Đang tải... (xem toàn văn)
Đồ án tốt nghiệp :Xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát mức nước dùng PLC s7300,WinCC . Có xây dựng thuật toán , chương trình trên plc s7300 , thiết kế giao diện win cc . Cá phần nội dung đều đã được chỉnh sửa rất chính xác và rõ ràng. Dùng làm tài liệu tham khảo ( ĐATN trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội)
MỤC LỤC Lời nói đầu Cùng với phát triển xã hội, đời sống người dân ngày nâng cao, việc thay hoạt động thủ công thiết bị tự động người dân ứng dụng nhiều công nghiệp sinh hoạt Công nghệ tự động giám sát điều khiển mức chất lỏng nhiều công ty, xí nghiệp nhà máy ứng dụng nhiều nhằm thay việc giám sát điều khiển mức chất lỏng phương pháp thủ công, công nghệ tự động giám sát mức chất lỏng đảm bảo việc kiểm soát, điều khiển lưu lượng chất lỏng sử dụng, bơm, xả chất lỏng cách tin cậy mà không cần kiểm tra trực tiếp người Công nghệ ứng dụng nhiều việc xứ lý nước thải, lọc hoá dầu, nhà máy nước, nhà máy nhiệt điện, thuỷ điện, điện hạt nhân, bể nước, tháp nước tự động… Từ vấn đề đặt yêu cầu dùng phương pháp để giám sát điều khiển mức chất lỏng cách hợp lý chi phí, độ tin cậy, khả linh hoạt, dễ vận hành sử dụng Trong thực tế có nhiều phương pháp tự động điều khiển mức chất lỏng, phần em thực đề tài “Xây dựng hệ thống giám sát điều khiển mức ” Ngày nay, biết rõ công nghệ PLC đóng vai trò quan trọng lượng làm não cho phận cần tự động hoá giới hoá Do đó, điều khiển lập trình PLC cần thiết kỹ sư khí kỹ sư điện, điện tử, từ giúp họ nắm phạm vi ứng dụng rộng rãi kiến thức PLC cách sử dụng thông thường Em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ nhiệt tình thầy giáo Đỗ Duy Phú để chúng em thực tốt đồ án Tuy nhiên kiến thức, kinh nghiệm chưa hoàn chỉnh nên có số thiếu sót trình thực đồ án, mong bảo, đóng góp ý kiến thầy cô giáo bạn đọc quan tâm đề tài CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Mục đích Sau xác định đối tượng, chủ thể nghiên cứu giới hạn phạm vi nghiên cứu, việc xác định mục tiêu bước quan trọng nhằm định hướng đắn cho quy trình thực đề tài Mục tiêu cụ thể thể sau: • • • • • • • • 1.2 Tìm hiểu phương pháp đo mức Tìm hiểu PLC s7-300 Tìm hiểu đầu vào, analog Tìm hiểu giao thức máy tính kết nối với PLC Thiết kế giao diện Wincc để đo giám sát bồn nước Nghiên cứu PID điều khiển ổn định mức nước Tìm hiểu PWM điều khiển tốc độ động Tìm hiểu phương pháp mạng truyền thông công nghiệp Phương pháp đo mức Có nhiều phương pháp để đo mức chất lỏng thực tế, số phương pháp như: Phương pháp thuỷ tĩnh, phương pháp điện, phương pháp xạ… Trong phương pháp có nhiều nguyên lý đo khác 1.2.1 Cảm biến mức dùng phương pháp thuỷ tĩnh • Cảm biến dùng phao (Float Lever Meter) Chỉ số cảm biến hàm liên tục tỉ lệ với chiều cao chất lưu bình chứa, không phụ thuộc vào tỷ trọng tính chất điện chất lưu Phao chuyển động lên xuống phụ thuộc vào mức chất lỏng bể chứa, mức chất lỏng tăng phao chuyển động lên, ngược lại mức chất lỏng giảm phao chuyển động xuống Tuỳ vào trường hợp sử dụng cụ thể mà sử dụng loại phao khác nhau, cho mục đích khác a) Nguyên lý phao hình cầu c) Nguyên lý phao dây b) Nguyên lý dò d) Hình ảnh cảm biến phao Hình 1.1: Cảm biến sử dụng phao • Cảm biến dùng phao vị trí (Displacer Lever metter) Trong bể chứa sử dụng phao nối với nhau, sử dụng phao nửa chìm nửa để điều khiển công tắc điện a) b) Hình 1.2: Nguyên lý (a) cảm biến (b) dùng phao vị trí • Cảm biến mức chênh áp (Differential Pressure Lever meter) Một cảm biến chênh áp đặt đáy bình chứa, cảm biến đóng vai trò vật trung gian, có màng mỏng, mặt chịu tác động áp suất đáy bình, mặt chịu tác động áp suất đỉnh bình, biến dạng màng tỉ lệ với chiều cao mức chất lỏng bình a) b) Hình 1.3: Nguyên lý (a) cảm biến (b) mức vi sai áp suất 1.2.2 Cảm biến mức dùng phương pháp điện • Cảm biến độ dẫn điện(Conductivity Probes) Một điện cực nối vào nguồn điện, điện cựa bố trí cho chất lỏng tiếp xúc với điện cực có dòng điện chạy qua chất lỏng tiếp xúc với hai điện cực không dẫn điện.(thực chế độ on-off) a) b) c) Hình 1.4: Nguyên lý(a,b) cảm biển mức(c) dùng độ dẫn điện • Cảm biến mức điện dung(Capacitance probes) Ở phương pháp sử dụng điện cực(đối với chất lỏng không dẫn điện-chất lỏng đóng vai trò chất điện môi), điện cực có phủ lớp cách điện bên đóng vai trò chất điện môi điện cực lại chất lỏng Sự thay dòng điện qua tụ tỉ lệ với thay đổi mức chất lỏng bình a) b) c) Hình 1.5: Nguyên lý(a,b) cảm biến mức(c) điện dung 1.2.3 Cảm biến mức dùng phương pháp xạ: Sóng siêu âm, sóng viba,lazer (ultrasonic, microwaves, laser) Các loại cảm biến sử dùng đo khoảng cách từ cảm biến đến bề mặt chất lỏng, phát thu nằm cảm biến, cảm biến đo khoảng cách (d) dựa thời gian (t) từ cảm biến phát chùm tia đến đầu thu cảm biến nhận chùm sóng phản xạ có vận tốc (v) a) b) Hình 1.6: Nguyên lý (a) cảm biến (b) dùng phương pháp xạ • Phương pháp dùng sóng siêu âm Hình 1.7: Phương pháp dùng sóng siêu âm Đầu phát siêu âm (sensor) phát sóng có tần số 40 Khz Sóng siêu âm gặp bề mặt chất lỏng bị phản xạ trở lại Sóng phản xạ đầu thu thu Như xác định thời gian sóng siêu âm ta xác định khoảng cách từ đầu thu-phát đến bề mặt chất lỏng bể Các phương pháp đo nêu nước giới sử dụng, phương pháp có ưu nhược điểm Trong tất phương pháp, phương pháp dùng sóng siêu âm có có ưu điểm quan trọng so với phương pháp khác là: phương pháp khác phải chế tạo đồng thời với việc chế tạo bề chứa kết cấu khí phụ thiết bị đo đòi hỏi Trong phương pháp dùng sóng siêu âm chế tạo độc lập với việc chế tạo bể chứa Một ưu điểm sai số thay đổi nhiệt độ môi trường phương pháp không đáng kể Chính chúng em chọn phương pháp dùng sóng siêu âm để thực đề tài 1.3 Tìm hiểu PLC S7-300 1.3.1 Khái quát chung PLC S7-300 PLC thiết bị điều khiển logic khả trình (Programmable Logic Control) loại thiết bị cho phép thực linh hoạt thuật toán điều khiển số thông qua ngôn ngữ lập trình PLC điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quanh ( với PLC khác với máy tính) Toàn chương trình điều khiển lưu nhớ PLC dạng khối chương trình ( Khối OB, FC FB) thực theo chu kỳ vòng quét Hình 1.8: Nguyên lí chung cấu trúc điều khiển logic khả trình (PLC) Để thực chươg trình điều khiển, tất nhiên PLC phải có tính máy tính, nghĩa phải có vi xử lý (CPU), hệ điều hành, nhớ để lưu chương trình điều khiển tất nhiên phải có cổng vào/ để giao tiếp với đối tượng điều khiển để trao đổi thông tin với môi trường xung quanh Bên cạnh đó, nhằm phục vụ toán điều khiển số, PLC cần phải có thêm khối chức đặc biệt khác đếm (Counter), thời gian (Timer) khối hàm chuyên dụng (hình 1.8) 1.3.2 Các module PLC S7-300 Thông thường để tăng tính mềm dẻo ứng dụng thực tế mà phần lớn đối tượng điều khiển có số tín hiệu đầu vào/ra khác mà điều khiển PLC thiết kế không cứng hoá cấu hình Chúng chia nhỏ thành module Số module chia nhiều hay tuỳ theo toán, song tối thiểu phải có module module CPU Các module lại module nhận/truyền tín hiệu với tín hiệu điều khiển, module chức chuyên dụng module PID, điều khiển động Chúng gọi chung modul mở rộng Tất module gá ray (Rack) Hình 1.9: Cấu trúc Rack PLC S7-300 • Module CPU Modul CPU modul có chứa vi xử lý, hệ điều hành, nhớ, thời gian, đếm, cổng truyền thông (RS 485) có vài cổng vào/ra số Các cổng vào/ra số có modul CPU gọi cổng vào/ra onboard Trong họ PLC S7-300 có nhiều loại CPU khác Nói chung chúng đặt tên theo vi xử lý có modul 312, modul 314, modul 315 Những modul sử dụng loại vi xử lý, khác cổng vào/ra onboard khối hàm đặc biệt tích hợp sẵn thư viện hệ điều hành phục vụ cho việc sử dụng cổng vào/ra onboard phân biệt với tên gọi thêm cụm chữ IFM (Intergrated Function Module) Ví dụ modul 312 IFM, modul 314 IFM Ngoài có loại modul CPU với hai cổng truyền thông, cổng truyền thông thứ hai có chức phục vụ việc nối mạng phân tán Tất nhiên kèm theo cổng truyền thông thứ hai phần mềm tiện dụng thích hợp cài sẵn hệ điều hành Các loại CPU phân biệt với modul CPU khác thêm cụm từ DP (Distributed Port) tên gọi Ví dụ modul 315-DP, 315-2DP • Module mở rộng Module mở rộng chia thành loại : Hình 1.10 Hình ảnh thực tế module mở rộng PLC S7-300 • Module nguồn – PS ( Power supply) - Có chức cung cấp nguồn cho module hệ Simatic S7_300 Module nguồn có loại : 2A, 5A, 10A PS 307 2A, 5A, 10A dòng 2A,5A, 10A Điện áp ra: 24VDC, chống ngắn mạch Nối với hệ thống AC pha (điện áp vào 120/230 VAC tần số 50/60 Hz) • Module tín hiệu SM (Signal module) SM (Signal modul): modul mở rộng cổng tín vào/ra bao gồm: DI (digital input): modul mở rộng cổng vào số Số cổng vào số mở rộng 8, 16, 32 tuỳ theo loại module DO (digital output): modul mở rộng cổng số Số cổng số mở rộng 8, 16, 32 tuỳ theo loại modul 10 Hình 2.13: Sơ đồ đấu dây cảm biến 41 Hình 2.14: Sơ đồ đấu dây PLC 42 2.5 Xây dựng thuật toán Bảng 4: Bảng định địa STT Symbol Address Comment Start I0.0 Khởi động hệ thống Stop I0.1 Dừng hệ thống StartW M0.0 Nút ấn Start WinCC StopW M0.1 Nút ấn Stop WinCC Dkv_on M0.4 Nút ấn bật tắt Van WinCC Bơm Q0.0 Den_Run Q0.3 Đèn báo hệ thống hoạt động Den_Stop Q0.4 Đèn báo hệ thống dừng hoạt động Valve Q0.5 Đèn báo Valve hoạt động 10 Muc_cao Q0.6 Đèn cảnh báo mức nước cao 11 Muc_thap Q0.7 Đèn cảnh báo mức nước thấp • Thuật toán Động bơm Main xXử lý hệ thống chạy/dừng Khởi tạo biến FC05 Run=1 43 S Đ Đo mức PWM RET Hình 2.15: Thuật toán chương trình Bảng 5: Giải thích thuật toán chương trình STT Tên biến Đầu vào Start I0.0 Ấn start, khởi động hệ thống Stop I0.1 Ấn Stop, dừng hệ thống Den_Run Đầu Q0.3 Chức Đèn báo hệ thống làm việc I0.0=1 FC105 Cycle=500ms Hi_Lim=233 mm Lo_Lim=0 mm En=1, Main_On=0, M2.0=0 Gain=18, TI=T#40s TD=0 ms, P_Sel=I Sel=1, D_Sel=0 44 Main_On=M2.0(=0) Com_RST=M2.0= RET Hình 2.16: Khởi tạo biến Bảng 6: Giải thích thuật toán khởi tạo STT Tên Hi_Lim, Lo_Lim En Main_On Gain, Ti, TD Chức Giá trị mức nước lớn nhất,nhỏ thực tế Nguồn cấp Điều khiển tay tự động Hệ số khuếch đại, số thời gian tích phân, vi phân P_Sel,I_Sel, D_Sel Lựa chọn điều khiển P, PI, PID Com_RST Reset FB41, FB43 PER_TM Chu kì xung 45 Đo Mức xFloat int PIW800 OUT=(Float int –K1)(K2-K1)/(Hi_Lim-Lo_Lim)+Lo_Lim MD12=OUT RET Hình 2.17: Xử lí tín hiệu analog Bảng 7: Giải thích thuật toán xử lí tín hiệu analog STT Tên biến Analog input K1, K2 Là giá trị max, mà modul đọc K1=-27648, K2=27648 Hi_Lim Lo_Lim Giá trị mức nước lớn nhất, nhỏ thực tế OUT, MD12 Ngắt thời gian Chức Giá trị đầu vào đọc từ Analog input Giá trị mức nước đọc sau tính toán (hàm scale) đưa vào ô nhớ MD12 46 SP_INT=MD20 PV_IN=MD12 LMN=MD28 LMN_PER=PQW800 RETI Hình 2.18: Thuật toán ngắt thời gian Bảng 8: Giải thích thuật toán ngắt thời gian STT Tên biến SP_INT,MD20 Giá trị mức nước đặt PV_IN, MD12 Giá trị mức nước đọc từ cảm biến sau xử lý LMN LMN_PER Chức Ngõ FB41, hiển thị giá trị 0-100% Tín hiệu từ cổng PV_IN (0-10V) để điều khiển LMN (0-100%) PWM INV=MD28 QPOS_P=Q0.0 RET Hình 2.19 Điều xung PWM Bảng 9: Giải thích thuật toán điều xung PWM 47 2.6 STT Tên biến Chức INV Giá trị đầu vào 0-100% lấy từ chân LMN (FB41) QPOS_P Đầu để điều chỉnh xung (mức 1) Thiết kế giao diện HMI & WinCC Hình 2.20: Giao diện WinCC Với: - ĐÈN RUN: Đèn báo hệ thống hoạt động ĐÈN STOP: Đèn báo hệ thống dừng hoạt động START: Nút khởi động hệ thống STOP: Nút dừng hệ thống VAN_ON: Nút bật van VAN_OFF: Nút tắt van ĐẶT MỨC NƯỚC: Đặt mức nước điều khiển MỨC NƯỚC: Mức nước trả từ cảm biến TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ(%): Tốc độ động tính % MỨC THẤP: Đèn cảnh báo mức thấp MỨC CAO: Đèn cảnh báo mức cao 48 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM 3.1 Kết nghiên cứu lý thuyết Qua thời gian tìm hiểu tài liệu PLC, lý thuyết điều khiển tự động, hệ thu thập liệu kết hợp nghiên cứu mô hình “ xây dựng hệ thống giám sát điều khiển mức”, giúp chúng em có nhìn tổng quát môn học điều khiển lập trình PLC, ứng dụng lĩnh vực điều khiển mức chất lỏng thực tế nguyên lý hoạt động ứng dụng điều khiển PID Ngoài giúp chúng em tiếp cận với hệ thống giám sát điều khiển mà cụ thể phần mềm WinCC giao diện HMI 3.2 Kết thực nghiệm Sau thời gian nghiên cứu lý thuyết làm mô hình thực tế đề tài, chúng em gặp nhiều vấn đề trình thực • Đạt được: - Hiểu nguyên lý hoạt động cảm biến - Mở rộng kiến thức lập trình PLC, WinCC - Kết nối truyền thông WinCC PLC, PLC máy tính - Thiết kế PID phương pháp thực nghiệm - Điều khiển ổn định mức nước theo yêu cầu Tìm Kp,Ti điều khiển PI để hệ thống ổn định phương pháp thực nghiệm: - Ban đầu cho: + Kp=6 , Ti=0s => Hệ thống hoạt động với sai số cm nước so với giá trị đặt + Sau tăng Kp=10 giữ nguyên Ti=0 => Sai số hệ thống cm nước so với giá trị đặt + Tăng Kp=18 , tăng Ti=0s => Sai số hệ thống cm nước so với giá trị đặt + Lúc tăng hay giảm Kp giữ mức sai số cm Giữ Kp=18 , tăng Ti=20s mức độ sai số giảm xuống 1cm + Tiếp tục giữ nguyên Kp=18, tăng Ti=40s.Lúc sai số nhỏ khoảng 0,01 cm so với giá trị đặt Hệ thống hoạt động ổn định với hệ số : Kp=18 , Ti=40s Sau trình tăng ,giảm hệ số • Khó khăn: - Kết nối phần mềm với phần cứng 49 - Kiến thức mạng truyền thông công nghiệp hạn chế 50 PHỤ LỤC Chương trình điều khiển PLC 51 52 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Doãn phước, Phan Xuân Minh, (2000), Tự động hoá với Siamtic S7300, Bách Khoa, Hà Nội [2] Nguyễn Văn Hoà, (2000), Cơ sở lý thuết điều khiển tự động, Nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật 54 [3] Hoàng Minh Sơn, Mạng truyền thông công nghiệp, Nhà xuất Đại học Bách Khoa Hà Nội [4] PGS.TS Trần Thu Hà – KS Phạm Quang Huy, Tự động hóa với WinCC, Nhà xuất Hồng Đức, 2011 [5] Phạm Văn Chới – Bùi Hữu Tín, Khí cụ điện, Nhà xuất khoa học kỹ thuật [6] TS Nguyễn Tuấn Nghĩa, Môn vẽ thiết kế máy, ĐH Công Nghiệp Hà Nội [7] Website https://www.bannerengineering.com/us/en.html (cảm biến S18UUA) [8] Lê Chí Kiên, Đo lường cảm biến, NXB Đại học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh [9] Website : http://www.Siemen.com 55 ... ứng dụng rộng rãi kiến thức PLC cách sử dụng thông thường Em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ nhiệt tình thầy giáo Đỗ Duy Phú để chúng em thực tốt đồ án Tuy nhiên kiến thức, kinh nghiệm chưa hoàn... dấu phẩy động S5T (hay S5TIME): khoảng thời gian, tính theo giờ/phút/giây/mini giây - TOD: Biểu diễn giá trị thời gian tính theo giờ/phút/giây - DATE: Biểu diễn giá trị thời gian tính theo năm/tháng/ngày... bị truyền liệu (DCE, Data Communication Equipment) , ví dụ máy tính Modem: Hình 1.17: Giao tiếp hai máy tính thông qua Modem RS-232 20 Mặc dù tính hạn chế, RS-232 chuẩn tín hiệu có từ lâu nhất,