Đồ án: Điều khiển và Giám sát Mức Chất Lỏng Bể Chứa dùng PLC S7-1200

Điều khiển mức chất lỏng bằng PLC S7-1200. Tìm hiểu cách thiết lập hệ thống điều khiển mức chất lỏng tự động, hiệu quả với PLC Siemens S7-1200. Hướng dẫn chi tiết, dễ thực hiện.

• Tác giả: Nguyễn Ngọc Hiếu
• Người hướng dẫn: Ths. Phan Thị Thanh Vân
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Thiết Kế Mô Hình Hệ Thống Điều Khiển Và Giám Sát Mức Chất Lỏng Trong Bể Chứa Ở Khu Dân Cư Sử Dụng PLC S7 1200
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Đà Nẵng

Mục lục chi tiết

• Nhận xét của người hướng dẫn
• Nhận xét của người phản biện
• Tóm tắt
• Nhiệm vụ đồ án
• Lời nói đầu
• Danh sách các bảng, hình vẽ
• Danh sách các ký hiệu chữ viết, chữ viết tắt
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN MỨC
• 1.1. Giới thiệu bài toán điều khiển mức
• 1.2. Các phương pháp đo mức chất lỏng
• 1.3. Một số loại cảm biến phổ biến đo mức chất lỏng
• 1.3.1. Cảm biến tiệm cận điện dung
• 1.3.2. Cảm biến siêu âm
• 1.3.3. Cảm biến mức phao điện từ
• 1.3.4. Đo mức sử dụng cảm biến áp suất
• 1.4. Vai trò của bài toán điều khiển mức chất lỏng trong thực tế
• 1.5. Phương án thiết kế
• 2. CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ PLC S7-1200
• 2.1. Tổng quan về PLC
• 2.1.1. Định nghĩa PLC
• 2.1.2. Cấu trúc cơ bản của PLC
• 2.1.3. Module vào/ra của PLC được phân loại
• 2.1.4. Bộ nhớ PLC
• 2.1.5. Chu kỳ quét và thời gian quét PLC
• 2.1.6. Ngôn ngữ lập trình PLC
• 2.1.7. Tổ chức chương trình PLC
• 2.1.8. Ưu điểm và nhược điểm của PLC
• 2.1.9. Ứng dụng và các hãng sản xuất PLC
• 2.2. Giới thiệu về PLC S7-1200
• 2.2.1. Phân loại PLC S7 - 1200
• 2.2.2. Hình dạng bên ngoài
• 2.2.3. Cấu trúc bên trong
• 2.2.4. Module mở rộng
• 2.2.5. Phương pháp lập trình điều khiển
• 2.2.6. Ngôn ngữ lập trình (LAD)
• 2.2.7. Phần mềm lập trình cho S7-1200
• 2.3. Kết luận chương
• 3. CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM TIA PORTAL
• 3.1. Tổng quan về phần mềm TIA Portal
• 3.1.1. Các bước thiết kế một chương trình
• 3.1.2. Giao diện chính phần mềm SIMATIC TIA Portal
• 3.1.3. Tạo một Project mới và giao diện soạn thảo chương trình chính
• 3.1.4. Các thanh công cụ thường dùng
• 3.1.5. Các phần tử tập lệnh thường dùng
• 3.1.6. Nạp chương trình cho PLC
• 3.1.7. Giao tiếp giữa máy tính và PLC
• 3.2. Giới thiệu về WinCC
• 3.2.1. Các chức năng WinCC
• 3.2.2. Giao diện làm việc WinCC
• 3.2.3. Kết nối WinCC
• 3.3. Thiết lập dự án WinCC cơ bản
• 3.3.1. Tạo project cho dự án
• 3.3.2. Thêm thiết bị cho Project
• 3.3.3. Kết nối giữa PLC và PC systems
• 3.3.4. Tạo giao diện cho WinCC
• 3.3.5. Hiệu chỉnh giao diện và các đối tượng trong giao diện
• 3.4. Hiển thị các giá trị của quá trình
• 3.5. Cấu hình thông báo
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT MỨC CHẤT LỎNG TRONG BỂ CHỨA Ở KHU DÂN CƯ DÙNG PLC S7-1200
• 4.1. Yêu cầu công nghệ của hệ thống
• 4.2. Sơ đồ khối hệ thống
• 4.3. Lựa chọn thiết bị trong hệ thống
• 4.3.1. Khối đầu vào
• 4.3.2. Khối điều khiển
• 4.3.3. Khối cách li
• 4.3.4. Khối chấp hành
• 4.4. Sơ đồ tổng quan toàn hệ thống
• 4.5. Sơ đồ nối dây điều khiển của PLC
• 4.6. Sơ đồ đấu dây của tủ điện
• 4.7. Xây dựng chương trình điều khiển trên PLC S7 – 1200
• 4.7.1. Giản đồ thời gian
• 4.7.2. Chương trình điều khiển
• 4.8. Xây dựng giao diện điều khiển trên WinCC
• 4.8.1. Các đối tượng đồ họa trong project
• 4.8.2. Giao diện tổng quan màn hình WinCC
• 4.9. Mô phỏng hệ thống
• 4.10. Vận hành mô hình hệ thống thực tế và đánh giá thực nghiệm
• ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC HIỆN CỦA ĐỀ TÀI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng quan hệ thống điều khiển mức chất lỏng bằng PLC S7 1200

Trong bối cảnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa, các hệ thống tự động ngày càng khẳng định vai trò cốt lõi. Bài toán điều khiển mức là một trong những ứng dụng phổ biến và quan trọng nhất, xuất hiện trong nhiều lĩnh vực từ xử lý nước thải, công nghiệp thực phẩm, hóa chất đến quản lý tài nguyên nước trong các khu dân cư. Việc duy trì mức chất lỏng ổn định, chính xác không chỉ đảm bảo hiệu quả vận hành mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm và an toàn hệ thống. Giải pháp điều khiển mức chất lỏng bằng PLC S7-1200 nổi lên như một phương pháp hiệu quả, tin cậy và linh hoạt, thay thế cho các phương pháp thủ công hoặc bán tự động truyền thống. Nghiên cứu của Nguyễn Ngọc Hiếu và Bùi Hữu Nhã (2022) tại Đại học Đà Nẵng đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả của việc ứng dụng PLC S7-1200 kết hợp với giao diện HMI trên WinCC để xây dựng một mô hình giám sát và điều khiển hoàn chỉnh. Hệ thống này cho phép tự động hóa hoàn toàn quá trình bơm, xả, và duy trì mức nước trong các bể chứa, đồng thời cung cấp khả năng giám sát trực quan và điều khiển từ xa. Việc tích hợp bộ điều khiển logic lập trình (PLC) giúp hệ thống hoạt động ổn định, dễ dàng thay đổi thuật toán điều khiển và mở rộng trong tương lai mà không cần can thiệp sâu vào phần cứng.

1.1. Tầm quan trọng của bài toán điều khiển mức trong công nghiệp

Bài toán điều khiển mức chất lỏng là nền tảng trong vận hành nhiều quy trình công nghiệp. Mục tiêu chính là duy trì mức của một chất lỏng trong một bồn chứa hoặc bình phản ứng ở một giá trị mong muốn (setpoint) hoặc trong một khoảng cho phép. Việc kiểm soát không chính xác có thể dẫn đến nhiều hậu quả nghiêm trọng: tràn bể gây lãng phí nguyên liệu và ô nhiễm môi trường, cạn bể gây hư hỏng máy bơm và gián đoạn sản xuất. Trong các ngành như hóa dầu hay thực phẩm, việc duy trì tỷ lệ pha trộn chính xác phụ thuộc rất lớn vào khả năng kiểm soát mức ổn định. Theo tài liệu tham khảo, các hệ thống này được ứng dụng rộng rãi trong nhà máy xử lý nước, hệ thống làm mát của nhà máy điện, và đặc biệt là các tháp nước tự động tại khu dân cư. Một hệ thống điều khiển mức hiệu quả giúp tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên, tăng cường an toàn lao động và đảm bảo tính nhất quán của sản phẩm cuối cùng. Do đó, việc đầu tư vào các giải pháp tự động hóa hiện đại là một yêu cầu tất yếu.

1.2. Giới thiệu PLC S7 1200 và vai trò trong tự động hóa

Bộ điều khiển logic lập trình PLC S7-1200 của Siemens là một thiết bị điều khiển nhỏ gọn nhưng mạnh mẽ, được thiết kế cho các ứng dụng tự động hóa vừa và nhỏ. So với các thế hệ cũ như S7-200, S7-1200 có nhiều cải tiến vượt trội, đặc biệt là việc tích hợp sẵn cổng truyền thông PROFINET, cho phép kết nối mạng Ethernet và giám sát từ xa một cách dễ dàng. Cấu trúc của PLC S7-1200 bao gồm một CPU trung tâm, các module vào/ra (I/O) tích hợp và khả năng mở rộng linh hoạt. Thiết bị này được lập trình bằng phần mềm TIA Portal (Totally Integrated Automation Portal), một môi trường phát triển tích hợp cung cấp các công cụ mạnh mẽ cho việc lập trình logic (LAD, FBD), thiết kế giao diện HMI và cấu hình mạng. Trong bài toán điều khiển mức, PLC S7-1200 đóng vai trò là bộ não trung tâm, tiếp nhận tín hiệu từ các cảm biến, xử lý theo thuật toán đã lập trình và ra quyết định điều khiển các thiết bị chấp hành như máy bơm hay van điện từ.

II. Thách thức trong giám sát mức chất lỏng và giải pháp từ PLC

Việc giám sát và điều khiển mức chất lỏng theo phương pháp truyền thống tồn tại nhiều thách thức. Các hệ thống dựa trên rơle cơ điện hoặc sự can thiệp của con người thường có độ trễ lớn, độ chính xác thấp và khó đáp ứng các yêu cầu vận hành phức tạp. Sai sót do con người, hỏng hóc cơ khí và thiếu khả năng giám sát từ xa là những nguyên nhân chính gây ra sự cố vận hành. Giải pháp điều khiển mức chất lỏng bằng PLC S7-1200 ra đời để giải quyết triệt để những vấn đề này. Bằng cách sử dụng các cảm biến đo mức hiện đại, hệ thống có thể thu thập dữ liệu thời gian thực với độ chính xác cao. PLC S7-1200 xử lý thông tin này ngay lập tức, thực hiện các thuật toán điều khiển PID hoặc on-off để điều chỉnh hoạt động của máy bơm và van. Hơn nữa, việc kết hợp với phần mềm WinCC cho phép xây dựng một hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) mini, cung cấp giao diện đồ họa trực quan. Người vận hành có thể theo dõi trạng thái hệ thống, xem biểu đồ xu hướng, nhận cảnh báo và can thiệp điều khiển từ một máy tính trung tâm. Điều này không chỉ tăng hiệu quả mà còn giảm chi phí nhân công và nâng cao độ tin cậy cho toàn hệ thống.

2.1. Các phương pháp đo mức chất lỏng phổ biến hiện nay

Để thực hiện bài toán điều khiển, việc đo lường chính xác mức chất lỏng là yêu cầu tiên quyết. Hiện nay, có nhiều phương pháp và loại cảm biến được sử dụng. Cảm biến siêu âm hoạt động dựa trên nguyên lý phát sóng siêu âm xuống bề mặt chất lỏng và đo thời gian sóng phản xạ trở lại để tính toán khoảng cách. Đây là phương pháp đo không tiếp xúc, phù hợp cho các môi trường hóa chất ăn mòn hoặc yêu cầu vệ sinh cao. Một loại phổ biến khác là cảm biến mức phao điện từ (phao điện), hoạt động theo cơ chế on-off, báo tín hiệu khi mức chất lỏng đạt đến một ngưỡng nhất định (đầy hoặc cạn). Ngoài ra, còn có cảm biến tiệm cận điện dung có thể đo liên tục hoặc on-off, và phương pháp đo mức bằng cảm biến áp suất dựa trên nguyên tắc áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng. Việc lựa chọn loại cảm biến phù hợp phụ thuộc vào tính chất của chất lỏng, yêu cầu độ chính xác và điều kiện môi trường vận hành.

2.2. Hạn chế của phương pháp thủ công và vai trò của tự động hóa

Phương pháp điều khiển thủ công đòi hỏi sự giám sát liên tục của con người, dẫn đến chi phí nhân công cao và tiềm ẩn nhiều rủi ro. Phản ứng của con người thường chậm và không nhất quán, dễ gây ra tình trạng tràn hoặc cạn bể. Hơn nữa, việc ghi chép dữ liệu bằng tay không hiệu quả và khó truy xuất khi cần phân tích sự cố. Tự động hóa sử dụng PLC S7-1200 khắc phục hoàn toàn các nhược điểm này. Hệ thống hoạt động 24/7 với độ chính xác và ổn định cao. PLC có thể thực hiện các logic điều khiển phức tạp mà con người khó thực hiện. Khả năng thu thập và lưu trữ dữ liệu tự động của hệ thống SCADA giúp nhà quản lý có cái nhìn tổng quan về hiệu suất vận hành, từ đó đưa ra các quyết định cải tiến kịp thời. Vai trò của tự động hóa không chỉ là thay thế con người mà còn là công cụ để tối ưu hóa toàn bộ quy trình sản xuất và quản lý.

III. Hướng dẫn lựa chọn thiết bị cho hệ thống dùng PLC S7 1200

Việc lựa chọn thiết bị phù hợp là yếu tố quyết định đến sự thành công của dự án điều khiển mức chất lỏng bằng PLC S7-1200. Một hệ thống điển hình bao gồm ba khối chính: khối đầu vào (cảm biến), khối điều khiển (PLC) và khối chấp hành (máy bơm, van). Trong đề tài của Nguyễn Ngọc Hiếu và Bùi Hữu Nhã, khối điều khiển trung tâm là PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC, một phiên bản mạnh mẽ với 14 đầu vào số, 10 đầu ra số và 2 đầu vào analog tích hợp, đủ khả năng xử lý cho một mô hình phức tạp. Đối với khối đầu vào, việc kết hợp giữa cảm biến siêu âm (để đo mức liên tục) và phao điện (để báo mức cạn/đầy và bảo vệ bơm) là một lựa chọn tối ưu, vừa đảm bảo độ chính xác, vừa tăng cường độ an toàn. Khối chấp hành thường bao gồm các van điện từ để điều khiển dòng chảy và máy bơm nước. Ngoài ra, các thiết bị phụ trợ như rơle trung gian, nút nhấn, đèn báo, công tắc chuyển chế độ và nguồn cấp (24VDC, 12VDC) cũng cần được lựa chọn cẩn thận để đảm bảo sự tương thích và hoạt động ổn định của toàn bộ tủ điện điều khiển.

3.1. Phân tích bộ điều khiển trung tâm PLC S7 1200 CPU 1214C

Dòng CPU 1214C là một lựa chọn cân bằng giữa hiệu năng và chi phí trong họ S7-1200. Nó sở hữu bộ nhớ làm việc 25 Kbytes, bộ nhớ tải 1 Mbytes và tốc độ xử lý lệnh bit chỉ 0.1µs. Đặc biệt, việc tích hợp sẵn 2 ngõ vào analog (AI) là một lợi thế lớn, cho phép kết nối trực tiếp với các cảm biến có tín hiệu ra 0-10V hoặc 4-20mA như cảm biến siêu âm mà không cần module mở rộng. CPU này cũng hỗ trợ các bộ đếm tốc độ cao (HSC) và ngõ ra phát xung (PTO), hữu ích cho các ứng dụng điều khiển vị trí hoặc tốc độ. Khả năng mở rộng lên đến 8 module tín hiệu giúp hệ thống có thể dễ dàng nâng cấp trong tương lai. Cổng PROFINET tích hợp sẵn là nền tảng cho việc xây dựng hệ thống SCADA và kết nối với các thiết bị khác trong mạng công nghiệp.

3.2. Lựa chọn cảm biến đo mức Cảm biến siêu âm và phao điện

Trong mô hình nghiên cứu, hai loại cảm biến được sử dụng đồng thời để tăng độ tin cậy. Cảm biến siêu âm HC-SR04, kết hợp với vi điều khiển Arduino Nano để xử lý và chuyển đổi tín hiệu, được dùng để đo lường mức nước liên tục và hiển thị giá trị. Phương pháp này cung cấp dữ liệu chi tiết về lượng nước trong bể. Trong khi đó, phao điện dạng on/off được lắp đặt ở các vị trí mức cao nhất và thấp nhất. Chúng đóng vai trò như các công tắc hành trình, gửi tín hiệu trực tiếp về PLC để ngắt bơm khi bể đầy (chống tràn) và ngắt bơm khi bể cạn (chống cháy bơm). Sự kết hợp này tạo ra một cơ chế bảo vệ kép, đảm bảo hệ thống vận hành an toàn ngay cả khi một trong hai loại cảm biến gặp sự cố.

IV. Quy trình thiết kế hệ thống điều khiển mức trên TIA Portal

Quy trình thiết kế một dự án điều khiển mức chất lỏng bằng PLC S7-1200 trên phần mềm TIA Portal là một quá trình có cấu trúc rõ ràng. Đầu tiên là bước phân tích yêu cầu công nghệ, xác định các chế độ hoạt động (tự động, bằng tay), các điều kiện an toàn và logic điều khiển. Dựa trên phân tích này, một giản đồ thời gian được xây dựng để mô tả tuần tự hoạt động của các thiết bị. Tiếp theo là giai đoạn lập trình. Sử dụng TIA Portal, người kỹ sư tạo một project mới, cấu hình phần cứng cho PLC S7-1200 và bắt đầu viết chương trình điều khiển, thường là bằng ngôn ngữ LAD (Ladder Logic) vì tính trực quan và quen thuộc với kỹ sư điện. Song song với đó, giao diện giám sát HMI được thiết kế trên WinCC. Các đối tượng đồ họa như bồn chứa, đường ống, van, bơm, các trường hiển thị giá trị, nút nhấn và đèn báo được tạo ra và liên kết (tagging) với các biến trong chương trình PLC. Cuối cùng, chương trình được nạp xuống PLC và hệ thống được mô phỏng, kiểm thử trước khi vận hành thực tế.

4.1. Xây dựng chương trình điều khiển PLC bằng ngôn ngữ LAD

Ngôn ngữ lập trình LAD (Ladder Logic) là một ngôn ngữ đồ họa mô phỏng sơ đồ mạch rơle, rất phổ biến trong lập trình PLC. Chương trình được tổ chức thành các network (mạng lệnh), mỗi network thực hiện một chức năng logic cụ thể. Ví dụ, một network sẽ xử lý tín hiệu từ nút Start/Stop, một network khác xử lý tín hiệu từ các phao báo mức, và một network khác điều khiển đầu ra cho máy bơm. Trong TIA Portal, các khối lệnh như tiếp điểm thường hở (NO), tiếp điểm thường đóng (NC), cuộn dây (coil), timer, counter được kéo thả và kết nối với nhau để tạo thành mạch logic. Việc lập trình logic điều khiển bơm dựa trên tín hiệu từ các cảm biến, xử lý tín hiệu analog từ cảm biến siêu âm, và cài đặt các điều kiện khóa chéo an toàn là những phần cốt lõi của chương trình.

4.2. Thiết kế giao diện giám sát HMI với phần mềm WinCC

WinCC (Windows Control Center) là một thành phần trong TIA Portal dùng để tạo các ứng dụng HMI và SCADA. Quá trình thiết kế bắt đầu bằng việc tạo một màn hình giao diện (Screen). Trên đó, các đối tượng đồ họa từ thư viện có sẵn được sử dụng để mô phỏng hệ thống thực tế. Ví dụ, một hình chữ nhật có thể được dùng để biểu diễn bồn chứa, và thuộc tính Appearance của nó có thể được liên kết với biến đo mức nước để thay đổi màu sắc hoặc mức độ đầy vơi theo thời gian thực. Các nút nhấn trên giao diện cho phép người vận hành gửi lệnh điều khiển (Start, Stop, chuyển chế độ) đến PLC. Các trường I/O Field được dùng để hiển thị các giá trị số như mức nước, nhiệt độ. Chức năng Alarm Logging của WinCC cũng rất quan trọng, cho phép cấu hình các cảnh báo (ví dụ: mức nước quá cao, lỗi cảm biến) để thông báo kịp thời cho người vận hành.

4.3. Sơ đồ kết nối dây và lắp đặt tủ điện điều khiển

Sau khi hoàn tất phần mềm, việc đấu nối phần cứng là bước thực thi quan trọng. Sơ đồ nối dây điều khiển mô tả chi tiết cách kết nối các thiết bị với module I/O của PLC S7-1200. Nguồn 24VDC được cấp cho PLC và các cảm biến. Các tín hiệu từ nút nhấn, công tắc và phao điện được nối vào các ngõ vào số (Digital Input). Tín hiệu analog từ cảm biến siêu âm được nối vào ngõ vào analog (Analog Input). Các ngõ ra số (Digital Output) của PLC sẽ điều khiển các cuộn hút của rơle trung gian, từ đó đóng cắt nguồn cho các thiết bị công suất lớn hơn như máy bơm và van điện từ. Toàn bộ thiết bị như PLC, nguồn, rơle, cầu chì được lắp đặt gọn gàng và khoa học trong một tủ điện. Việc đi dây rõ ràng, dán nhãn cẩn thận giúp dễ dàng cho việc vận hành và bảo trì sau này.

V. Ứng dụng mô hình điều khiển mức chất lỏng trong thực tế

Mô hình điều khiển mức chất lỏng bằng PLC S7-1200 được xây dựng trong nghiên cứu không chỉ dừng lại ở lý thuyết mà đã được hiện thực hóa và vận hành thực nghiệm. Kết quả cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và đáp ứng đúng các yêu cầu công nghệ đề ra. Ở chế độ tự động, PLC duy trì chính xác mức nước trong các bể chứa dựa trên tín hiệu từ cảm biến siêu âm và phao điện. Khi một bể đầy, van xả tương ứng tự động mở và máy bơm ngừng hoạt động. Khi mức nước xuống dưới ngưỡng cài đặt, máy bơm tự động kích hoạt. Giao diện HMI trên WinCC hiển thị trực quan và chính xác trạng thái của toàn bộ hệ thống, bao gồm mức nước hiện tại, trạng thái hoạt động của bơm và van. Người vận hành có thể dễ dàng chuyển sang chế độ bằng tay để điều khiển trực tiếp từng thiết bị thông qua các nút nhấn trên giao diện. Quá trình mô phỏng và chạy thử nghiệm thực tế đã chứng minh độ tin cậy và tính ứng dụng cao của giải pháp, sẵn sàng để triển khai trong các hệ thống cấp nước cho khu dân cư hoặc các quy trình công nghiệp tương tự.

5.1. Mô phỏng hệ thống và vận hành mô hình thực nghiệm

Trước khi triển khai trên mô hình vật lý, chương trình điều khiển được mô phỏng bằng công cụ PLC-SIM tích hợp trong TIA Portal. Công cụ này tạo ra một PLC ảo trên máy tính, cho phép kiểm tra logic chương trình mà không cần phần cứng thực. Quá trình mô phỏng giúp phát hiện và sửa lỗi lập trình sớm, tiết kiệm thời gian và chi phí. Sau khi mô phỏng thành công, chương trình được nạp vào PLC S7-1200 thật. Mô hình thực tế bao gồm các bể chứa, máy bơm, hệ thống đường ống, van và tủ điện điều khiển được vận hành. Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống phản ứng nhanh với các thay đổi về mức nước. Dữ liệu từ giao diện giám sát WinCC khớp với các phép đo thực tế, khẳng định sự chính xác của cả phần cứng và phần mềm.

5.2. Đánh giá kết quả và độ chính xác của hệ thống giám sát

Hiệu quả của hệ thống được đánh giá dựa trên hai tiêu chí chính: độ ổn định và độ chính xác. Về độ ổn định, hệ thống hoạt động liên tục mà không xảy ra lỗi, các cơ chế bảo vệ như chống tràn và chống cạn hoạt động hiệu quả. Về độ chính xác, sai số giữa giá trị mức nước đo được từ cảm biến siêu âm hiển thị trên HMI và giá trị đo thủ công là rất nhỏ, nằm trong giới hạn cho phép của ứng dụng. Báo cáo của nhóm nghiên cứu kết luận rằng mô hình đã đạt được các mục tiêu đề ra: tự động hóa hoàn toàn quá trình điều khiển, cung cấp khả năng giám sát trực quan và đảm bảo hệ thống vận hành an toàn. Đây là một minh chứng rõ ràng cho hiệu quả của việc áp dụng PLC S7-1200 và TIA Portal vào các bài toán tự động hóa trong thực tế.

VI. Kết luận và hướng phát triển cho hệ thống PLC S7 1200

Dự án thiết kế hệ thống điều khiển mức chất lỏng bằng PLC S7-1200 đã thành công trong việc xây dựng một giải pháp tự động hóa toàn diện, hiệu quả và có tính ứng dụng cao. Việc sử dụng PLC S7-1200 làm bộ điều khiển trung tâm, kết hợp với các cảm biến hiện đại và giao diện giám sát HMI WinCC, đã giải quyết được những hạn chế của phương pháp điều khiển thủ công, mang lại độ chính xác, tin cậy và an toàn vượt trội. Hệ thống không chỉ đáp ứng tốt yêu cầu của bài toán cụ thể là quản lý bể nước khu dân cư mà còn có thể dễ dàng tùy biến để áp dụng cho nhiều quy trình công nghiệp khác. Hướng phát triển trong tương lai cho các hệ thống này là rất rộng mở. Việc tích hợp các công nghệ của Cách mạng Công nghiệp 4.0 như IoT (Internet of Things) để giám sát và điều khiển từ xa qua internet, ứng dụng thuật toán học máy (Machine Learning) để dự đoán nhu cầu sử dụng nước và tối ưu hóa lịch trình bơm, hay kết nối với các hệ thống quản lý tòa nhà thông minh (BMS) là những bước đi tiếp theo đầy tiềm năng. Những cải tiến này sẽ tiếp tục nâng cao hiệu quả và tính thông minh của hệ thống.

6.1. Tóm tắt ưu điểm của giải pháp điều khiển tự động

Giải pháp điều khiển mức chất lỏng tự động sử dụng PLC S7-1200 mang lại nhiều ưu điểm rõ rệt. Thứ nhất, độ tin cậy và ổn định cao do được vận hành bằng chương trình máy tính chính xác, loại bỏ sai sót của con người. Thứ hai, hiệu quả kinh tế cao thông qua việc giảm chi phí nhân công vận hành, tối ưu hóa việc sử dụng điện năng cho máy bơm và tránh lãng phí tài nguyên nước. Thứ ba, tính linh hoạt và khả năng mở rộng, cho phép dễ dàng thay đổi logic điều khiển bằng phần mềm TIA Portal hoặc thêm các module I/O khi cần nâng cấp hệ thống. Cuối cùng, khả năng giám sát và thu thập dữ liệu tập trung thông qua giao diện HMI giúp việc quản lý trở nên dễ dàng và hiệu quả hơn, đồng thời cung cấp dữ liệu quý giá cho việc phân tích và cải tiến quy trình.

6.2. Tiềm năng mở rộng và tích hợp công nghệ 4.0

Hệ thống điều khiển bằng PLC S7-1200 là một nền tảng vững chắc để tích hợp các công nghệ tiên tiến. Với cổng PROFINET, PLC có thể dễ dàng kết nối với mạng internet thông qua một router. Điều này mở ra khả năng xây dựng một hệ thống giám sát mức chất lỏng dựa trên nền tảng IoT. Dữ liệu từ cảm biến có thể được đẩy lên đám mây (cloud) để phân tích và truy cập từ bất kỳ đâu thông qua ứng dụng web hoặc di động. Thêm vào đó, việc tích hợp các thuật toán điều khiển thông minh hơn, như điều khiển mờ (Fuzzy Logic) hoặc các mô hình dự báo, có thể giúp hệ thống vận hành hiệu quả hơn nữa, ví dụ như bơm nước vào giờ thấp điểm để tiết kiệm chi phí điện. Những hướng phát triển này sẽ biến hệ thống điều khiển đơn thuần thành một phần của một hệ sinh thái thông minh và kết nối.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN MỨC 1.1 Giới thiệu bài toán điều khiển mức Tự động hoá là ngành công nghệ mà lao động con người trong thời đại hiện nay đang hướng tới nhằm giảm bớt sức chân tay trong các hoạt động sản xuất của công nghiệp và cũng là một trong những phương hướng phát triển chủ yếu của công nghiệp sản xuất. Việc ứng dụng thành công các thành tựu của lí thuyết điều khiển tối ưu, công nghệ thông tin, công nghệ máy tính, công nghệ điện điện tử và các lĩnh vực khoa học kĩ thuật khác trong những năm gần đây đã dẫn đến sự ra đời và phát triển thiết bị điều khiển lập trình PLC. Công nghệ tự động giám sát và điều khiển mức chất lỏng cũng được nhiều công ti, xí nghiệp cũng như các nhà máy ứng dụng nhiều nhằm thay thế việc giám sát và điều khiển mức chất lỏng bằng 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 một cách tin cậy mà không cần sự kiểm tra trực tiếp của con người. Công nghệ này được ứng dụng nhiều trong việc xử lí nước thải, lọc hoá dầu, nhà máy nước, nhà máy thuỷ điện, hệ thống làm mát nhiệt điện, hệ thống làm mát điện hạt nhân, các bề nước, tháp nước tự động, … 1.2 Các phương pháp đo mức chất lỏng Phương pháp đo mức là một cách làm để đo lường mức chất lỏng một cách đơn giản và hiệu quả nhất.

Nguyên lí đo mức dưới đây chúng ta coi chất lưu cần đo trong bình chứa chỉ là một loại duy nhất, bất biến. Trong thực tế, có nhiều phương pháp khác nhau được áp dụng để đo các mức chất lỏng trong từng điều kiện khác nhau. Tùy thuộc vào yêu cầu thực tế của bài toán và tính chất vật lí và hóa học của chất lỏng cần đo để lựa chọn phương pháp đo và các thiết bị đo phù hợp. Hiện nay các thiết bị cảm biến cũng sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, đời sống.

Mỗi loại đều có cách thức đo riêng và thế mạnh riêng về từng ứng dụng khác nhau.3 Một số loại cảm biến phổ biến đo mức chất lỏng Cảm biến là thiết bị dùng để đo, đếm, cảm nhận. các đại lượng vật lí, biến đổi các tín hiệu không điện thành các tín hiệu điện, tín hiệu từ cảm biến sẽ được chuyển 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. Sinh viên thực hiện: Nguyễn Ngọc Hiếu Người hướng dẫn: ThS.

Phan Thị Thanh Vân 2 Bùi Hữu Nhã TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Thiết kế mô hình hệ thống điều khiển và giám sát mức chất lỏng trong bể chứa ở khu dân cư dùng PLC S7-1200 1.1 Cảm biến tiệm cận điện dung Cảm biến tiệm cận điện dung là loại cảm biến kết cấu dạng que điện cực dài, được cắm trực tiếp vào chất lỏng cần đo. Để đo mức, báo mức chất lỏng, ta có 2 cách đo chính: Đo on/off: hay còn gọi là báo đầy, báo cạn chất lỏng ở 2 mức cụ thể. Thông thường, loại cảm biến này được dùng để điều khiển bơm (khi bể đầy thì tắt bơm, khi bể cạn thì mở bơm). Đo liên tục: là kiểu giám sát dung tích chất lỏng bên trong bồn chứa.

Loại này dùng để đo trong bồn chứa hiện tại có bao nhiêu lít nước, mức nước đang ở chiều cao bao nhiêu. 1Cảm biến điện dung đo on/off Sinh viên thực hiện: Nguyễn Ngọc Hiếu Người hướng dẫn: ThS. Phan Thị Thanh Vân 3 Bùi Hữu Nhã TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Thiết kế mô hình hệ thống điều khiển và giám sát mức chất lỏng trong bể chứa ở khu dân cư dùng PLC S7-1200 Hình ảnh 1. 2 Cảm biến điện dung đo mức chất lỏng - Nguyên lí hoạt động: Cảm biến báo mức nước bằng điện dung sẽ hoạt động thông qua cơ chế phát ra tần số.

Cụ thể thì tần số được phát ra ổn định trong suốt quá trình làm việc của cảm biến. Khi các loại vật liệu cần đo như chất lỏng hay chất rắn chạm vào đầu dò của cảm biến với một lượng vừa đủ có thể làm thay đổi tần số phát ra. Lúc này tùy vào phương thức đo lường của cảm biến là liên tục hay báo đầy báo cạn mà bộ phận xử lý sẽ cho ra tín hiệu tương ứng. Cảm biến điện dung đo mức liên tục thì mực vật chất dâng cao đến đâu cảm biến sẽ cho ra tín hiệu đến đó, vì dòng này thường được tiếp xúc hoàn toàn và xuyên suốt với vật chất trong thùng chứa.

Còn các dòng báo đầy báo cạn sẽ có kích thước ngắn hơn chuyên báo mức tại một vị trí nhất định và chỉ báo khi có mức vật liệu chạm vào đầu dò của chúng. - Ưu điểm: + Độ chính xác cao, dễ lắp đặt. + Chịu được nhiệt độ và áp suất cao. + Lắp đặt đơn giản, chỉ cần thiết kế ren và gắn vào thành bồn chứa.

+ Dùng được trong nhiều môi trường: xăng, dầu, chất rắn, nước,… + Điện dung có loại dây cáp nối dài đo tối đa 40m với độ chính xác khá cao. + Thông số kỹ thuật: Sinh viên thực hiện: Nguyễn Ngọc Hiếu Người hướng dẫn: ThS. Phan Thị Thanh Vân 4 Bùi Hữu Nhã TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Thiết kế mô hình hệ thống điều khiển và giám sát mức chất lỏng trong bể chứa ở khu dân cư dùng PLC S7-1200 • Nguồn cấp: 6 - 30V DC. • Chuẩn bảo vệ: IP68.

• Loại cable sử dụng: PVC 2x0,34 mm2. • Tín hiệu output: PNP, NAMUR. • Nhiệt độ môi trường hoạt động: -25°C – +105°C. • Nhiệt độ phần chân ren chịu được: -25°C – +105°C.

• Áp suất tối đa chịu được: 5 MPa (50 bar). • Có phiên bản Xi và NT dành cho môi trường nhiệt độ và áp suất cao. • Xuất xứ: được sản xuất trực tiếp tại Cộng hòa Séc. • Tín hiệu đầu ra: Đối với loại cảm biến đo mức liên tục, tín hiệu output thường là 4-20mA, 0-10V hoặc ModBUS RTU.

Còn đối với loại cảm biến đo mức on/off thì tín hiệu output là dạng PNP hoặc NAMUR.2 Cảm biến siêu âm Cảm biến siêu âm là cảm biến đo mức chất lỏng mà không cần tiếp xúc. Loại cảm biến này rất an toàn để đo trong các môi trường có nguy cơ cháy nổ cao, chẳng hạn như đo mức xăng, dầu… Tuy nhiên, không phải vì phương pháp đo mức này là không tiếp xúc mà nó giảm độ chính xác. Loại cảm biến này có độ chính xác rất cao khi sai số chỉ là 0,15% trên toàn dải đo. Sinh viên thực hiện: Nguyễn Ngọc Hiếu Người hướng dẫn: ThS.

Phan Thị Thanh Vân 5 Bùi Hữu Nhã TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Thiết kế mô hình hệ thống điều khiển và giám sát mức chất lỏng trong bể chứa ở khu dân cư dùng PLC S7-1200 Hình ảnh 1. 3 Cảm biến siêu âm đo mức Nguyên lí hoạt động của dòng cảm biến này là khi gắn trên nắp bồn chứa, bộ phận phát sóng siêu âm sẽ phát 1 chùm sóng xuống bề mặt chất lỏng. Chùm sóng này sau khi gặp bề mặt chất lỏng sẽ phản xạ lại cảm biến. Lúc này cảm biến sẽ đóng vai trò là bộ thu sóng.

Sau khi sóng siêu âm đã được thu lại, bộ phận xử lý trong cảm biến sẽ tính toán được khoảng cách từ cảm biến đến bề mặt chất lỏng dựa trên vận tốc của sóng siêu âm và thời gian sóng phản xạ lại. Lấy chiều cao bồn chứa trừ đi khoảng cách này, cảm biến sẽ tính ra được chiều cao mức chất lỏng trong bồn. - Ưu điểm: + Phương pháp đo không tiếp xúc mà vẫn đảm bảo độ chính xác cao với sai số 0,15%. + Cảm biến có màn hình hiển thị rõ ràng, giúp quan sát mức chất lỏng tốt hơn.

+ Tín hiệu output có thể là 4-20mA / 0-10V / Modbus RTU. + Có thể thay đổi được khoảng cách dễ dàng bằng cách chỉnh trực tiếp trên màn hình. - Nhược điểm: Sinh viên thực hiện: Nguyễn Ngọc Hiếu Người hướng dẫn: ThS. Phan Thị Thanh Vân 6 Bùi Hữu Nhã TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Thiết kế mô hình hệ thống điều khiển và giám sát mức chất lỏng trong bể chứa ở khu dân cư dùng PLC S7-1200 + Cảm biến siêu âm thích hợp gắn trong những bồn chứa có chiều rộng vì nếu bồn hẹp thì sóng siêu âm sẽ bị cản bởi thành bồn.

+ Khả năng chịu được nhiệt độ và áp suất không cao, nhiệt độ cao nhất là 70 độ C, áp suất cao nhất là 1 bar. + Vùng mù của cảm biến siêu âm mỗi một loại cảm biến siêu âm đều có 1 khoảng cách được gọi là vùng mù của cảm biến siêu âm. Đây là khoảng cách từ bộ phát của cảm biến tính xuống phía dưới. 4 Vùng mù của cảm biến siêu âm 1.3 Cảm biến mức phao điện từ Phao cảm biến mức nước hay còn gọi là phao điện, phao báo mực nước là thiết bị cảm biến mức nước được thiết kế dạng phao giúp đo chính xác lưu lượng nước có trong bể chứa, bồn chứa, hồ chứa.truyền kết quả đo về bộ phận điều khiển nhằm đảm bảo cho máy bơm nước không bị cháy mỗi khi chạy không tải, hoặc tác dụng giúp chống tràn.

Tín hiệu của loại này là on/off hoặc 4-20mA. Cấu tạo phần thân của cảm biến được làm từ nhiều chất liệu khác nhau như inox, PVC, PP,… Sinh viên thực hiện: Nguyễn Ngọc Hiếu Người hướng dẫn: ThS. Phan Thị Thanh Vân 7 Bùi Hữu Nhã TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Thiết kế mô hình hệ thống điều khiển và giám sát mức chất lỏng trong bể chứa ở khu dân cư dùng PLC S7-1200 Hình ảnh 1. 5 Cảm biến dạng phao đo on/off Hình ảnh 1.

6 Cảm biến dạng phao tuyến tính - Nguyên lí hoạt động: Với dạng on/off nguyên tắc hoạt động là: Khi dung môi ở mức thấp thì phao cạn (on) sẽ báo cho rơle đóng công tắc bật motor bơm hoạt động, cho đến khi dung môi trong bồn lên mức cao (hay đầy) thì phao báo đầy (off) sẽ rơle ngắt công tắc tắt motor bơm ngưng hoạt động. Sinh viên thực hiện: Nguyễn Ngọc Hiếu Người hướng dẫn: ThS. Phan Thị Thanh Vân 8 Bùi Hữu Nhã TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Thiết kế mô hình hệ thống điều khiển và giám sát mức chất lỏng trong bể chứa ở khu dân cư dùng PLC S7-1200 Với dạng tuyến tính thì cảm biến mức theo sự thay đổi mức điện trở, và mức thay đổi điện trở này được chuyển đổi thành tín hiệu 4-20mA tương ứng.