MỤC LỤC

MỤC LỤC.. 1

MỞ ĐẦU.. 2

1. ĐẶT VẤN ĐỀ. 1

2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỒ ÁN.. 2

3. Ý NGHĨA CỦA ĐỒ ÁN.. 2

4. NỘI DUNG CỦA ĐỒ ÁN.. 2

5. PHẠM VI NGHIÊN CỨU.. 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN MỨC.. 4

1.1 Giới thiệu bài toán điều khiển mức. 4

1.2 Các phương pháp đo mức chất lỏng. 4

1.2.1 Phương pháp thủy tĩnh. 5

1.2.2 Phương pháp điện. 7

1.2.3 Phương pháp bức xạ. 8

1.3 Một số loại cảm biến đo mức chất lỏng. 11

1.3.1 Cảm biến tiệm cận điện dung. 12

1.3.2 Cảm biến siêu âm.. 14

1.3.3 Cảm biến mức phao điện từ. 17

1.3.4 Đo mức sử dụng cảm biến áp suất 18

1.4 Vai trò của bài toán điều khiển mức chất lỏng trong thực tế vào đào tạo  19

1.4.1 Vai trò trong công nghiệp. 19

1.4.2 Vai trò trong đào tạo. 20

CHƯƠNG 2: KHAI THÁC BỆ THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN MỨC.. 22

2.1 Giới thiệu bệ thí nghiệm.. 22

2.2 Sơ đồ khối bệ thí nghiệm.. 23

2.3 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển. 24

2.4 Cấu tạo, chức năng, nguyên lý làm việc của các thiết bị 25

2.4.1 Cảm biến. 25

2.4.1.1 Cảm biến áp suất kiểu 8323. 25

2.4.1.2 Cảm biến áp suất VEGABAR 14. 27

2.4.1.3 Cảm biến lưu lượng kiểu 8011. 29

2.4.1.4 Cảm biến nhiệt độ. 33

2.4.2 Thiết bị chấp hành. 37

2.4.2.1 Van điện từ 253. 37

2.4.2.2 Van điều khiển tỷ lệ kiểu 6024. 39

2.4.2.3 Bộ điều khiển van tỷ lệ kiểu 8605. 41

2.4.2.4 Bộ hiển thị và điều khiển nhiệt độ kiểu 8400. 43

2.4.2.5 Bộ hiển thị và điều khiển lưu lượng. 49

2.4.2.6 Bơm DC Ecoric D5 Vario. 58

2.5 Bộ điều khiển nguồn SITOP POWER của Siemens. 61

2.6 Thành phần, chức năng của các thiết bị điều khiển. 62

2.7 Giới thiệu phần mềm WinCC và Simantics Step7. 70

2.7.1 Tổng quan về  PLC S7- 300. 70

2.7.2 Cấu trúc và chức năng của PLC S7-300. 71

2.7.3 Phần mềm Simantics Step7. 74

2.7.4 Phần mềm WinCC Flexible 2008. 80

2.8 Kết luận chương. 82

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN...83

3.1 Cấu trúc của hệ thống điều khiển mức. 83

3.1.1 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển mức chất lỏng. 83

3.1.2 Sơ đồ điều khiển của hệ thống điều khiển mức chất lỏng. 85

3.1.3 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển mức. 86

3.2 Mô hình hóa và thuật toán điều khiển mức. 87

3.2.1 Mô hình hóa hệ thống điều khiển mức. 87

3.2.2 Giới thiệu thuật toán PID.. 89

3.2.3 Giới thiệu chung về thuật toán điều khiển PID mềm FB41. 93

3.3 Mô phỏng hệ thống trên Matlab Simulink. 99

3.3.1 Mô hình hóa bộ điều khiển PID.. 99

3.3.2 Mô hình hóa đối tượng điều khiển mức chất lỏng. 100

3.3.3 Mô hình hóa thiết bị chấp hành van tỷ lệ V520. 100

3.3.4 Mô hình hóa hệ thống điều khiển mức chất lỏng. 101

3.3.5 Mô phỏng hệ thống điều khiển trên Matlab Simulink. 101

3.4 Xây dựng phần mềm giao diện điều khiển trên WinCC.. 102

3.5 Xây dựng chương trình điều khiển trên PLC S7300. 105

3.5.1 Xây dựng cấu trúc chương trình điều khiển. 105

3.5.2 Lưu đồ thuật toán của các khối 106

3.6 Kết luận chương. 115

CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ.. 116

4.1 Xây dựng chương trình điều khiển trên PLC S7300. 116

4.1.1 Cấu hình phần cứng cho bộ điều khiển. 116

4.1.2 Thiết lập các khối chương trình. 116

4.1.3 Xây dựng bảng Symbols. 117

4.1.4 Xây dựng khối dữ liệu DB.. 117

4.1.5 Viết chương trình cho các khối 118

4.2 Thiết kế giao diện điều khiển trên WinCC flexible. 118

4.2.1 Thiết lập kết nối giữa WinCC flexible với PLC S7300. 118

4.2.2 Khái báo biến TAG cho các đối tượng. 118

4.2.3 Thiết kế giao diện điều khiển. 119

4.3 Vận hành hệ thống thực tế. 119

4.4 Đánh giá thực nghiệm.. 120

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 122

1. Kết luận. 122

2. Kiến nghị 122

PHỤ LỤC.. 124

1. Bản vẽ sơ đồ khối, sơ đồ khối điều khiển và sơ đồ nguyên lý của bệ thí nghiệm lưu lượng, áp suất, mức. 124

2. Chương trình điều khiển mức chất lỏng trên PLC S7300. 124

TÀI LIỆU THAM KHẢO.. 125

MỞ ĐẦU

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay thế giới đang sống trong môi trường ứng dụng và phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật.Trong mọi lĩnh vực của đời sống chúng ta đều nhận thấy sự hiện diện của những ứng dụng khoa học kỹ thuật.Việc ứng dụng, phát triển khoa học kỹ thuật đã mang lại nhiều lợi ích thiết thựcphục vụ cho những nhu cầu và sự đổi mới cho cuộc sống của chúng ta. Cụ thể là trong lĩnh vực điều khiển tự động nói chung và cơ điện tử nói riêng, ngày càng được mở rộng nghiên cứu và ứng dụng nhiều trong thực tế.

Điều khiển mức chất lỏng trong các thiết bị chứa đựng là quá trình phổ biến trong đời sống và công nghiệp. Như trong quá trình xử lý nước thải, thực phẩm, chế biến thủy hải sản, nông nghiệp, lọc hóa dầu,…Trong quá trình vận hành mức chất lỏng cần được điều khiển và giám sát chặt chẽ. Qúa trình điều khiển và giám sát mức chất lỏng một cách chính xác là rất quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng hệ thống và sản phẩm đầu ra, đảm bảo tính kinh tế cũng như yêu cầu kỹ thuật của hệ thống.

Theo nhận định trên nhóm thực hiện đồ án tốt nghiệp: Phạm Văn Quang CĐT11, Phạm Tiến Thắng CĐT11-chuyên ngành Cơ Điện Tử - ngành Kỹ Thuật Cơ Điện Tử - Khoa Hàng Không Vũ Trụ - HV Kỹ Thuật Quân Sự dưới sự hướng dẫn của thầy TS. Hoàng Quang Chính - Bộ môn Robot đặc biệt & CĐT-Khoa Hàng Không Vũ Trụ - HV Kỹ Thuật Quân Sự đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu, xây dựng hệ điều khiển mức chất lỏng với WinCC và PLC S7-300”.

3. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỒ ÁN

- Nghiên cứu, xây dựng hệ thống điều khiển mức chất lỏng với WinCC và PLC S7-300.

- Tìm hiểu và khai thác sử dụng các thiết bị thực tế trong hệ thống điều khiển mức chất lỏng thông qua bệ thí nghiệm điều khiển mức.

4. NỘI DUNG CỦA ĐỒ ÁN

Bố cục của đồ án có những nội dung sau:

- Chương 1: Tổng quan về bài toán điều kiển mức

Chương này trình bày về tổng quan bài toán điều khiển mức, vai trò của bài toán điều khiển mức trong thực tế vào đào tạo.

- Chương 2: Khai thác bệ thí nghiệm điều khiển mức

Chương này trình bày về sơ đồ khối tổng thể bệ thí nghiệm điều khiển mức, sơ đồ nguyên lý của bệ thí nghiệm, tìm hiểu về các phần tử trong hệ thống, giới thiệu về phần mềm WinCC và phần mềm Simantics Step 7.

- Chương 3: Xây dựng thuật toán và chương trình điều khiển

Chương 3 trình bày về cấu trúc hệ thống điều khiển mức, mô hình hóa hệ thống, thuật toán điều khiển mức, xây dựng phần mềm giao diện điều khiển trên WinCC, xây dựng phần mềm trên PLC.

- Chương 4: Thực nghiệm và đánh giá

5. PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Khai thác và vận hành các thiết bị trong hệ thống điều khiển mức

- Xây dựng thuật toán điều khiển mức

- Xây dựng phần mềm giao diện điều khiển trên WinCC

- Xây dựng phần mềm trên PLC S7300

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN MỨC

1.1 Giới thiệu bài toán điều khiển mức

  Bài toán điều khiển mức được ứng dụng có thể đo mức của các loại vật liệu như: chất rắn, chất lỏng, chất sệt, mặt cách ly,...Trong đó yêu cầu về điều khiển mức chất lỏng ứng dụng nhiều trong thực tế:

- Sản xuất nông nghiệp: kiểm soát mức nước cho thủy điện, hệ thống cấp thoát nước phục vụ trồng cấy, điều khiển mực nước trong các bể, hồ nuôi trồng thủy hải sản, các công ty chế biến thủy hải sản.

- Trong công nghiệp: sản xuất rượu bia, các loại chất lỏng đóng chai, xác định mức chất lỏng trong các bình chứa, bồn, tháp trong công nghiệp dệt may, xử lý nước thải, phát điện, nồi hơi.

1.2 Các phương pháp đo mức chất lỏng

 Nguyên lý đo mức dưới đây chúng ta coi độ đậm đặc của khí ở khoảng trống trong bình là không đáng kể so với độ đậm đặc của chất lưu cần đo. Ngoài ra, cũng coi chất lưu cần đo trong bình chứa chỉ là một loại duy nhất, bất biến. Trong thực tế có nhiều phương pháp được áp dụng để đo mức chất lỏng. Tùy thuộc vào yêu cầu thực tế của bài toán và tính chất cơ lý hóa của chất lỏng cần đo để lựa chọn phương pháp đo và các thiết bị đo phù hợp.

1.3 Một số loại cảm biến đo mức chất lỏng

Cảm biến là thiết bị dùng để đo, đếm, cảm nhận…các đại lương vật lý không điện thành các tín hiệu điện, tín hiệu của cảm biến sẽ được hồi tiếp thường xuyên về hệ thống điều khiển, kiểu đo có thể là liên tục hoặc điểm. Dưới đây là một số loại cảm biến được dùng phổ biến trong điều khiển mức chất lỏng và công nghiệp.

1.3.1 Cảm biến tiệm cận điện dung

Bề mặt cảm biến điện dung có cấu tạo bởi ba vòng kim loại đồng tâm. Hai vòng tròn kim loại ở trong cùng là hai điện cực tạo thành tụ điện, vòng tròn thứ ba ngoài cùng gọi là điện cực bù. Điện cực bù có tác dụng làm giảm độ nhạy của cảm biến đối với bụi bẩn, dầu mỡ…giúp cho cảm biến hoạt động tốt hơn.

1.3.3 Cảm biến mức phao điện từ

Một thiết bị đo mức rất thông dụng trong công nghiệp là phao điện từ. Phao điện từ có thể đo mức liên tục hoặc điểm. Dưới đây sẽ trình bày về phao điện từ đo mức liên tục ứng dụng nhiều trong thực tế.

Cảm biến báo mức chất lỏng kiểu phao từ được cấu tạo bởi phao từ báo mức và ống dẫn hướng cảm biến. Phao từ sẽ dao động lên xuống theo mức chất lỏng trong bồn/ket…, trong ống dẫn hướng cảm biến sẽ được đặt các dải điện trở, khi phao từ lên hoặc xuống, nam châm vĩnh cửu trong phao từ sẽ làm điện trở thay đổi, từ điện trở này qua thang đo tỷ lệ sẽ cho biết mức chất lỏng hiện tại đo được. 

1.3.4 Đo mức sử dụng cảm biến áp suất

Do khối lượng, cột chất lỏng sẽ tạo ra một áp suất tại đáy bồn. Khi mức chất lỏng càng cao thì áp suất tạo ra bởi cột chất lỏng này càng cao. Ví dụ cột chất lỏng có chiều cao là h, khối lượng riêng chất lỏng là ρ, gia tốc trọng trường là g thì áp suất tạo bởi cột chất lỏng này là p = ρ.g.h. Do đó, nếu chúng ta biết áp suất gây ra bởi cột chất lỏng và tỷ trọng chất lỏng, chúng ta có thể tính được chiều cao của cột chất lỏng. 

Áp suất tại đáy bồn tác động lên phần tử đo bằng các phương tiện (màng ceramic, metallic  hay dầu thủy lực) mà không gây tổn hao áp suất.

Giá trị áp suất chênh lệch sẽ được tính toán, xử lý, chuẩn hóa thành giá trị đo mức và gửi ra hiển thị trên đồng hồ đo hay gửi về bộ điều khiển.

1.5 Kết luận chương

Bài toán điều khiển mức chất lỏng đã và đang được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của công ngiệp cũng như đời sống thực tế. Nội dung chương 1 đã nêu ra được nhu cầu và vai trò của bài toán điều khiển mức trong thực tế và đào tạo. Chương 1 cũng đã giới thiệu tới các phương pháp và nguyên lý đo mức chất lỏng đang được vậndụng trong thực tế.Kèm theo đó là nguyên lý hoạt động của các thiết bị cảm biến dùngđể đo mức chất lỏng được sử dụng phổ biến trong công nghiệp. Cụ thể và chi tiết hơn về các thiết bị sẽ được trình bày trong nội dung chương 2.

CHƯƠNG 2: KHAI THÁC BỆ THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN MỨC

2.1 Giới thiệu bệ thí nghiệm

Bệ thí nghiệm mức, lưu lượng, áp suất được thiết kế bởi hãng Burkert, là một công ty hàng đầu trên thế giới chuyên tư vấn, sản xuất, phát triển, cải tiến các hệ thống trong lĩnh vực kiểm soát chất lỏng, chất khí. Bài toán điều khiển mức nhóm đồ án khai thác ở đây là một trong ba chức năng của bệ thí nghiệm trên. 

2.3 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển

Bệ thí nghiệm điều khiển mức, lưu lượng, áp suất xây dựng bộ điều khiển bằng thuật toán PID, sử dụng thiết bị điều khiển logic khả trình PLC và được mô phỏng trực quan, giám sát trên phần mềm WinCC Flexible. 

- Khối đầu vào số: cảm biến mức phao điện từ (LIS 500, LIS 510, LIS 520, LIS 530), cảm biến mức điện dung (LIS 501, LIS 502), nút bấm.

- Khối đầu vào tương tự: cảm biến lưu lượng FIC 510, cảm biến nhiệt độ TIC 510, cảm biến áp suất (LIC 510, PIC 510).

- Khối đầu ra số: điều khiển bật tắt bơm, đèn báo, van điện từ (V540-2, V540-3), thiết bị điều khiển động cơ Logo.

- Khối đầu ra tương tự: van điều khiển tỷ lệ (V520, V530, V550).

2.4 Cấu tạo, chức năng, nguyên lý làm việc của các thiết bị

2.4.1 Cảm biến

1.1.1.1 Cảm biến áp suất kiểu 8323

Cảm biến áp suất kiểu 8323 (Pressure Transmitter) do hãng Burkert sản xuất được sử dụng phổ biến trong công nghiệp đặc biệt trong lĩnh vực đo áp suất. Cảm biến có độ chính xác cao, thiết kế nhỏ gọn, kết cấu chắc chắn và lắp ghép linh hoạt phù hợp với các chức năng đo khác nhau, bộ phận tiếp xúc với vật liệu đo và vỏ làm bằng thép không rỉ. Cảm biếnđược đặt tại đáy bình B501 thực hiện chức năng đo áp suất mức chất lỏng chuyển đổi áp suất từ 0 - 0.1bar thành tín hiệu điện 4-20mA.

2.4.1.3 Cảm biến lưu lượng kiểu 8011

Cảm biến lưu lượng kiểu 8011 của hãng Burker là loại cảm biến lưu lượng đo dòng chất lỏng chảy liên tục, sử dụng nguyên lý đo từ trường, đầu ra là tín hiệu xung.

Cảm biến được thiết kế để sử dụng trong các hệ thống lưu lượng quy mô nhỏ, trung bình và lớn. Cảm biến được chế tạo cấu thành từ một mô dung điện tử SE11 lắp gép với một đường ống dẫn loại S012 bằng đinh vít. Hệ thống đường ống trong bệ thí nghiệm được thiết kế phù hợp, đảm bảo việc lắp đặt cảm biến lưu lượng 8011 lên thành đường ống DN loại từ 06 đến 65 một cách đơn giản.Hơn thế nữa, cảm biến 8011 cũng có thể cài đặt trong các hệ thống chứa các bình chất lỏng lớn.

- Nhiệt độ cho phép trong ống dẫn PVC từ 0 đến60⁰C, ống dẫn PP từ 0 đến80⁰C, ống dẫn đồng hoặc PVDF từ -15 đến100⁰C.

- Độ chính xác của cảm biến với hệ số chuẩn K.

- Nguồn điện áp cung cấp: đối với một xung đầu vào(4.5 – 24VDC); đối với hai xung đầu vào(6 – 36VDC).

- Dòng điện tiêu thụ < 5mA (không có tải)

- Bảo vệ điện áp cao, bảo vệ dòng ngắn mạch, bảo vệ đảo cực nguồn một chiều.

2.4.2 Thiết bị chấp hành

2.4.2.1 Van điện từ253

Van lưu lương trong các hệ thống lưu lượng có chức năng điều khiển dòng năng lượng bằng cách đóng mở hay chuyển đổi vị trí để thay đồi dòng chảy của chất lỏng.

Riêng đối với hệ thống điều khiển lưu lượng van điện từ là loại đơn giản nhất.Nó được sử dụng để điều khiển xi lanh,và được điều khiển bằng các bộ điều khiển logic khả trình PLC.Ngày nay,van điện từ cùng với các loại PLC và các phần tử khác, như nút ấn,công tắc hạn chế hành trình được sử dụng phổ biến để điều khiển các xi lanh thủy lực trong các nhà máy  xí nghiệp tự động hóa lưu lượng hoặc dòng chất lỏng.

2.4.2.2  Bộ điều khiển van tỷ lệ kiểu 8605

Bộ điều khiển kỹ thuật số 8605 hoạt động để vận hành các van điều khiển solenoid tỷ lệ trong phạm vi công suất từ ​​40-2000 mA.

Bộ điều khiển sẽ nhận tín hiệu điều khiển chuẩn từ bên ngoài (4 -20mA, 0- 20mA, 0 - 5V DC hoặc 0 – 10V DC) để tạo ra tín hiệu PWM điều khiển hoạt động của các van điều khiển solenoid tỷ lệ như 6024.

2.4.2.5 Bộ hiển thị và điều khiển lưu lượng

a. Giới thiệu chung và các đặc tính kỹ thuật của bộ hiển thị và điều khiển lưu lượng 8623-2

Bộ điều khiển lưu lượng kiểu 8623-2 được thiết kế trước hết dùng trong ghép nối giữa van điều khiển tỷ lệ và cảm biến lưu lượng với cùng tần số đầu ra, đảm bảo cho tốc độ dòng chảy không đổi trong hệ thống lưu lượng hoặc giữ đúng điểm đặt trong suốt quá trình hoạt động.

* Các chức năng, đặc điểm của bộ điều khiển lưu lượng

- Bộ điều khiển lưu lượng được thiết kế nhỏ gọn, chắc chắn, có khả năng cài đặt trực tiếp trên van điều khiển tủ lệ.

- Có thể được kết hợp với nhiều loại van như: 6022, 6023, 6024…

- Điều khiển trực tiếp tín hiệu đầu ra đến van điều khiển tỷ lệ bởi tín hiệu băng xung PWM, giảm tới mức thấp nhất hiện tượng trễ và tối ưu hóa đặc tính điều khiển.

* Các thông số kỹ thuật của bộ điều khiển lưu lượng

- Điện áp hoạt động: 24V DC.

- Công suất tiêu thụ lớn nhất: 0.3W (không gắn với van tỷ lệ).

- Nhiệt độ làm việc: -10 đến + 60⁰C.

- Tín hiệu vào là cảm biến với 2 tần số 2-100Hz ± 1%, dạng sóng hình sin, dạng sóng hình chữ nhật, dạng sóng tam giác.

- Tín hiệu vào dạng chuẩn: dòng điện 4-20mA (trở kháng vào < 200 ohm), điện áp 0-10V (trở kháng vào > 300k ohm), dải tần số 10bit.

- Tín hiệu ra: là dạng tín hiệu băm xung PWM với độ rộng xung điều chỉnh điện áp 24V.

b. Phạm vi ứng dụng của bộ điều khiển lưu lượng 8623 – 2

Hệ thống điều khiển trộn 2 dòng chất lỏng, trong đó điều khiển dòng chất lỏng thứ nhất chảy qua dòng chất lỏng thứ 2.

Trong điều khiển tỷ lệ, dòng chất lỏng trong một ống dẫn chảy sang một ống dẫn thứ 2 tạo ra một tỷ lệ nào đó. Tỷ lệ đó dao động trong khoảng từ 0.00 đến 10.00. Tốc độ hai dòng chất lỏng sẽ được đo bởi hai cảm biến lưu lượng với cùng một tần số đầu ra. Ta có công thức liên hệ như sau:                                              Q₁ = A.Q₂(2.1)

2.4.2.6 Bơm DC Ecoric D5 Vario

a. Giới thiệu chung và đặc điểm của bơm DC Ecoric D5 Vario

Máy bơm Ecoric có 3 kiểu phổ biến đó là kiểu cơ bản,kiểu Vario và kiểu nâng cao.Được sử dụng rộng rãi và đáp ứng yêu cầu về bơm nước vơi nhiều ứng dụng của dòng điện một chiều.Máy bơm Ecoric là loại máy bơm nhỏ, có hiệu suất làm việc cao và hoạt động rất êm.Các trục máy bơm thiết kế vững chắc,với thời gian sử dụng lâu dài.

Máy bơm điện một chiều Ecoric kiểu D5 Vario khởi động cánh quạt trực tiếp bởi dòng điện điện một chiều và thay đổi hướng chuyển động bởi dòng điện đến phần stator.Vì vậy máy bơm có thể hoạt động với mức hiệu suất cao.

b. Các thông số kỹ thuật

Thiết kế động cơ:Động cơ có chuyển mạch điện tử hình cầu với quạt quay rotor làm bằng nam châm vĩnh cửu.

- Điện áp 8-24VDC

- Nhiệt độ môi trường tối đa là 500 độ C

- Dòng điện tiêu thụ:ở điện áp 12V;dòng điện trong dải 0.25-1.9A;ở điện áp 24V;dòng điện trong dải 0.25-1.5A.

- Áp suất lớn nhất của hệ thống bơm là 1Mpa (10Bar) đối với bơm được bảo vệ bằng đồng thau hoặc là (1.5Mpa) cho máy bơm được bảo vệ bằng nhựa dẻo.

d. Điều khiển tốc độ máy bơm

Bơm có thể được điều chỉnh trên một loại các bộ điều khiển tích hợp.Nó có thể sử dụng hoặc dùng để điều chỉnh hiệu suất thủy lực,mong muốn hoặc hạn chế dòng tiêu thụ.Bất kể với những thiết lập nào máy bơm luôn luôn hoạt động bởi một momen xoắn tối đa.Điều này đảm bảo sự khởi động một cách an toàn và ngay cả khi máy bơm ở tốc độ thấp.

2.5 Bộ điều khiển nguồn SITOP POWER của Siemens

a. Mô tả,kết cấu và cảnh báo sử dụng bộ điều khiển SITOP POWER của Siemens

Bộ điều khiển nguồn SITOP POWER của hãng SIEMENS đã mở ra một kỷ nguyên mới cung cấp một chiều.Các ứng dụng của bộ điều khiển nguồn SITOP POWER  trong một thời gian ngắn với chi phí tối thiểu và các giải pháp hợp lý về năng lượng trong phạm vi rộng của ngành công nghiệp.Đối với SITOP POWER  có chức năng thiết kế nguồn cung cấp năng lượng đầu vào cho các mạng các bộ điều khiển PLC của hãng Simatic.Bộ nguồn SITOP POWER cung cấp nguồn điện áp 24V và dòng 5A, 10A tin cậy cho các thiêt bị.

b. Các thông số kỹ thuật

Thông số đầu vào:

- Dải điện áp U_e: xoay chiều 120/230V, tần số 50/60Hz  hoặc một chiều 240V-350V

- Dải điệp áp hoạt động 85V-132V (đối với nguồn xoay chiều), 170V-264V (đối với nguồn một chiều)

- Dòng điện đầu vào I_e tại điện áp 120/230V là 2.4/1.5Arms (đối với nguồn xoay chiều) hoặc 4.8/3.0Arms ( đối với nguồn 1 chiều)

- Dòng điện ngắn mạch nhỏ nhất 6A (đối với nguồn xoay chiều)hoặc nhỏ nhất 10A (đối với nguồn một chiều)

2.7 Giới thiệu phần mềm WinCC và Simantics Step7

2.7.1 Tổng quan về  PLC S7- 300

 PLC S7-300 là thiết bị có thể lập trình được của hãng Simens (Đức) ra đời sau S7-200,có nhiều chức năng và mạnh hơn rất nhiều PLC S7-200.PLC S7-300 được dùng trong các ứng dụng lớn cần nhiều ngõ vào/ra,thời gian đáp ứng nhanh,yêu cầu kết nối mạng và có khả năng mở rộng sau này.PLC S7-300 thuộc dạng đa khối cũng có các module(các module mở rộng về phía tay phải) và gồm các phần sau:

- CPU là các loại khác nhau:312FM,312C,313,313C,314,315-2DP,318-2.

- Module tín hiệu SM xuất nhập tín hiệu tương tự/số:SM 321,SM 322, SM323, SM331, SM332, SM334, SM338, SM374

- Module chức năng FM

- Module truyền thông CP

- Module nguồn PS307 cấp nguồn 24VDC cho các module khác,dòng 2A,5A,10A

2.7.2 Cấu trúc và chức năng của PLC S7-300

* Các khối chức năng

+  Khối tín hiệu (SM:signal module)

- Khối ngõ vào digital:24VDC,120/230VAC

- Khối ngõ ra digital:24VDC

- Khối ngõ vào analog:Áp,dòng,điện trở,thermocouple.

+ Khối giao tiếp (IM):

Khối giao tiếp IM360/I361 dùng để nối nhiều cấu hình.Chúng điều khiển nhiều thanh ghi của hệ thống.

2.7.4 Phần mềm WinCC Flexible 2008

Phần mềm WinCC Flexible 2008(WinCC viết tắt của từ Windows Control Center-hệ thống điều khiển trung tâm,flexible-linh hoạt) là phần mềm chuyên dụng để thiết kế các hệ thống HMI trong tự động hóa công nghiệp của hãng Simens và là công cụ thay thế cho các phần mềm ProTool sẽ không còn phát hành(bản cuối cùng là ProTool 6.0 SP3).

Các chức năng chính của  Win CC Flexible 2008 là:

- Thiết kế và lập trình hệ thống tự động hóa,quá trình điều khiển giám sát quy trình sản xuất.

- Mô phỏng bằng hình ảnh các sự kiện xảy ra trong quá trình hoạt động một cách trực quan giúp hệ thống dễ dàng kiểm tra và sửa chữa.

- Ngoài ra WinCC Flexible 2008 còn cung cấp nhiều chức năng khác như:hiển thị các thông báo hay báo cáo trong quá trình bằng số liệu hay đồ họa,xử lý thông tin đo lường,các bảng ghi báo cáo.

2.8 Kết luận chương

 Nội dung chương 2 là khai thác bệ thí nghiệm điều khiển mức. Trong nội dung này nhóm đã trình bày được sơ đồ khối của bệ thí nghiệm và sơ đồ nguyên lý rất chi tiết và cụ thể. Đặc biệt nhóm cũng đã trình bày chi tiết và cụ thể các trang thiết bị sử dụng trên bệ thí nghiệm như các loại cảm biến: áp suất, nhiệt độ, lưu lượng, các thiết bị chấp hành như van điện từ, van tỷ lệ, bộ điều khiển van tỷ lệ. Giới thiệu về phần mềm WinCC và phần mềm Simantics Step7. Tiếp theo chương 3 nhóm sẽ đi sâu vào việc xây dựng thuật toán và chương trình điều khiển.

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN

3.1 Cấu trúc của hệ thống điều khiển mức

3.1.1 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển mức chất lỏng

Trên cơ sở tìm hiểu, khai thác các trang thiết bị trên bệ thí nghiệm điều khiển mức chất lỏng, áp suất, lưu lượng đã được trình bày trong chương 2 nhóm đồ án đi vào thực hiện bài toán điều khiển mức chất lỏng bằng PLC S7300 và WinCC flexible. 

- B500: Bình chứa chất lỏng 30l

- B501: Bình chứa chất lỏng 12l

- P500 : Bơm chất lỏng 230V AC, công suất 23l/min

-  V51: Van tay

- V520: Van điều khiển tỷ lệ 4 - 20mA

- LIC510: Cảm biến áp suất 0 - 0.1bar đầu ra 4 - 20mA.

3.1.3 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển mức

Hệ thống điều khiển mức nhóm đồ án thực hiện sử dụng bộ điều khiển logic khả trình PLC S7300 kết hợp với WinCC flexible hiển thị và giám sát. Để xây dựng được sơ đồ nguyên lý cho hệ thống điều khiển mức nhóm đồ án xác định các đầu vào/ra của hệ thống như sau.

* Đầu vào:

Nút bấm: Start, Stop, Quit, Automatic, Manual, Emergency

Cảm biến: cảm biến áp suấtLIC 510 ( 0 - 0.1bar đầu ra 4 - 20mA)

* Đầu ra:

Bơm: P500 230V AC, công suất 23l/min

Valve: Van điều khiển tỷ lệ V520 (4 - 20mA)

Đèn: đèn Start, đèn Stop, đèn Quit

3.2 Mô hình hóa và thuật toán điều khiển mức

3.2.1 Mô hình hóa hệ thống điều khiển mức.

Mô hình hóa hệ thống điều khiển mức chất lỏng mô tả toán học mối quan hệ giữa chiều cao mức chất lỏng (h) với lưu lượng đầu vào Q₁và lưu lượng đầu ra Q₂. Lưu lượng đầu vào Q₁được điều khiển bởi van tỷ lệ V520, lưu lượng đầu ra Q₂ đóng vai trò là nhiễu của hệ thống được điều khiển bởi van tay V51.

3.2.3 Giới thiệu chung về thuật toán điều khiển PID mềm FB41

FB41”CON_C” được sử dụng để điều khiển các quá trình kỹ thuật với các biến đầu vào ra tương tự trên cơ sở thiết bị khả trình Simatics.Trong khi thiết lập tham số,có thể tích cực hoặc không tích cực một số thành phần chức năng của bộ điều khiển PID cho phù hợp với đối tượng.

Module mềm PID bao gồm tín hiệu chủ đạo SP-INT, tín hiệu ra của đối tượng PV-IN,các biến trung gian trong quá trình thực hiện luật và thuật điều khiển PID như PVPER-ON,P-SEL,I-SEL,D-SEL,MAN-ON…

· Tín hiệu chủ đạo SP-INT:được nhập dưới dạng dấu phẩy động

Tín hiệu ra của đối tượng có thể nhập dưới dạng số nguyên có dấu hoặc số thực dấu phảy động.Chức năng của CPR-IN  là chuyển đổi kiểu biểu diễn PV-PER từ dạng số nguyên dấu phảy động có giá trị nằm trong khoảng từ -100 đến 100%.

3.3 Mô phỏng hệ thống trên Matlab Simulink

Sử dụng Matlab Simulink mô phỏng quá trình đáp ứng của hệ thống điều khiển mức chất lỏng để thiết kế bộ điều khiển. Cụ thể chúng ta thiết kế bộ điều khiển PID điều khiển mức chất lỏng thông qua đối tượng điều khiển là van tỷ lệ V520 và thiết bị giám sát phản hồi là cảm biến áp suất LIC 510. Trước tiên dựa theo sơ đồ khối điều khiển được trình bày tại mục 3.1.2 trong chương 3 ta tiến hành mô hình hóa các đối tượng trên Matlab Simulink.

Tiến hành mô phỏng hệ thống điều khiển mức chất lỏng trên Matlab Simulink để thiết kế bộ điều khiển PID với việc phân tích đáp ứng của hệ thống và lựa chọn hệ số Kp, Ki, Kd phù hợp. Thực hiện mô phỏng với các thông số của hệ thống.

Hình 3.10.Đáp ứng của hệ thống mô phỏng bằng Matlab Simulink

- Mức đặt mức chất lỏng SP = 0.2 m

- Diện tích đáy bình A = 0.3 m²

- Hằng số thời gian T = 0.3

- Tiết diện khe hở S của van xả là 25% tiết diện của van.

- Chọn Kp = 1, Kd =0, Ki = 0

Nhập các hệ số tương ứng vào các khối đã được mô hình hóa rồi tiến hành mô phỏng hệ thống. Ta có thể thay đổi các hệ số Kp, Kd, Ki để lựa chọn được thuật toán điều khiển và thông số phù hợp cho bộ điều khiển.

3.5 Xây dựng chương trình điều khiển trên PLC S7300

3.5.1 Xây dựng cấu trúc chương trình điều khiển

Nhóm đồ ánlựa chọn phương pháp lập trình có cấu trúc, tức là chương trình điều khiển được chia thành những phần nhỏ với từng nhiệm vụ riêng và các phần này nằm trong những khối chương trình khác nhau. Cấu trúc chương trình được mô ta như sau:

OB1: Khối chứa chương trình chính được thực hiện đều đặn ở từng vòng quét. Khối OB1 chứa chương trình thực hiện việc gọi các chương trình con là các khối FB, FC.

OB35: Khối chương trình ngắt để thực hiện thuật toán điều khiển PID. Khoảng thời gian giữa các lần gọi là 50ms.

FC15: Chứa chương trình chức năng của các nút bấm Stop, Quit, Emergency.

FC20: Chứa chương trình điều khiển hệ thống ở chế độ Manual

FC25: Chứa chương trình điều khiển các phần tử chấp hành như van, đèn báo.

FC30: Chứa chương trình điều khiển hệ thống ở chế độ Automatic.

FC105: Chứa hàm SCALE đọc giá trị analog input.

FB41: Khối chương trình thuật toán điều khiển PID mềm của PLC S7300.

3.4.2 Lưu đồ thuật toán của các khối

* Sơ đồ thuật toán của hệ thống

Hệ thống điều khiển mức chất lỏng hoạt động ở hai chế độ đó là tự động (Automatic) và chế độ điều khiển bằng tay (Manual). Khi có tín hiệu khởi động,  ban đầu thực hiện việc làm mới hệ thống (Reset), thiết lập các thông số, giá trị ban đầu của các đối tượng điều khiển và các biến cho bộ điều khiển PID. Tiếp theo đó kiểm tra lỗi hệ thống sau đó lựa chọn chế độ hoạt động tự động hoặc bằng tay thông qua Switch Auto/Manual. Khi hệ thống đã hoạt động ở một trong hai chế độ, muốn kết thúc chế độ ta bấm Quit để thoát khỏi chế độ và tiến hành lựa chọn lại.

* Sơ đồ thuật toán chế độ Auto FC30

 Khi hoạt động ở chế độ tự động (Automatic) hệ thống được điều khiển bởi chệ độ PID tự động trên PLC S7300. Ta sẽ tiến hành nhập các thống số Kc, TI, TD qua màn hình giao diện WinCC flexible. Giá trị đặt của mức chất lỏng sẽ được nhập qua màn hình giao diện WinCC flexible hoặc thực hiện tăng giảm qua nút bấm LIC_U_ON và LIC_D_OFF. Giá trị biến quá trình của mức chất lỏng sẽ được cập nhật liên tục từ cảm biến áp suất LIC 510 gửi về bộ xử lý trung tâm.Ở đây bộ điều khiển sẽ thực hiện thuật toán PID, tự động hiệu chỉnh sai lệch giữa mức giá trị đặt và mức giá trị thực tế rồi gửi tín hiệu điều khiển tới van tỷ lệ V520.Với bộ thông số Kc, TI, TD thích hợp, hệ thống sẽ tự động hiệu chỉnh và tiến tới ổn định tại giá trị đặt.Khi có tín hiệu Stop hệ thống sẽ tạm dừng (tắt bơm, ngắt PID).Khi có tín Start hệ thống hoạt động trở lại bình thường. Khi bấm Stop + Quit hệ thống sẽ thoát khỏi chế độ tự động và chờ lựa chọn chế độ hoạt động tiếp theo.

* Sơ đồ thuật toán điều khiển van tỷ lệ V520

Tín hiệu điều khiển van tỷ lệ V520 và bơn P500 từ bộ điều khiển PID qua bộ chuyển đổi từ tín hiệu số sang tín hiệu tương tự. Ở chế độ điều khiển tự động thuật toán điều khiển PID sẽ điều khiển tín hiệu sai lệch giữa tín hiệu mức đặt và tín hiệu mức quá trình.Từ đó xuất ra tín hiệu điều khiển qua modul đầu ra tương tự gửi tới van tỷ lệ V520 và bật tắt bơm P500. Ở chế độ điều khiển bằng tay bộ điều khiển PID nhận tín hiệu vào (MAN) rồi xuất tín hiệu điều khiển tới cổng ra như ở chế độ tự động.

3.6  Kết luận chương

 Trong chương 3 nhóm đồán đã trình bày nội dung xây dựng bài toán điều khiển mức chất lỏng trên WinCC flexible và PLC S7300. Trên cơ sở lý thuyết tìn hiểu bệ thí nghiệm điều khiển mức, chất lỏng , áp suất tại chương 2 nhóm đồ án đã xây dựng bài toán điều khiển mức chất lỏng với những nội dung chi tiết và cụ thể như: sơ đồ khối bài toán điều khiển mức, sơ đồ điều khiển, sơ đồ nguyên lý, thuật toán điều khiển PID mềm trên PLC S7300, thiết kế giao diện điều khiển trên WinCC flexible và xây dựng chương trình điều khiển trên PLC S7300 phần mềm STEP7. 

CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ

4.1 Xây dựng chương trình điều khiển trên PLC S7300.

4.1.1 Cấu hình phần cứng cho bộ điều khiển

Dựa theo cấu hình phần cứng của bộ điều khiển trên bệ thí nghiệm, nhóm đồ án xây dựng cấu hình của bộ điều khiển trên phần mềm STEP 7 sử dụng ngôn ngữ lập trình S7300.

4.1.3 Xây dựng bảng Symbols

Tiếp theo ta tiến hành xây dựng bảng Symbolsgán biến cho các đối tượng điều khiển trên STEP7. Trên cơ sở xác định các thiết bị vào/ra và lựa chọn modul điều khiển cho bài toán điều khiển mức chất lỏng đã được trình bày tại mục 3.1.3 ta xây dựng bảng Symblos trên Step7.

4.1.5 Viết chương trình cho các khối

Nội dung chương trình của các khối được trình bày chi tiết tại phụ lục.

4.3 Thiết kế giao diện điều khiển trên WinCCflexible

Sau khi tiến hành mô phỏng hệ thống trên Matlab Simulink ta thu được các hệ số điều khiển sơ bộ của bộ điều khiển PID. Tiến hành kết nối giao diện điều khiển với bệ thí nghiệm, nạp chương trình điều khiển xuống PLC và vận hành hệ thống điều khiển mức chất lỏng.

Khai thác vận hành bệ thí nghiệm điều khiển mức chất lỏng ở hai chế độ Automatic và Manual. Ở chế độ Automatic ta nhập mức giá trị đặt của chất lỏng, nhập các hệ số Kp, Ki, Kd sơ bộ trên giao diện điều khiển. Theo dõi đáp ứng của mức chất lỏng trong bình tiến hành tìm các hệ số Kp, Ki, Kd bằng phương pháp thử sai thực tế để tìm được bộ thông số điều khiển tốt nhất. 

4.4 Đánh giá thực nghiệm

- Qua quá trình thực nghiệm nhóm đồ án đã tiến hành thiết kế được giao diện điều khiển trên WinCC flexible để thực hiện việc giám sát và mô phỏng hệ thống thực tế.

- Xây dựng chương trình điều khiển hệ thống trên PLC S7300 đảm bảo hệ thống vận hành đúng chức năng và yêu cầu của bài toán điều khiển mức chất lỏng.

- Tiến hành mô hình hóa, mô phỏng, phân tích đáp ứng của hệ thống trên Matlab Simulink để làm cơ sở thiết kế bộ điều khiển, lựa chọn các thông số sơ bộ.

- Hệ thống thực tế đã vận hành đúng theo yêu cầu của bài toán điều khiển mức chất lỏng và bám sát với đáp ứng mô phỏng trên phần mềm Matlab Simulink. Tuy nhiên vẫn phải hiệu chỉnh các thông số của bộ điều khiển do sai số của hệ thống trong quá trình tính toán để hệ thống thực tế đáp ứng đúng yêu cầu. 

 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1. Kết luận

   Sau thời gian làm việc và nghiên cứu nhóm đồ án đã hoàn thành đề tài “Nghiên cứu, xây dựng hệ điều khiển mức chất lỏng với WinCC và PLC S7-300”. Dưới sự hướng dẫn và quan tâm tận tình của thầy :TS. ……....…… nhóm đồ án đã đạt được những kết quả sau:

- Tìm hiểu, nghiên cứu tổng quan về hệ thống điều khiển mức chất lỏng trong thực tế và đào tạo.

- Khai thác, vận hành các trang thiết bị trên bệ thí nghiệm điều khiển mức, lưu lượng, áp suất tại phòng thí nghiệm Cơ điện tử - Bộ môn Robot đặc biệt & CĐT.

- Xây dựng chương trình điều khiển mức chất lỏng trên PLC S7300 và thiết kế giao diện điều khiển trên WinCC flexible, mô phỏng hệ thống trên Matlab Simulink để thiết kế sơ bộ bộ điều khiển.

- Thực hiện quá trình thực nghiêm và đánh giá kết quả.

2. Kiến nghị

- Nhóm đồ án tiếp tục thực nghiệm vận hành hệ thống thực tế kết hợp với mô phỏng hiệu chỉnh hệ thống trên Matlab Simulink để liên hệ giữa lý thuyết và thực tế chặt chẽ hơn.

- Đề xuất hướng giải quyết để khai thác tối đa công suất hoạt động của bơm chất lỏng để hệ thống thực tế đáp ứng về mặt thời gian tốt hơn.

   Để có được những kết quả như trên và hoàn thiện đồ án tốt đẹp nhóm đồ án xin chân thành cảm ơn thầy :TS. ……....…… đã dành thời gian đồng hành cùng nhóm đồ án để hướng dẫn, giám sát, chỉ bảo tận tình cho chúng em trong quá trình làm đề tài. Chúng em cũng xin trân thành cảm ơn toàn thể các thầy cô trong khoa nói chung và các thầy cô trong bộ môn Robot đặc biệt & CĐT nói riêng đã tạo điều kiện giúp đỡ chúng em trên nhiều phương diện. Với năng lực và kiến thức về lĩnh vực nghiên cứu của chúng em chưa được chuyên sâu nên trong quá trình làm và kết quả đạt được chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót. Vì thế nhóm đồán mong nhận được những lời góp ý bổ xung từ toàn thể các thầy cô và bạn đọc để hoàn thiện hơn.

   Xin trân thành cảm ơn!.

 TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Tự động hóa với SIMATIC S7-300 – NXB KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2006 – Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Vũ Vân Hà.

[2]. Giáo trình hệ thống điều khiển thủy khí – PGS.TS.Trần Xuân Tùy.

[3]. Điều khiển thủy lực và khí nén – Th.S Lê Văn Tiến Dũng

[4]. Tài liệu về bệ thí nghiệm điều khiển mức, lập trình PLC và WinCC do thầy TS. Hoàng Quang Chính cung cấp.

[5]. http://tailieu.vn/doc/bao-cao-dieu-khien-mo-pid-cho-qua-trinh-muc-chat-long--1555077.html

"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"