Thiết kế hệ thống điều khiển mức hai bình thơng TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG - - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC HAI BÌNH THƠNG NHAU Giáo viên hướng dẫn : ThS Chu Đức Việt Sinh viên thực : Hà Nội, 2018 Thiết kế hệ thống điều khiển mức hai bình thơng BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HN -***- CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc - NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP Họ tên Khóa: 58 Viện: Điện Ngành: Cử nhân điều khiển Tự động hóa Tên đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển mức hai bình thơng Nội dung thiết kế: - Mơ hình hóa - Thiết kế điều khiển - mô - Thiết kế hệ thống điều khiển - Cài đặt điều khiển thực nghiệm  Cán hướng dẫn: ThS.Chu Đức Việt Ngày giao nhiệm vụ thiết kế: Ngày hoàn thành nhiệm vụ: ……………………………………………… Ngày tháng năm 2018 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN Thiết kế hệ thống điều khiển mức hai bình thơng MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU vii CHƯƠNG 1: BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN 1.1 Đặt vấn đề .2 1.2 Hệ thống bình mức .2 1.3 Yêu cầu toán 1.4 Nhiệm vụ toán CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ MƠ HÌNH HĨA 2.1 Phân tích .4 2.2 Mô hình hóa hệ thống 2.2.1 Mơ hình hóa đối tượng điều khiển 2.2.2 Mơ hình hóa lý thuyết CHƯƠNG 3: ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 3.1 Phương án thiết kế 3.2 Thiết kế PID Matlab .9 3.2.1 Cơ sở lý thuyết 3.2.2 Thiết kế PID Matlab 12 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN .17 4.1 Các thiết bị sử dụng mơ hình .17 4.1.1 Cảm biến áp suất .17 4.1.2 Van áp suất RCV Type 807 .17 4.1.3 Bộ chuyển đổi dòng điện-áp suất Type 6102-53 i/p Converter 18 4.1.4 Cảm biến đo lưu lượng YF-S201 18 4.2 Tìm hiểu PLC s7 1200 .19 Thiết kế hệ thống điều khiển mức hai bình thơng 4.2.1 Tổng quan PLC 19 4.2.2 Cấu tạo CPU PLC S7 1200 .20 4.2.3 Modul SM 1234 AQ2x14Bit 22 4.3 Hệ thống điều khiển 23 4.4 Bản vẽ thiết kế 24 4.5 Thiết kế giao diện WinCC 25 4.6 Phần mềm 26 4.6.1 Phần mềm lập trình Tia V13 26 4.6.2 Khối PID_Compact 28 4.6.3 Trình tự hoạt động 30 4.6.4 Chương trình điều khiển hệ thống 30 CHƯƠNG 5: CÀI ĐẶT BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐÃ ĐƯỢC THIẾT VẾ VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 35 5.1 Cài đặt điều khiển PID PID_Compact 35 5.2 Chạy thử nghiệm hiệu chỉnh tham số 37 5.3 Kết đánh giá 41 KẾT LUẬN .43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 45 Thiết kế hệ thống điều khiển mức hai bình thơng DANH MỤC HÌ Hình 1 Hệ thống bình nước YHình Mơ hình điều kiển hệ thống Hình Bộ điều khiển PID 10 Hình 3 Giao diện PID tuner 12 Hình Bảng thơng số PI qua PID tuner .13 Hình Giao diện làm việc Identification tool .14 Hình Thiết lập liệu vào 14 Hình Cài đặt dạng mơ hình .15 Hình So sánh giá tri thực nhận dạng .16 YHình Cảm biến áp suất KL76S36 17 Hình Kiểu đấu dây cám biến 17 Hình Van áp suất RCV Typy 807 17 Hình 4 Bộ chuyển đổi dòng điện-áp suất Type 6102-53 i/p Converter 18 Hình Cảm biến đo lưu lượng YF-S201 .18 Hình Sơ đồ chức PLC 19 Hình Chu kì quét PLC 20 Hình Hình ảnh CPU 1214 20 Hình Hình ảnh modul SM 1234 23 Hình 10 Mơ hình điều khiển bình mức 24 Hình 11 Sơ đồ đấu dây 25 Hình 12 Giao diện WinCC điều khiển bình mức 26 Hình 13 Giao diện khởi động TIA 27 Hình 14 Giao diện soạn thảo chương trình 27 Hình 15 Sơ đồ PID_compact 28 Hình 16 Chương trình khối OB1(1) 32 Hình 17 Chương trình OB1(2) 33 Hình 18 Khối PID_Compact OB30 33 Thiết kế hệ thống điều khiển mức hai bình thơng Hình 19 Chương trình reset sửa lỗi OB 30 .34 YHình Lựa chọn đối tượng điều khiển 35 Hình Cài đặt kiểu tín hiệu vào, 36 Hình Giao diện cài đặt giới hạn trên, 36 Hình Cài đặt thông số PID 37 Hình 5 Giao diện Wincc đặt giá trị 150 mm 39 Hình Giao diện Wincc có nhiễu tác động 39 Hình Giao diện Wincc chế độ điều khiển tay .40 Hình Giao diện HMI hệ thống dừng hoạt động 40 Hình Một số hình ảnh hệ điều khiển (1) .41 Hình 10 Một số hình ảnh hệ điều khiển (2) 42 Hình 11 Một số hình ảnh hệ điều khiển (3) 42 Thiết kế hệ thống điều khiển mức hai bình thơng DANH MỤC BẢ Bảng Thông số CPU S7 1200 .21 Bảng Các chân inputs khối PID_compact 28 Bảng Các chân outputs khối PID_compact 28 Bảng 4 Bảng phân địa 30 YBảng Ảnh hưởng tham số PID đến chất lượng điều khiển 38 Thiết kế hệ thống điều khiển mức hai bình thơng LỜI NĨI ĐẦU Trong ngành cơng nghiệp tự động hóa, điều khiển thiết bị theo yêu cầu có sẵn, thiết bị lập trình sẵn, thiết bị hoạt động dựa vào tín hiệu phản hồi ngày áp dụng rộng rãi Điều giúp giảm bớt sức lao động tăng suất, chất lượng cho sản phẩm bảo vệ sức khỏe người lao động Hiện có nhiều cách điều khiển thiết bị như: vi mạch số, vi xử lí, vi điều khiển, PLC, điều khiển máy tính, điều khiển thông minh… Với nhiều phương pháp điều khiển khác PLC cho phép điều khiển với độ xác cao, dễ dàng cho việc điều khiển mở rộng nên nhiều người dùng lựa chọn Trong đồ án tốt nghiệp nhóm em thực với đề tài: “Thiết kế hệ thống điều khiển mức hai bình thơng nhau” Chúng em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn tận tâm, nhiệt tình thầy ThS Chu Đức Việt thời gian qua Do nhiều hạn chế chuyên môn, ngoại ngữ kinh nghiệm nên đồ án có nhiều thiếu sót Chúng em mong nhận hướng dẫn, bổ sung, góp ý từ thầy cơ, để chúng em thu nhận thêm kiến thức hoàn thiện đồ án tới mức tốt Em xin chân thành cảm ơn ! Hà Nội, tháng năm 2018 Nhóm sinh viên: Thiết kế hệ thống điều khiển mức hai bình thơng CHƯƠNG 1: BÀI TỐN ĐIỀU KHIỂN 1.1 Đặt vấn đề Hiện công nghiệp ngày đại việc điều khiển kiểm soát mức nước ngày sử dụng nhiều lĩnh vực, ngành nghề khác như: chế biến thực phẩm, nước giải khát, công nghiệp hóa chất, pha chế chất lỏng, phòng thí nghiệm, Các thiết bị dùng hệ thống điều khiển mức chất lỏng gồm: máy bơm, van, cảm biến, chuyển đổi Ta dùng loại cảm biến khác phù hợp với yêu cầu đối tượng kết hợp với chương trình điều khiển logic để đáp ứng điều kiện mức nước mà mong muốn Hiện việc dùng PLC để điều khiển thuận tiện đơn giản điều khiển nhiều tốn khác Trong đồ án chúng em sử dụng PLC s7 1200 siemens để điều khiển hệ thống bình mức nhỏ để hiểu rõ PLC s7 1200 1.2 Hệ thống bình mức Hình 1 Hệ thống bình nước Thiết kế hệ thống điều khiển mức hai bình thơng Hệ thống gồm: bình nước đặt cách khoảng không gian, dùng van xả tay Hai bình mức có thể tích chiều dài rộng 150mm, chiều cao 350mm Dùng bơm nước từ bình lên bình điều chỉnh lưu lượng qua van điều khiển Máy bơm điều khiển role Dùng cảm biến đo áp suất mức nước để đo áp suất bình để điều khiển mức nước cho phù hợp Đo lưu lượng nước qua đo lưu lượng: đo cảm biến lưu lượng hiển thị qua hình cột nước 1.3 Yêu cầu toán - Dùng điều khiển PLC điều khiển van máy bơm để điều khiển lưu lượng nước chảy vào bình cho mức nước bình đạt giá trị đặt - Mức nước phản hồi qua cảm biến áp suất chuyển qua đơn vị chiều cao mức nước Lưu lượng hiển thị qua cảm biến - Hệ thống vận hành qua nút start, stop, chế độ điều khiển tự động (điều khiển bám giá trị đặt mức nước), chế độ tay (đóng mở lưu lượng theo độ mở van) - Hệ thống điều khiển qua WinCC 1.4 Nhiệm vụ tốn - Phân tích mơ hình hóa Đề suất phương án thiết kế điều khiển Thiết kế hệ thống điều khiển Cài đặt điều khiển thiết kế thực nghiệm Thiết kế hệ thống điều khiển mức hai bình thơng Chương trình TIA Hình 17 Chương trình khối OB1(1) 31 Thiết kế hệ thống điều khiển mức hai bình thơng Hình 18 Chương trình OB1(2) Hình 19 Khối PID_Compact OB30 32 Thiết kế hệ thống điều khiển mức hai bình thơng Hình 20 Chương trình reset sửa lỗi OB 30 33 Thiết kế hệ thống điều khiển mức hai bình thơng CHƯƠNG 5: CÀI ĐẶT BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐÃ ĐƯỢC THIẾT VẾ VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 5.1 Cài đặt điều khiển PID PID_Compact Khối PID ta viết khối tổ chức OB30 với chu kì ngắt 100ms Để cài đặt PID_compact_3 ta click vào “configuration” khối PID: - Đối tượng điều khiển mức nước nên ta chọn volume đơn vị lít Hình Lựa chọn đối tượng điều khiển - Lựa chọn kiểu tín hiệu vào input (tín hiệu qua xử lý) Lựa chọn tín hiệu output (độ mở van theo %) thông qua hàm scale đưa vào điều khiển van - Ta điền giới hạn mức điều khiển input/output parameters 34 Thiết kế hệ thống điều khiển mức hai bình thơng Hình Cài đặt kiểu tín hiệu vào, Hình Giao diện cài đặt giới hạn trên, - Cuối ta nhập thông số PID PID parameters Với: Proportional gain hệ số khuếch đại Kp 35 Thiết kế hệ thống điều khiển mức hai bình thơng Integral action time thời gian tích phân Ti Derivative action time thời gian vi phân Td Sampling time of PID algorithm chu kì trích mẫu khối PID Ta điền thơng số PI theo kết tìm với Kp=0.7925; Ti=2823.298 Hình Cài đặt thơng số PID Trong trình chạy thực tế ta hiệu chỉnh lại thơng số Kp, Ti cho hệ đạt chất lượng cao 5.2 Chạy thử nghiệm hiệu chỉnh tham số Qua trình chạy thử PID ta thời gian độ thấp nhiên độ điều chỉnh cao mức độ ổn định khơng tốt Vì ta phải hiệu chỉnh lại tham số cho hệ thống đạt chất lượng tốt Bằng cách thay đổi Kp Ti theo phương pháp Ziegler- Nichols thực nghiệm lại điều 36 Thiết kế hệ thống điều khiển mức hai bình thơng khiển mà ta có điều khiển có chất lượng tốt Ta hiệu chỉnh tham số cho độ điều chỉnh giảm xuống 10% thời gian xác lập giảm Bảng Ảnh hưởng tham số PID đến chất lượng điều khiển Chỉ tiêu chất lượng Thời gian đáp ứng Thời gian độ Độ điều chỉnh Hệ số tắt dần Sai lệch tĩnh Tín hiệu điều khiển Độ dự trữ ổn định Bền vững với nhiễu đo Tăng Kp Giảm Thay đổi Tăng Thay đổi Giảm Tăng Giảm Giảm Thay đổi tham số Giảm Ti Giảm Giảm Tăng Tăng Triệt tiêu Tăng Giảm Thay đổi Tăng Td Giảm Giảm Giảm Giảm Thay đổi Tăng Tăng Giảm Sau q trình hiệu chỉnh tham số Kp, Ti cho điều khiển ta thấy chất lượng hệ thống tốt với độ ổn định nhanh độ điều chỉnh 10% Dưới thông số PI sau hiệu chỉnh: Kp= 0.9, Ti= 23000 37 Thiết kế hệ thống điều khiển mức hai bình thơng Sau kết chạy PI hiệu chỉnh qua giao diện Wincc: - Đường màu xanh mức nước bình 2, màu đỏ mức bình 1, màu đen giá trị đặt Setpoint Hình 5 Giao diện Wincc đặt giá trị 150 mm Hình Giao diện Wincc có nhiễu tác động Nhận xét: Kết trình chạy thực tế PI sau hiệu chỉnh ta thấy chất lượng PI tốt với độ điều chỉnh 9mm xác lập 15s tương đối nhanh với lưu lượng xả nhỏ 38 Thiết kế hệ thống điều khiển mức hai bình thông Ở chế độ điều khiển tay, ta đặt độ mở van cố định cách nhập vào ô V1_manual kéo kéo giá trị mà ta mong muốn Qua ta điều chỉnh lưu lượng vào bình mà ta mong muốn Với độ mở van 70%, độ xả nước bình cố định ta có kết sau: Hình Giao diện Wincc chế độ điều khiển tay Khi ấn nút stop hệ thống dừng hoạt động Hình Giao diện HMI hệ thống dừng hoạt động 39 Thiết kế hệ thống điều khiển mức hai bình thơng 5.3 Kết đánh giá Sau trình làm đồ án, qua việc tìm hiểu thơng tin thiết bị bước xây dựng mơ hình việc thiết kế PID Đồ án đạt yêu cầu hiểu rõ PID, khả xây dựng mơ hình thực tế hồn thành mục tiêu điều khiển mức nước bình thực tế Dưới số hình ảnh hệ thống nhóm em hồn thành Hình Một số hình ảnh hệ điều khiển (1) 40 Thiết kế hệ thống điều khiển mức hai bình thơng 41 Thiết kế hệ thống điều khiển mức hai bình thơng Hình 10 Một số hình ảnh hệ điều khiển (2) Hình 11 Một số hình ảnh hệ điều khiển (3) KẾT LUẬN Qua đồ án chúng em hiểu rõ hồn thành cơng việc sau: - Tìm hiểu thông tin, cách đấu nối, cách thức hoạt động thiết bị Mơ hình hóa đối tượng tìm thơng số PID phần mềm matlab Xây dựng chương trình điều khiển phần mềm TIA Thiết kế giao diện giám sát HMI 42 Thiết kế hệ thống điều khiển mức hai bình thơng - Chạy thử PID hiệu chỉnh tham số để hệ ổn định qua hiểu rõ ảnh hưởng tham số tới chất lượng điều khiển cho hệ Phát triển toán: Với toán điều khiển bình mức thơng có độ mở van xả khác nhiều đầu vào với tỉ lệ cố định toán pha chế dung dịch điều khiển lưu lượng xả cố định Qua trình làm đồ án, hướng dẫn thầy Chu Đức Việt, đến nay, nhóm chúng em hồn thành trọn vẹn nội dung đề tài Về kiến thức giúp hiểu sâu PID, PLC cách thức điều khiển PID hệ thống Do kiến thức chúng em hạn chế nên khơng tránh khỏi thiếu sót, sai phạm làm Vậy, chúng em mong bảo, góp ý thầy (các cô) bạn để đồ án nhóm chúng em hồn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Chu Đức Việt giúp chúng em hoàn thành đồ án này! 43 Thiết kế hệ thống điều khiển mức hai bình thông Hà Nội, tháng năm 2018 Sinh viên thực hiện: 44 Thiết kế hệ thống điều khiển mức hai bình thơng TÀI LIỆU THAM KHẢO Hồng Minh Sơn, Cơ sở hệ thống điều khiển trình, Nxb Bách Khoa Hà Nội, 2009 Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nxb khoa học kỹ thuật, 2005 Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều khiển nâng cao, Nxb khao học kỹ thuật, 2005 Nguyễn Văn Khang, Bộ điều khiển logic khả trình PLC ứng dụng, NXB Bách Khoa Hà Nội, 2015 Nguyễn Hữu Trung, Nguyễn Viết Tuyến, Giáo trình thiết kế mạch điện tử, Nxb Giáo dục Việt Nam, 2009 Nguyễn Thu Thiên, Mai Xuân Vũ, Sổ tay hướng dẫn lập trình PLC, Nxb Trẻ, Hà Nội, 2004 45 ... ⇒ Thiết kế hệ thống điều khiển mức hai bình thơng Thiết kế hệ thống điều khiển mức hai bình thơng CHƯƠNG 3: ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 3.1 Phương án thiết kế  Với mơ hình bình mức: ... tích mơ hình hóa Đề suất phương án thiết kế điều khiển Thiết kế hệ thống điều khiển Cài đặt điều khiển thiết kế thực nghiệm Thiết kế hệ thống điều khiển mức hai bình thơng CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ... s7 1200 1.2 Hệ thống bình mức Hình 1 Hệ thống bình nước Thiết kế hệ thống điều khiển mức hai bình thơng Hệ thống gồm: bình nước đặt cách khoảng khơng gian, dùng van xả tay Hai bình mức có thể