìm hiểu về linh kiện - Cài đặt thông số biến tần

- Phịng mơ hình trên TiA portal V16 - So sánh kết quả và kết luận

<b>1.4 Ưu điểm và nhược điểm của đề tài này</b>

Bộ điều khiển mực nước là thiết bị quản lý mực nước trên nhiều hệ thống như bể chứa nước, máy bơm và bể bơi. Chức năng cơ bản của bộ điều khiển mực nước là điều chỉnh lưu lượng nước và tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống. Các thiết bị này của hệ thống có một số ưu điểm và nhược điểm.

Sử dụng bộ điều khiển mực nước giúp tiết kiệm điện năng. Điều này là do mực nước được điều khiển tự động, hạn chế lượng điện sử dụng. Kết quả là, ít nước và năng lượng hơn được sử dụng để điều chỉnh nguồn cung cấp nước. Trong thời đại mà việc tiết kiệm năng lượng là vô cùng quan trọng, việc sử dụng một trong những thiết bị này là rất có lợi.

Vì bộ điều khiển mực nước tiết kiệm điện nên nó cũng tiết kiệm tiền. Về cơ bản, việc điều tiết nước được tối ưu hóa thơng qua các thiết bị này,

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

đồng nghĩa với việc lãng phí điện và nước thải được giữ ở mức tối thiểu. Điều đó tiết kiệm một số tiền đáng kể theo thời gian.

Một lợi thế lớn khác là các thiết bị này có thể tự hoạt động. Nhờ các công tắc hẹn giờ, không cần vận hành chúng theo cách thủ cơng. Điều này có nghĩa là sự thất vọng liên quan đến việc giám sát một thứ gì đó như bể chứa nước được giảm thiểu và mực nước sẽ ở mức cần thiết.

Ngồi ra, việc sử dụng nước có thể được tối đa hóa với bộ điều khiển mực nước. Thông thường, máy bơm nước được sử dụng nhiều hơn vào giữa ngày. Bộ điều khiển mực nước rất hữu ích vì nó tự động cung cấp nhiều nước hơn vào giữa ngày và ít nước hơn vào ban đêm. Kết quả là, nước luôn ở mức thích hợp.

• Kết cấu module gọn gàng, dễ dàng thay thế và lắp đặt. • Phần cứng dễ bảo trì và sửa chữa.

• Khả năng chống nhiễu tốt trong mơi trường cơng nghiệp.

• Chương trình lập trình linh hoạt, tốc độ điều khiển nhanh, độ chính xác cao.

<b><small>+ NHƯỢC ĐIỂM :</small></b>

•Bộ phận kiểm sốt mực nước cần được thay thế 3 năm một lần. • Điện tử thường được chế tạo riêng

• Cài đặt khó khăn hơn

• Đa số cơng tắc phao và cảm biến đã lỗi thời

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

• Khơng có đèn báo LED

• Khơng có Bảo hành hoặc Đảm bảo

• Giá thành cao, đặc biệt đối với một số dòng sản phẩm đến từ Châu Âu.

• u cầu người sử dụng phải có kiến thức chuyên môn.

Trên thực tế, hệ thống kiểm soát mực nước được sử dụng để kiểm soát mực nước đầu vào và đầu ra để tránh lãng phí nước và tiết kiệm tài ngun. Ngồi ra, hệ thống sẽ cung cấp lượng nước cần thiết, đáp ứng nhu cầu sinh hoạt của con người, kể cả trong công nghiệp, nhà máy...

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

<b>CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ</b>

<b>2.1Giới thiệu các nghiên cứu và đề xuất liên quan đến dự án</b>

Hệ thống kiểm soát mức chất lỏng là một hệ thống được thiết kế đặc biệt để kiểm soát mức chất lỏng trong bể chứa. Mục đích chính của các hệ thống này là kiểm soát tốc độ máy bơm cung cấp chất lỏng cho bể và để nó có thể đạt đến mức mong muốn bên trong bể.

Mục đích của hệ thống mức chất lỏng là duy trì một mức chất lỏng cụ thể bên trong bể. Các hệ thống kiểm sốt mức chất lỏng tìm thấy các ứng dụng chính trong các quy trình cơng nghiệp.

Đề tài được xác định chi tiết về các tham số, cài đặt, điều chỉnh và (các) phương pháp được sử dụng để kiểm soát mực nước mong muốn. Các thiết bị và kỹ thuật vật lý trong việc tạo điều kiện cho các cảm biến cần thiết và cần thiết cho hệ thống nhằm mục đích duy nhất là kiểm sốt mực nước trong bể với thiết kế hệ thống kiểm sốt mực nước quy mơ thực.

Một số thiếu hụt:

• Mơ hình chưa được xây dựng trên thực tế • Q trình thiết kế và thi cơng cịn nhiều bất cập

Cần cải thiện:

• Bảo trì, bảo dưỡng hệ thống, bể chứa nước, đường ống định kỳ • Trang bị hệ thống an tồn thơng minh

Đạt được :

• Thực hiện nghiêm túc trong lắp đặt và sửa chữa • Tuân thủ yêu cầu hệ thống

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

• Kiểm tra, bảo dưỡng hệ thống, cảm biến định kỳ

Chức năng của từng khối

• Khối PLC: trung tâm xử lý, điều khiển và lập trình cho tồn hệ thống. • Khối biến tần (inverter): Giới hạn dòng nhanh, Điều khiển thời gian, Chuyển mạch đa động cơ, chuyển đổi điện xoay chiều sang tần số khác linh hoạt cho mọi thiết bị.

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

• Khối động cơ (PUMP): thực hiện chức năng hút và bơm nước vào bình chứa dựa vào tần số do khối biến tần cung cấp.

• Khối cảm biến: thực hiện chức năng theo dõi mực nước, sau đó gửi tín hiệu vào cho CPU(PLC).

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

<b>2.3 Các thiết bị sử dụng trong hệ thống2.3.2 AI </b>

(S7 1200 - AI 4x16 bit RTD 6ES7231-5PD30-0XB0 ) Giới thiệu :

Là module mở rộng tín hiệu analog đầu vào cho PLC S7-1200 do SIEMENS sản xuất và phát triển dưới thương hiệu SIMATIC thuộc họ S7-1200. SIMATIC S7-1200 AI 4x16 bit RTD 6ES7231-5PD30-0XB0 Mô-đun mở rộng 4 đầu vào tương tự

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

(S7-1200 CPU 1211C (6ES7211 – 1AE40 – 0XB0)) • Giới thiệu :

Bộ điều khiển lập trình CPU được xem như trái tim của hệ thống SIMATIC S7-1200. Họ thực hiện lập trình người dùng và kết nối với các

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

• Bộ nhớ làm việc của chương trình lên tới 1Mbyte 5MByte dành cho dữ liệu. Tốc độ xử lý: 0.125us

• Hiệu suất bit: 16NS • Trọng lượng tịnh (kg): 180g • Kích thước: 45x100x75 mm • Xuất xứ: Đức

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

<b>2.3.5 Biến tần (SINAMICS V20 Inverter)</b>

• Giới thiệu :

Biến tần là một thiết bị hoặc mạch điện tử được sử dụng để chuyển đổi dòng điện một chiều (DC) thành dòng điện xoay chiều (AC).

P0003 = 2 (Mức quyền truy cập cho ổ đĩa) P0010 = 1 (Cài đặt nhanh biến tần) P0100 = 0 (Chọn tần số 50Hz)

- Cài đặt cấu hình động cơ (Dựa trên bảng dữ liệu động cơ) P0304 = 400V (Điện áp làm việc của động cơ) P0305 = 4.65A (Dòng điện làm việc của động cơ) P0307 = 2.2kW (Công suất làm việc của động cơ) P0308 = 0,81 (Hệ số công suất động cơ)

P0309 = 84,3% (Hiệu suất động cơ) P0310 = 50Hz (Tần số động cơ)

P0311 =1455 rpm (Tốc độ quay của động cơ) P0640 =150% (Chỉ số quá tải động cơ) - Cấu hình cho Module PLC

P0700 = 2 (Chọn nguồn lệnh điều khiển là Module AI, AO, DO)

P0701 = 1 (Cấu hình chân DI1 là Bật/Tắt)

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

P0702 = 2 (Cấu hình chân DI2 thành Bật/Tắt đảo ngược) P1000 = 7 (Chọn tần số động cơ theo ngõ vào Analog) P1080 = 0Hz (Tần số nhỏ nhất của biến tần)

P1082 – 50Hz (Tần số tối đa của biến tần) - Thơng số kỹ thuật:

• Cơng suất biến tần V20: từ 0.12 kW ➡ 22 kW

• Điện áp biến tần V20: 1 pha x 200V (-10%) ➡ 240V (+10%) 3 pha x 380V (-15%) ➡ 480V (+10%)

• Dải điều chỉnh biến tần: 0 Hz ➡ 599 Hz • Chế độ điều khiển: V/f, V2/f

• Tần số điều chế: 4 kHz ➡ 16 kHz • Điều khiển đảo chiều: PID

• Khả năng giao diện: USS, Modbus RTU • Cổng kết nối: Sd Card, Usb, BOP-2, IOP

• Phần mềm: cài đặt thông số và báo lỗi Sơ đồ chân kết nối:

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

<b>2.3.6 Bơm nước tăng áp </b> Lõi động cơ: Dây đồng

Nhiệt độ chất lỏng được bơm 90 độ C Chuẩn chống nước: IP55

Điện áp nguồn 380V/50Hz. Trọng lượng: 148kg.

Nơi sản xuất: ITALYA

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

Cảm biến siêu âm ULM-53 là một thiết bị đo nhỏ gọn. Bên trong cảm biến sẽ có một máy phát siêu âm và một mơ-đun điện tử. Máy phát có nhiệm vụ truyền sóng siêu âm về phía trước. Khi gặp vật cản, sóng siêu âm sẽ quay trở lại và được cảm biến tiếp nhận. Sau đó, mơ-đun điện tử sẽ tính tốn thời gian kể từ khi sóng được phát ra và phản hồi lại, đồng thời chuyển đổi nó thành tín hiệu tương tự 4-20 mA hoặc 0-10 V có thể đọc được từ các thiết bị điều khiển.

Thông số kỹ thuật cảm biến siêu âm ULM-53 . Nguồn điện: 18-36 Vdc

Dải đo: từ 0.2 m đến 20 m (tùy loại) Tín hiệu đầu ra: 4-20 mA, 0-10 V Giao diện truyền thông: Modbus RTU Độ phân giải: <1mm

Độ chính xác: 0,15% đến 0,3% (tùy loại) Thời gian đo: 0,5 đến 5 giây (tùy loại) Trọng lượng: 0.2kg đến 2.8kg (tùy loại)

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

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

<b>2.4 Phần mềm Tia Portal V16</b>

Giới thiệu :

Phần mềm TIA Portal V16 là phần mềm lập trình được biết đến và sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới cho tự động hóa cơng nghiệp. Phần mềm TIA Portal V16 (Tia Portal) gây ấn tượng với kỹ thuật sáng tạo dành cho các bộ điều khiển SIMATIC mới và đã được chứng minh.

<b>Sơ đồ khối của hệ thống</b>

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

<b>Sơ đồ kết nối thiết bị</b>

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

<b>CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG</b>

<b>Yêu cầu của hệ thống</b>

• Biến tần có thể điều khiển tốc độ động cơ

• Máy bơm có thể thực hiện chức năng bơm, dừng, tăng giảm tốc độ nước khi nhấn các nút ON/OFF/CAO/TRUNG BÌNH/THẤP. • Biến tần có thể giao tiếp với PLC.

• Biến tần tăng giảm tần số.

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

<b>CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ</b>

<b>4.1Kết quả đạt được trong thiết kế phần cứng</b>

Level meter: cảm biến đo mực nước Fill valve: van bơm nước

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

Discharge valve: van xả nước

Flow meter: cảm biến lưu lượng(dùng để nhận biết dòng nước xả ra mạnh hay yếu

Ba nút nhấn: Start, Stop, Reset

Setpoint: có thể xoay nút điều chỉnh thay đổi lượng nước từ giá trị Min đến Max (0-300cm)

Màn hình SP(Setpoint Display): hiển thị giá trị SP Màn hình PV: hiển thị giá trị PV

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

<b>4.2 Kết quả đạt được trong thiết kế phần mềm</b>

Tạo khối FC(Funtion): Analog Input để chạy cảm biến từ Analog. Tạo 2 bộ đếm Norm X và Scale

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

Đếm giá trị “Setpoint”, khi xả nước vào bồn màn hình PV sẽ hiển thị giá trị thể hiện mực nước trong bồn cao bao nhiêu trong khoảng 0-300cm

Khi chúng ta xả van (Discharge) thì cảm biến Flow Meter sẽ đo mức độ của dòng nước xả ra

Dùng 1 tiếp điểm thường mở “TG”. Khi nhấn nút “Start” thì đèn sẽ sáng “Start Light”

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

Khi nhấn “Stop” thì đèn “Stop Light” sẽ sáng

Bộ tính tốn dùng để tính giá trị Max, Min, Middle để hiển thị ra màn hình mong muốn. Cơng thức: lấy “giá trị hiện tại” chia “giá trị cài đặt” nhân 100

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

Hiển thị giá trị Max nếu nằm trong điều kiện

Hiển thị giá trị nằm giữa nếu nằm trong điều kiện

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

Hiển thị giá trị Min nếu nằm trong điều kiện

<b>4.3 Kết quả đạt được về hoạt động của hệ thống</b>

Thuận lợi:

· Hệ thống chạy theo yêu cầu. · Đặt tần số

· Kiểm soát giá trị mong muốn · Máy chạy êm.

Khó khăn:

· Tốc độ của động cơ vẫn chưa được biết. · Hệ thống ở mức mô phỏng chưa thực tế

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

<b>CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN</b>

Đề tài này được gọi là điều khiển mực nước sử dụng bộ điều khiển PID. Bộ điều khiển PID được sử dụng và ứng dụng vào hệ thống đo và điều khiển mực nước trong bể tự động

Điều Khiển Mực Nước Bằng Bộ Điều Khiển PID là một thiết kế hệ thống đo mức tự động thông minh sử dụng bộ điều khiển PID. Hệ thống sẽ cho phép người dùng đo lường và cài đặt mức nước mong muốn bằng bộ điều khiển PID kiểm sốt q trình nước chảy vào bể. Hệ thống sẽ được kết nối với một van điều khiển và cảm biến mức cho phần điều khiển.

Hệ thống có thể hiển thị xu hướng nước chảy vào bể và phản hồi của các phép đo. Bộ điều khiển PID có khả năng kiểm soát xu hướng và các phản ứng cụ thể để nước chuyển tiếp suôn sẻ đạt đến điểm mức mong muốn với các tham số điều chỉnh và thuật toán được nhập bởi người xử lý (con người) cùng với các khía cạnh an tồn được giám sát bởi bộ điều khiển PID, đặc biệt là trong môi trường nguy hiểm

thực vật.

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