Đang tải... (xem toàn văn)
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC 1 DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ 3 DANH SÁCH BẢNG BIỂU 5 CHƯƠNG 1 6 GIỚI THIỆU VỀ NƠI LÀM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 6 1.1 Chức năng và nhiệm vụ 6 1.2 Cơ cấu tổ chức của viện 7 CHƯƠNG 2 9 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC 9 2.1 Giới thiệu tổng quan 9 2.2 Giới thiệu về hệ thống 9 2.3 Các phần tử trong hệ thống 10 2.4 Các thiết bị chấp hành 11 2.4.1 Cảm biến áp suất VEGABAR14 11 2.4.2 Van điện từ (Van tỷ lệ V2) BURKERT 2834 13 2.4.3 Máy bơm nước 15 2.4.4 Van nhiễu V1 ( BURKERT 0211 ) 16 2.5 Tính chọn thiết bị Rơ le: 16 2.6 Thiết bị điều khiển 18 2.6.1 Module nguồn: PS 307 5A24VDC 18 2.6.2 Module xử lý trung tâm CPU 314 – 1AG14 – 0AB0 loại v3.0 19 2.6.3 Module SM 323 DI8DO8xDC24V0,5A 20 2.6.4 Module analog SM 331 AI2x12bit 20 2.6.5 Module analog SM 332 AO2x12bit 21 2.7 Nguyên lý điều khiển 22 2.8 Sơ đồ đấu nối 23 CHƯƠNG 3 26 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC 26 3.1 Mô hình chung của hệ thống: 26 3.2Xây dựng hàm truyền của hệ thống 27 3.2.1 Xây dựng hàm truyền van điện từ: 27 3.2.2 Mối quan hệ giữa lưu lượng Q và thể tích chất lỏng V trong bình chứa 32 3.2.3 Cảm biến 33 3.3Thiết kế bộ điều khiển PID 36 CHƯƠNG 4 40 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 40 4.1 Thiết kế chương trình điều khiển: 40 4.1.1 Lưu đồ thuật toán 40 4.1.2 Chương trình điều khiển hệ thống 41 CHƯƠNG 5 51 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI 51 5.2 Thiết kế bộ điều khiển thích nghi 51 5.2.1 Đầu vào 53 5.2.2 Đầu ra 55 5.2.3 Luật hợp thành 58 CHƯƠNG 6 62 HỆ THỐNG GIÁM SÁT 62 6.1Giới thiệu về phần mềm winCC 62 6.2 Giao diện giám sát 62 KẾT LUẬN 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69
LỜI CẢM ƠN Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em nhận nhiều giúp đỡ, đóng góp ý kiến bảo nhiệt tình thầy cô anh chị Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Đặng Văn Chí, Bộ môn Tự Động Hóa Mỏ - Dầu Khí trường Đại học Mỏ Địa Chất người tận tình hướng dẫn, bảo em suốt trình làm đồ án tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo trường nói chung, thầy cô Bộ môn Tự Động Hóa Mỏ - Dầu Khí nói riêng dạy dỗ cho em kiến thức môn đại cương môn chuyên ngành, giúp em có sở lý thuyết vững vàng tạo điều kiện giúp đỡ em suốt trình học tập Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn anh chị phòng Kỹ thuật điều khiển hệ thống nhúng thuộc Viện nghiên cứu công nghệ thông tin ( nơi em thực tập làm đồ án tốt nghiệp ) tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ em suốt trình học tập hoàn thành đồ án tốt nghiệp Hà nội, ngày 05 tháng 04 năm 2017 Sinh Viên Võ Huy Hoàng MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ DANH SÁCH BẢNG BIỂU CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ NƠI LÀM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1.1 Chức nhiệm vụ Viện nghiên cứu công nghệ thông tin thực chức nghiên cứu khoa học tự nhiên phát triển công nghệ, cung cấp luận khoa học cho công tác quản lý khoa học, công nghệ xây dựng sách, chiến lược, quy hoạch phát triển kinh tế - xã hội, đào tạo nhân lực khoa học, công nghệ có trình độ cao theo quy định pháp luật Nghiên cứu khoa học tự nhiên phát triển công nghệ lĩnh vực: Toán học, vật lý, hóa học, sinh học, công nghệ sinh học, công nghệ thông tin, điện tử, tự động hóa, công nghệ vũ trụ, khoa học vật liệu, đa dạng sinh học chất có hoạt tính sinh học, khoa học trái đất, khoa học công nghệ biển, môi trường lượng, dự báo, phòng, chống giảm nhẹ thiên tai Đề xuất chủ trì thực chương trình khoa học công nghệ trọng điểm cấp nhà nước theo phân công quan nhà nước có thẩm quyền Đào tạo nhân lực khoa học, công nghệ có trình độ cao, tổ chức đào tạo sau đại học khoa học tự nhiên công nghệ theo quy định pháp luật Báo cáo cung cấp thông tin động đất, cảnh báo sóng thần với quan có thẩm quyền theo quy định Tuyên truyền, phổ biến kiến thức, kết nghiên cứu khoa học phát triển công nghệ đáp ứng yêu cầu phát triển thị trường khoa học, công nghệ Thẩm định, tư vấn dịch vụ kỹ thuật đề án, dự án lĩnh vực công nghệ thông tin Chế tạo thử nghiệm sản phẩm công nghệ thông tin tự động hóa dựa kết nghiên cứu khoa học công nghệ Viện Biên soạn giáo trình, đào tạo cán nghiên cứu KHCN công nghệ thông tin Tổ chức hợp tác quốc tế lĩnh vực công nghệ thông tin Một số thành tựu bật Viện Công nghệ thông tin thời gian gần đây: Kỹ thuật vi xử lý ứng dụng: Trong giai đoạn đầu thành lập Viện Công nghệ thông tin nơi đưa kỹ thuật vi xử lý vào Việt Nam, đóng góp to lớn việc ứng dụng phổ cập rộng rãi vi tin học khắp nước Các máy tính VT8x nước Viện chế tạo thử nghiệm ứng dụng quản lý thành công xí nghiệp may Sinco, xí nghiệp điện tử Tân Bình, nhà máy chế tạo công cụ số Hà Nội Viện triển khai ứng dụng hiệu kỹ thuật vi xử lý Nhà máy xi măng Hoàng Thạch, điều độ lưới điện miền Bắc, giám sát nhiệt độ độ ẩm Lăng Bác, số lĩnh vực an ninh – quốc phòng Đặc biệt chuỗi sản phẩm máy lập giải mã tự động LGM-1 tập thể cán Viện thiết kế chế tạo Giải thưởng Nhà nước KHCN năm 2007 Kết nối Internet Việt Nam: Năm 1991 Viện tiến hành kết nối thử nghiệm Internet với Trường đại học Karlshure Đức đến năm 1992, nhóm cán Viện Phòng Kỹ thuật tính toán nghiên cứu tạo account thử nghiệm chuyển email nửa thủ công quay số điện thoại kết nối Viện CNTT (Hà Nội) Trung tâm tính toán (CCU) Đại học Quốc gia Úc nơi có điểm truy cập vào Internet Viện xây dựng hệ thống máy chủ email theo tiêu chuẩn Internet để kết nối người sử dụng qua tiến hành thử nghiệm kết nối Internet Việt nam 1.2 Cơ cấu tổ chức viện Các phòng chuyên môn: Nghiên cứu hệ thống quản lý - Các hệ chuyên gia tính toán mềm - Thống kê - tính toán ứng dụng - Công nghệ tự động hoá - Tin học điều khiển học - Các hệ quản trị liệu - Tin học quản lý - Công nghệ phần mềm quản lý sở liệu lập trình - Các hệ thống phần mềm tích hợp - Hệ thông tin địa lý - Nhận dạng Công nghệ tri thức - Hệ thống mạng Hạ tầng sở công nghệ thông tin - Tin học viễn thông - Công nghệ thực ảo Các đơn vị quản lý nghiệp vụ: - Phòng Quản lý tổng hợp Các trung tâm: - Trung tâm Sáng tạo Microsoft (MIC) - Trung tâm Công nghệ Giải pháp phần mềm Hệ thống điều khiển mức nước thuộc phòng 315 ( kỹ thuật điều khiển hệ thống nhúng ), phòng chuyên làm dự án liên quan đến hệ thống điều khiển tự động hóa bãi đỗ xe thông minh, xe robot thông minh (mobile robot), dự án ứng dụng PLC công nghiệp Dấu ấn tiên phong phòng kỹ thuật điều khiển hệ thống nhúng đưa máy tính công nghiệp vào tự động hoá sản xuất đánh dấu thành công xây dựng hệ thống đo xa truyền liệu tham số Tuốc bin - Máy phát nhà máy thủy điện Hòa Bình chế tạo thành công hệ điều khiển số tháp chưng cất tinh dầu xuất Xí nghiệp tinh dầu thuộc Trung tâm KHTN & CNQG vào năm 1992-1993 Tiếp theo, công nghệ nhúng phát triển mạnh Viện Nhiều thiết bị nhúng Phòng Công nghệ Tự động hóa thiết kế chế tạo cho ứng dụng công nghiệp đời sống Nổi bật hệ đo mực nước từ xa qua mạng Ethernet, hệ thống kiểm soát xâm thực AC200 (Cúp vàng Techmart 2005 giải thưởng Quả cầu vàng 2005), thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm điểm sương THDP-1 từ xa (đạt giải thưởng Grand Prize thi quốc tế thiết kế chip PSOC năm 2004), hệ đo thông số môi trường khí MDA 104S DSP PC104 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC 2.1 Giới thiệu tổng quan Hiện công nghiệp hóa, đại hóa ngày phát triển mạnh mẽ, tiến khoa học kỹ thuật, có kỹ thuật điều khiển tự động góp phần lớn tạo điều kiện để nâng cao hiệu trình sản xuất Hiện nay, tự động hoá trình công nghệ thực phát triển ứng dụng mạnh mẽ công nghiệp cụ thể công nghiệp lọc hóa dầu, công nghiệp hóa chất, công nghiệp xử lý nước, sản xuất giấy, sản xuất xi măng lĩnh vực khác đời sống Nói chung để nâng cao hiệu sản xuất , đảm bảo an toàn cho người , máy móc môi trường công nghiệp chế biến , khai thác vấn đề điều khiển trình công nghệ quan trọng Trong điều khiển trình, toán đặt điều chỉnh trình công nghệ có yêu cầu cao độ tin cậy tính sẵn sàng Các đại lượng cần điều khiển lưu lượng, áp suất, nhiệt độ cần phải điều chỉnh để đáp ứng yêu cầu đặt Trong công ngiệp hóa lọc dầu, công nghiệp hóa chất, công nghiệp xử lý nước, sản suất điện vấn đề điều khiển mức nước cần đáp ứng với độ xác cao để phục vụ trình sản xuất hiệu tốt Chính vậy, vấn đề đặt đề tài điều khiển lưu lượng dòng chảy để ổn định mức chất lỏng với độ xác cao Với yêu cầu ứng dụng thực tế vậy, đề tài nghiên cứu đối tượng hệ thống điều khiển mức nước 2.2 Giới thiệu hệ thống Hệ thống điều khiển mức nước hình thành với mô hình điều khiển mức nước gồm có hai bồn nước: Máy bơm bơm nước từ bồn nước lên thông qua van điện từ V( V2) điều khiển độ mở van Dưới đáy bể có lắp cảm biến áp suất van xả (V1) Hệ thống có cảm biến mực nước điều khiển chuyên dụng, nhờ giảm tiết diện ống tăng vận tốc dòng chảy hệ thống đường ống có áp, khép kín, toàn quản lý cách xác hiệu Các hệ thống theo dõi giám sát làm tăng khả cải thiện hiệu suất độ tin cậy Bài toán đặt : sử dụng điều khiển S7 300 thuật toán điều khiển PID điều khiển độ mở van (V2) để bể giữ mức nước yêu cầu BộBộ điều khiển Bể nước V2 V1 Cảm biến áp suất Máy bơm Bể nước Hình 2.1: Mô hình điều khiển mức Với phát triển kỹ thuật có nhiều cách để điều khiển mức nước, em sử dụng điều khiển PID PID mờ để điều khiển 2.3 Các phần tử hệ thống +Cảm biến áp suất VEGABAR14 +Van điện từ (Van tỷ lệ) BURKERT 2834 ( V2 ) +Máy bơm nước +PLC S7300 Module nguồn: PS307 – 5A 24VDC Module xử lý trung tâm CPU 314 – 1AG14 – 0AB0 loại v3.0 Module Analog: SM331 AI8x12bit 6ES7 331 – 7KF02-0AB0 Module Digital: SM 323 DI8/DO8 x DC24V/0.5A 6ES7 323 - 1BH01 – 0AA0 Module Analog: SM331 AI2x12bit 6ES7 331 – 7KB02 – 0AB0 Module Analog: SM332 AO2x12bit 6ES7 332 – 5HB01 – 0AB0 Bể nước Kích thước : Dài 30 cm Rộng 23 cm Cao 17 cm Bể nước Kích thước : Dài 16,5 cm Rộng 16,5 cm Cao 23 cm Van xả đáy bể nước ( V3 ) 2.4 Các thiết bị chấp hành 2.4.1 Cảm biến áp suất VEGABAR14 Đây thiết bị chuyển đổi lực từ đo lường cảm biến lực, áp suất tuyệt đối chân không Các chất đo được: khí, nước chất lỏng Ở đây, lệch áp suất chuyển đổi thành tín hiệu đo lường Nguyên lý hoạt động: Phần tử cảm biến tế bào đo “CERTEC” với màng ngăn gốm giao (cắt nhau) Áp lực trình gây thay đổi điện dung tế bào đo màng gốm Sự thay đổi Dải đo: 0-0.1 bar, 0-10000Pa Tín hiệu ra: 4-20mA Nguồn cung cấp: 12-30VDC chuyển đổi thành tín hiệu đầu thích hợp xuất giá trị đo Cấu tạo: Hình 2.2:Cảm biến áp suất VEGEBAR14 Hình 2.3:Cấu tạo cảm biến 1.Khớp trình 2.Hộp thiết bị điện 3.Dây kết nối 10 PM ( positive medium ) PB ( positive big ) Hình 5.4: Đầu vào (đạo hàm sai số e’(t)) 5.2.2 Đầu -Hệ số tỉ lệ Kp’ Miển xác định Kp’ = [ ; ] dùng tập mờ Hàm chuyển đổi hình tam giác (trimf) B ( Big) S ( Small ) 53 Hình 5.5: Đầu Kp’ -Hệ số vi phân Kd’ Miển xác định Kd’ = [ ; ] dùng tập mờ Hàm chuyển đổi hình tam giác (trimf) B ( Big) S ( Small ) 54 Hình 5.6: Đầu Kd’ -Alpha => KI = Miển xác định Kp’ = [ 0; ] dùng tập mờ Hàm chuyển đổi hình tam giác (trimf) S ( Small ) MS ( Medium small ) M ( Medium ) B ( Big ) 55 Hình 5.7: Đầu alpha 5.2.3 Luật hợp thành Hình 5.8: Luật hợp thành 56 Hình 5.9: Surface viewer Hình 5.10: Kết suy luận 57 Hình 5.11: Mô hình mô PID tự chỉnh fuzzy pid Hình 5.12: Cấu trúc bên khối subsystem 58 Hình 5.13: Kết mô Nhận xét: Do giới hạn phần mềm ( Fcpa ) Siemens để dùng riêng cho điều khiển fuzzy tích hợp với phần mềm simatic ( siemen ) em cos thuật toán theo luật MIN – MAX ( or MAX – PROD ) nên bọn em mô hệ thống thông qua chương trình Matlab với điều khiển thích nghi So với điều khiển PID kinh điển độ vọt lố hệ thống thấp nên điều khiển thích nghi sử dụng tốt 59 CHƯƠNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT 6.1 Giới thiệu phần mềm winCC WinCC ( tên viết tắt Windows Control Center) hệ thống HMI (Human Machine Interface: tức giao diện người máy ) cho phép hoạt động chấp hành quy trình chạy máy Truyền thông WinCC máy diễn thông qua hệ thống tự động WinCC dùng để thị trình cấu hình giao diện đồ họa người dùng Bạn sử dụng giao diện người dùng để hoạt động quan sát trình WinCC cung cấp khả sau: WinCC cho phép bạn quan sát trình Quá trình hiển thị đồ họa lên hình Màn hình hiển thị cập nhật lần trạng thái trình thay đổi WinCC cho phép bạn vận hành quy trình.Ví dụ, bạn điểm đặt từ giao diện người dùng bạn mở van WinCC cho phép bạn giám sát trình Một cảnh báo báo hiệu cách tự động kiện trạng thái trình nghiêm trọng Nếu giá trị định nghĩa trước bị vượt quá, thông báo sẽx uất hình WinCC cho phép bạn lưu trữ trình Khi làm việc với Win CC, giá trị trình in lưu trữ theo kiểu điện tử Điều tạo điều kiện cho thu nhập thông tin quy trình cho phép truy cập đến liệu sản sinh khứ 6.2 Giao diện giám sát Giám sát hệ thống win cc 7.0 sp2 60 Hình 6.1: Bảng tag địa Chạy thực tế WinCC Hình 6.2: Hệ thống chưa hoạt động 61 Bấm nút start đèn sáng, bơm hoạt động cảm biến báo van V2 bắt đầu mở Ở hệ thống hoạt động với H đặt =10 cm Khi giá trị H đặt > H thực tế van mở Độ mở van 100% Hình 6.3: Hệ thống hoạt động 62 Khi H thực tế = H đặt van đóng lại Hình 6.4: Hệ thống hoạt động van V2 đóng Khi mức nước thực tế thấp mức nước đặt van V1 xả Van V2 lại tiếp tục mở van tín hiệu đặt thực tế 63 Hình 6.5: Van V2 mở van nhiễu làm giảm mức nước đặt Hình 6.6: Mô hình giám sát thực tế 64 Nhận xét: Như em xây dựng giám sát hệ thống thành công mô hình WinCC Bộ điều khiển PID lập trình s7 – 300 giải toán điều khiển độ mở van V2 cách nhanh chóng 65 KẾT LUẬN Sau thời gian làm đồ án hướng dẫn tận tình thầy giáo TS.Đặng Văn Chí, giúp đỡ toàn thể thầy cô môn bạn lớp, em hoàn thành nội dung sau: Tìm hiểu module mở rộng điều khiển tự động, tiêu biểu PLC qua nắm bắt cách vận hành, nguyên lý hoạt động, tín hiệu vào hiểu lập trình Ứng dụng hiểu biết vào trang thiết bị có sẵn, em tìm hiểu, xây dựng mô thành công mô hình “ Hệ thống giám sát điều khiển mức nước” Kỹ thuật điều khiển hệ thống nhúng thuộc Viện nghiên cứu công nghệ thông tin sử dụng PLC S7 – 300 Hoàn thành khối lượng đồ án theo khoảng thời gian phân công Tuy nhiên hạn chế kiến thức, kinh nghiệm thực tế thời gian thực nên tránh khỏi thiếu só, em mong nhận góp ý thầy cô bạn Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội , ngày tháng năm 2017 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://www.vast.ac.vn/gioi-thieu-chung/co-cau-to-chuc/cac-vien-nghien-cuu/cac-viendo-chinh-phu-thanh-lap/297-vien-cong-nghe-thong-tin [2] Lý thuyết điều khiển tuyến tính - Nguyễn Doãn Phước [3] Nhận dạng hệ thống điều khiển – Nguyễn Doãn Phước & Phan Xuân Minh [4] Lý thuyết điều khiển tuyến tính – Nguyễn Doãn Phước [5] Tài liệu viện công nghệ thông tin cung cấp 67