Khóa luận tốt nghiệp điều khiển ồn định độ cao bồn nước đơn dùng crad giao tiếp ni6008

Khóa luận điều khiển ổn định độ cao bồn nước đơn. Ứng dụng CRAD giao tiếp NI6008, giải pháp hiệu quả và tối ưu cho hệ thống tự động hóa.

• Người hướng dẫn: Ths. Nguyễn Phú Công
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghiệp Thực Phẩm TPHCM
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Điều Khiển Ổn Định Độ Cao Bồn Nước Đơn Dùng Crad Giao Tiếp NI6008
• Loại tài liệu: Khóa Luận Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• DANH SÁCH HÌNH
• DANH SÁCH BẢNG
• DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
• 1.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.2. Phương pháp nghiên cứu
• 1.3. Tổng quan Card NI USB-6008
• 1.4. Cảm biến áp suất thuỷ tĩnh
• 1.5. Ưu nhược điểm của cảm biến
• 1.6. Cảm biến áp suất ALS-MPM-2F
• 1.7. Biến tần điều khiển động cơ
• 1.8. Động cơ bơm ba pha
• 1.9. Nguyên lý hoạt động của máy bơm nước 3 pha
• 1.10. Cấu tạo của máy bơm nước 3 pha
• 1.11. Ưu điểm của máy bơm nước 3 pha
• 1.12. Ứng dụng của máy bơm nước 3 pha
• 1.13. Những loại máy bơm 3 pha phổ biến
• 1.14. Thuật toán PID
• 1.15. Bộ điều khiển tỉ lệ P
• 1.16. Bộ điều khiển tích phân tỉ lệ I
• 1.17. Bộ điều khiển tích phần tỉ lệ D
• 1.18. Tổng hợp 3 khâu, bộ điều khiển PID
• 1.19. Các phương pháp tìm thông số PID
• 2. TỔNG QUAN NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH LABVIEW
• 2.1. Giới thiệu LabVIEW
• 2.2. Vai trò của LabVIEW
• 2.3. Các chức năng chính của LabVIEW
• 2.4. Các thành phần của LabVIEW
• 2.5. Bảng giao diện (The Front Panel)
• 2.6. Icon và Connect Pane
• 2.7. Bảng các hàm chức năng (Function palette)
• 2.8. Hàm cấu trúc – Structures Function
• 2.9. Hàm Boolean – Boolean Function
• 2.10. Hàm mảng – Function Array
• 2.11. Hàm thời gian – Timer Function
• 2.12. Hàm cụm và biến thể - Cluter & Variant Function
• 2.13. Hàm đồ họa và âm thanh – Graphic & Sound Function
• 2.14. Hàm số học – Numeric Function
• 2.15. Hàm đồng bộ hóa – Synchronization Function
• 2.16. Hàm chuỗi – String Function
• 2.17. Hàm dạng sóng – Waveform Function
• 2.18. Hàm so sánh – Comparison Function
• 2.19. Hàm điều khiển ứng dụng – Application Control Function
• 2.20. Hàm Dialog & User Interface
• 2.21. Hàm phát sinh báo cáo – Report Generation Function
• 2.22. Hàm File I/O – File I/O Function
• 2.23. Kết nối và làm việc với Card NI-USB 6008
• 3. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH
• 3.1. Sơ đồ khối của hệ thống ổn định bồn nước đơn
• 3.2. Yêu cầu công nghệ
• 3.3. Quy trình làm việc của mô hình
• 3.4. Thiết kế phần cơ khí
• 3.5. Thiết kế sơ đồ mạch điện
• 3.6. Giao diện điều khiển hệ bồn đơn trên LabVIEW
• 3.7. Chương trình code LabVIEW
• 3.8. Kết quả thi công hệ thống
• 3.9. Phần cơ khí hoàn thiện
• 3.10. Kết quả vận hành
• 4. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 4.1. Hạn chế của đề tài
• 4.2. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Toàn cảnh đề tài điều khiển ổn định độ cao bồn nước

Trong bối cảnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa, các hệ thống điều khiển tự động đóng vai trò xương sống trong nhiều lĩnh vực sản xuất quan trọng như hóa chất, thực phẩm, năng lượng và xử lý nước. Một trong những bài toán kinh điển và thiết thực nhất là điều khiển mức chất lỏng trong bồn chứa. Việc duy trì ổn định độ cao mực nước không chỉ đảm bảo chất lượng sản phẩm trong các quy trình pha trộn, chiết rót mà còn là yếu tố then chốt cho sự an toàn và hiệu quả vận hành của toàn bộ hệ thống. Đề tài khóa luận tốt nghiệp điều khiển ổn định độ cao bồn nước đơn dùng card giao tiếp NI6008 tập trung giải quyết bài toán này bằng cách tiếp cận hiện đại, kết hợp giữa lý thuyết điều khiển tự động vững chắc và công nghệ phần cứng, phần mềm tiên tiến. Đối tượng nghiên cứu chính là một hệ bồn nước đơn, một mô hình phi tuyến điển hình, phản ánh nhiều thách thức trong thực tế. Mục tiêu cốt lõi là thiết kế và xây dựng một hệ thống hoàn chỉnh có khả năng tự động điều chỉnh lưu lượng nước vào, thông qua việc điều khiển máy bơm nước, để giữ cho mực nước trong bồn luôn bám theo một giá trị đặt (setpoint) cho trước với sai số xác lập ở mức tối thiểu. Để thực hiện mục tiêu này, khóa luận sử dụng bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative), một thuật toán phổ biến và hiệu quả, được triển khai trên nền tảng phần mềm LabVIEW. Phần mềm này không chỉ mạnh mẽ trong việc xây dựng thuật toán mà còn cung cấp khả năng thiết kế giao diện HMI LabVIEW trực quan để giám sát và điều khiển. Việc giao tiếp giữa máy tính và các thiết bị ngoại vi như cảm biến mực nước và biến tần được thực hiện thông qua card thu thập dữ liệu DAQ đa năng NI-USB 6008. Sự kết hợp này tạo ra một giải pháp toàn diện, từ mô hình hóa, mô phỏng Simulink đến triển khai thực tế, mang lại giá trị học thuật và ứng dụng cao.

1.1. Tầm quan trọng của hệ thống điều khiển mức chất lỏng

Các hệ thống điều khiển bồn nước là một phần không thể thiếu trong các ngành công nghiệp quy trình. Chúng xuất hiện trong các nhà máy lọc hóa dầu, hệ thống xử lý nước thải, dây chuyền sản xuất thực phẩm và đồ uống, hay các nhà máy sản xuất giấy. Mục đích chính là duy trì một lượng chất lỏng ổn định trong bồn chứa để phục vụ cho các công đoạn sản xuất tiếp theo. Sự ổn định này ảnh hưởng trực tiếp đến độ đồng đều của sản phẩm, hiệu suất của phản ứng hóa học, và sự an toàn của thiết bị. Một hệ thống không ổn định có thể gây ra hiện tượng tràn hoặc cạn bồn, dẫn đến lãng phí nguyên vật liệu, hư hỏng thiết bị, và thậm chí là các tai nạn nguy hiểm. Vì vậy, việc xây dựng một hệ thống có khả năng tự động đo lường và điều chỉnh mức nước với độ chính xác cao là một yêu cầu cấp thiết.

1.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của khóa luận

Đối tượng nghiên cứu chính của khóa luận này là một hệ bồn nước đơn. Đây là một hệ phi tuyến đặc trưng, nơi mối quan hệ giữa tín hiệu điều khiển (điện áp cấp cho máy bơm) và biến quá trình (mực nước) không phải là một đường thẳng. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các công việc: thiết kế và thi công mô hình cơ khí cho bồn chứa và hệ thống đường ống; lựa chọn và lắp đặt các thiết bị phần cứng như cảm biến áp suất thủy tĩnh, máy bơm nước 3 pha, biến tần, và card NI-USB 6008; xây dựng mô hình toán học hệ bồn nước; thiết kế bộ điều khiển PID; lập trình thuật toán điều khiển và giao diện giám sát trên LabVIEW; cuối cùng là tiến hành thực nghiệm để đánh giá đáp ứng hệ thống và so sánh với kết quả mô phỏng.

II. Thách thức khi điều khiển ổn định độ cao bồn nước đơn

Việc điều khiển ổn định độ cao bồn nước đơn không phải là một bài toán đơn giản do những đặc tính vốn có của hệ thống. Thách thức lớn nhất đến từ tính phi tuyến của đối tượng. Lưu lượng nước xả ra khỏi bồn phụ thuộc vào căn bậc hai của chiều cao cột nước, tạo ra một mối quan hệ phức tạp mà các bộ điều khiển tuyến tính truyền thống khó có thể xử lý hoàn hảo trên toàn bộ dải hoạt động. Thêm vào đó, hệ thống luôn chịu tác động của các yếu tố nhiễu từ môi trường, chẳng hạn như sự thay đổi áp suất nguồn nước cấp, sự sụt áp của nguồn điện, hoặc sự thay đổi đặc tính của máy bơm nước theo thời gian. Những yếu tố này có thể làm giảm độ chính xác và tính ổn định của hệ thống. Mặc dù bộ điều khiển PID được sử dụng rộng rãi nhờ cấu trúc đơn giản và hiệu quả, nó cũng bộc lộ những hạn chế nhất định. Việc lựa chọn một bộ thông số PID tối ưu (Kp, Ki, Kd) cho hệ phi tuyến là một công việc đòi hỏi nhiều thực nghiệm và tinh chỉnh. Một bộ thông số hoạt động tốt ở một điểm làm việc nhất định có thể cho đáp ứng hệ thống kém ở một điểm làm việc khác. Nếu các thông số của hệ thống thay đổi (ví dụ, van xả bị tắc nghẽn một phần), bộ điều khiển PID kinh điển có thể không còn đảm bảo được chất lượng điều khiển, dẫn đến vọt lố cao và sai số xác lập lớn. Do đó, việc hiểu rõ các thách thức này là bước đầu tiên và quan trọng nhất để có thể thiết kế bộ điều khiển hiệu quả và xây dựng một hệ thống đáng tin cậy.

2.1. Phân tích đặc tính phi tuyến của hệ bồn nước đơn

Đặc tính phi tuyến của hệ bồn nước đơn chủ yếu xuất phát từ phương trình Torricelli, mô tả mối quan hệ giữa vận tốc dòng chảy ra và chiều cao cột chất lỏng. Cụ thể, lưu lượng xả (Q_out) tỉ lệ với căn bậc hai của độ cao mực nước (h). Điều này có nghĩa là khi mực nước thấp, một sự thay đổi nhỏ trong tín hiệu điều khiển có thể gây ra thay đổi lớn về mực nước. Ngược lại, khi mực nước cao, hệ thống trở nên "ì" hơn. Sự thay đổi độ lợi động học này trên toàn dải hoạt động làm cho việc áp dụng một bộ điều khiển PID với các thông số cố định trở nên khó khăn. Mô hình toán học hệ bồn nước phải phản ánh chính xác đặc tính này để việc mô phỏng Simulink và thiết kế lý thuyết có giá trị tham khảo cho hệ thống thực.

2.2. Hạn chế của bộ điều khiển PID kinh điển trong thực tế

Mặc dù là công cụ mạnh mẽ, bộ điều khiển PID kinh điển không phải là giải pháp hoàn hảo cho mọi vấn đề. Nhược điểm chính của nó là sự nhạy cảm với sự thay đổi tham số của đối tượng và sự hiện diện của nhiễu. Trong một hệ thống điều khiển bồn nước, các tham số như hệ số ma sát của máy bơm hay tiết diện của van xả có thể thay đổi do mài mòn hoặc cặn bẩn. Khi đó, bộ thông số PID đã được tối ưu trước đây có thể không còn phù hợp, dẫn đến chất lượng điều khiển suy giảm. Hơn nữa, khâu vi phân (D) trong bộ điều khiển rất nhạy với nhiễu tần số cao trong tín hiệu đo từ cảm biến mực nước, có thể gây ra các dao động không mong muốn trong tín hiệu điều khiển. Do vậy, việc áp dụng các phương pháp lọc tín hiệu và các kỹ thuật tinh chỉnh thông số PID nâng cao là cần thiết.

III. Phương pháp xây dựng mô hình và thiết kế bộ điều khiển

Để giải quyết bài toán điều khiển ổn định độ cao bồn nước, phương pháp tiếp cận có hệ thống là cực kỳ quan trọng, bắt đầu từ việc xây dựng mô hình toán học và kết thúc bằng việc thiết kế một bộ điều khiển hiệu quả. Bước đầu tiên là xây dựng mô hình toán học hệ bồn nước, dựa trên các định luật vật lý cơ bản như định luật bảo toàn khối lượng. Phương trình vi phân thu được sẽ mô tả mối quan hệ động học giữa lưu lượng vào, lưu lượng ra và sự thay đổi độ cao mực nước theo thời gian. Mô hình này là nền tảng cho các bước tiếp theo, cho phép thực hiện mô phỏng Simulink để phân tích và kiểm chứng các thuật toán điều khiển trước khi áp dụng vào thực tế. Dựa trên mô hình toán học, bước tiếp theo là thiết kế bộ điều khiển. Trong khuôn khổ khóa luận này, thuật toán điều khiển PID được lựa chọn do tính phổ biến và hiệu quả đã được chứng minh. Quá trình thiết kế không chỉ đơn thuần là lựa chọn thuật toán mà còn bao gồm việc tìm ra bộ ba thông số Kp, Ki, Kd tối ưu. Các phương pháp kinh điển như Ziegler-Nichols thường được sử dụng làm điểm khởi đầu. Sau đó, quá trình tinh chỉnh thủ công (manual tuning) dựa trên quan sát đáp ứng hệ thống trên mô phỏng hoặc thực nghiệm sẽ được tiến hành. Mục tiêu là đạt được một đáp ứng nhanh, có độ vọt lố thấp, thời gian xác lập ngắn và sai số xác lập bằng không. Việc hiểu rõ ảnh hưởng của từng thành phần P, I, và D lên chất lượng điều khiển là chìa khóa để tinh chỉnh thành công.

3.1. Xây dựng mô hình toán học cho hệ thống bồn nước

Việc xây dựng mô hình toán học hệ bồn nước bắt đầu từ phương trình cân bằng lưu lượng: sự thay đổi thể tích nước trong bồn theo thời gian bằng hiệu số giữa lưu lượng vào (Qin) và lưu lượng ra (Qout). Lưu lượng vào thường được coi là tỉ lệ với tín hiệu điều khiển cấp cho máy bơm nước. Lưu lượng ra được mô tả bởi định luật Torricelli, tỉ lệ với căn bậc hai của chiều cao mực nước. Từ đó, ta có thể thiết lập một phương trình vi phân phi tuyến mô tả động học của hệ thống. Để phục vụ cho việc thiết kế các bộ điều khiển tuyến tính như PID, mô hình phi tuyến này thường được tuyến tính hóa quanh một điểm làm việc xác định, tạo ra một hàm truyền đạt xấp xỉ cho hệ thống.

3.2. Nguyên lý và phương pháp tối ưu bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID hoạt động dựa trên ba thành phần. Khâu tỉ lệ (P) tạo ra tín hiệu điều khiển tỉ lệ với sai lệch hiện tại, giúp hệ thống phản ứng nhanh. Khâu tích phân (I) loại bỏ sai số xác lập bằng cách tích lũy sai lệch theo thời gian. Khâu vi phân (D) dự đoán xu hướng của sai lệch và có tác dụng giảm vọt lố, cải thiện tính ổn định. Phương pháp tối ưu thông số PID phổ biến là Ziegler-Nichols. Phương pháp này yêu cầu xác định độ lợi tới hạn (Kgh) và chu kỳ tới hạn (Tgh) của hệ thống, từ đó tính toán các thông số Kp, Ki, Kd theo các công thức có sẵn. Đây là một phương pháp hiệu quả để có được bộ thông số ban đầu, sau đó sẽ được tinh chỉnh thêm để phù hợp với yêu cầu chất lượng cụ thể của đáp ứng hệ thống.

IV. Hướng dẫn dùng LabVIEW và NI 6008 điều khiển bồn nước

Việc triển khai hệ thống điều khiển ổn định độ cao bồn nước trong thực tế đòi hỏi một nền tảng phần cứng và phần mềm mạnh mẽ. Khóa luận này sử dụng một giải pháp hiệu quả cao dựa trên phần mềm lập trình đồ họa LabVIEW và card thu thập dữ liệu DAQ đa năng NI-USB 6008 của National Instruments. LabVIEW đóng vai trò là bộ não trung tâm, nơi thực thi thuật toán điều khiển PID, xử lý tín hiệu từ cảm biến và tạo ra tín hiệu điều khiển cho cơ cấu chấp hành. Ưu điểm lớn của LabVIEW là môi trường lập trình trực quan, cho phép người dùng xây dựng các chương trình phức tạp bằng cách kết nối các khối chức năng, giúp giảm đáng kể thời gian phát triển. Trong ứng dụng này, LabVIEW được dùng để thiết kế một giao diện HMI LabVIEW thân thiện, hiển thị các thông số quan trọng như mực nước thực tế, giá trị đặt, tín hiệu điều khiển, và đồ thị đáp ứng theo thời gian. Card NI-USB 6008 hoạt động như một cầu nối tin cậy giữa thế giới số (máy tính) và thế giới tương tự (cảm biến, biến tần). Nó có nhiệm vụ đọc tín hiệu điện áp tương tự từ cảm biến mực nước, số hóa và gửi về cho LabVIEW xử lý. Sau khi LabVIEW tính toán ra tín hiệu điều khiển, card NI 6008 sẽ xuất ra một tín hiệu điện áp tương tự tương ứng để điều khiển tốc độ máy bơm nước thông qua biến tần. Quá trình này tạo thành một vòng điều khiển kín, cho phép hệ thống tự động duy trì mức nước mong muốn một cách chính xác và ổn định.

4.1. Vai trò của LabVIEW trong thu thập dữ liệu và giám sát

LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) là một công cụ lý tưởng cho các ứng dụng đo lường và điều khiển. Trong đề tài này, LabVIEW không chỉ thực thi thuật toán PID mà còn đảm nhiệm vai trò thu thập dữ liệu DAQ và giám sát hệ thống. Chương trình LabVIEW liên tục đọc dữ liệu từ ngõ vào tương tự của card NI 6008, thực hiện các phép xử lý tín hiệu cần thiết như lọc nhiễu, chuyển đổi đơn vị đo từ Vôn sang centimet. Đồng thời, nó xây dựng một giao diện HMI LabVIEW cho phép người vận hành dễ dàng đặt giá trị mực nước mong muốn, theo dõi đồ thị đáp ứng của hệ thống theo thời gian thực, và lưu trữ dữ liệu để phân tích sau này. Khả năng này giúp quá trình thí nghiệm và đánh giá hệ thống trở nên hiệu quả và trực quan hơn rất nhiều.

4.2. Giao tiếp phần cứng với Card NI USB 6008 đa chức năng

Card NI-USB 6008 là một thiết bị thu thập dữ liệu DAQ nhỏ gọn nhưng mạnh mẽ. Nó cung cấp 8 ngõ vào tương tự (Analog Input), 2 ngõ ra tương tự (Analog Output) và 12 đường I/O số. Trong hệ thống này, một ngõ vào tương tự được sử dụng để đọc tín hiệu từ cảm biến mực nước (thường là tín hiệu dòng 4-20mA được chuyển đổi thành điện áp 1-5V). Một ngõ ra tương tự được dùng để xuất tín hiệu điều khiển (ví dụ 0-5V) tới biến tần, qua đó điều khiển tốc độ của máy bơm nước 3 pha. Việc lập trình giao tiếp với card NI 6008 trong LabVIEW rất đơn giản nhờ bộ thư viện NI-DAQmx, cung cấp các khối chức năng (VI) chuyên dụng cho việc đọc và ghi dữ liệu, giúp người lập trình tập trung vào thuật toán điều khiển thay vì các chi tiết giao tiếp cấp thấp.

V. Phân tích kết quả điều khiển ổn định độ cao bồn nước

Sau khi hoàn tất việc thiết kế và thi công, bước quan trọng nhất là vận hành và đánh giá hiệu quả của hệ thống điều khiển ổn định độ cao bồn nước. Quá trình này bao gồm việc thu thập dữ liệu thực nghiệm, phân tích đáp ứng hệ thống và so sánh với các kết quả từ mô phỏng Simulink. Các kịch bản thử nghiệm khác nhau được tiến hành, ví dụ như thay đổi giá trị đặt (setpoint) đột ngột hoặc tạo ra các nhiễu tác động (ví dụ, mở một van xả phụ) để kiểm tra tính bền vững và khả năng đáp ứng của bộ điều khiển. Dữ liệu thu thập được từ LabVIEW, bao gồm giá trị mực nước thực tế và tín hiệu điều khiển, sẽ được vẽ thành đồ thị để phân tích các chỉ tiêu chất lượng. Các chỉ tiêu này bao gồm: độ vọt lố (overshoot), thời gian tăng (rise time), thời gian xác lập (settling time), và sai số xác lập (steady-state error). Việc phân tích các chỉ số này cho phép đánh giá một cách khách quan mức độ thành công của bộ điều khiển PID đã được thiết kế. Một hệ thống tốt sẽ có độ vọt lố thấp, thời gian xác lập nhanh và sai số xác lập gần như bằng không. So sánh kết quả thực nghiệm với mô phỏng cũng là một bước quan trọng. Sự tương đồng giữa hai kết quả cho thấy mô hình toán học hệ bồn nước đã được xây dựng chính xác và bộ điều khiển được thiết kế trên lý thuyết có thể áp dụng tốt vào thực tế. Những khác biệt có thể chỉ ra những yếu tố chưa được mô hình hóa như độ trễ của cơ cấu chấp hành hoặc sai số của cảm biến mực nước.

5.1. So sánh đáp ứng hệ thống giữa mô phỏng và thực tế

Việc so sánh kết quả giữa mô phỏng Simulink và thực nghiệm là một bước kiểm chứng quan trọng. Mô phỏng cung cấp một môi trường lý tưởng để kiểm tra thuật toán, trong khi thực nghiệm phản ánh hoạt động của hệ thống trong điều kiện thực tế với đầy đủ các yếu tố nhiễu và phi tuyến tính không được mô hình hóa. Các đồ thị đáp ứng hệ thống từ hai môi trường này được đặt cạnh nhau để so sánh các chỉ tiêu chất lượng. Sự sai khác có thể xuất phát từ việc tuyến tính hóa mô hình, độ trễ của van điều khiển và máy bơm, hoặc nhiễu đo lường. Phân tích những sai khác này giúp hiểu sâu hơn về hệ thống và cung cấp thông tin để cải thiện cả mô hình lẫn bộ điều khiển.

5.2. Đánh giá sai số xác lập và chất lượng điều khiển

Chất lượng điều khiển được đánh giá dựa trên các thông số định lượng. Sai số xác lập là chỉ tiêu quan trọng nhất, cho biết độ chính xác của hệ thống khi đã ổn định. Với một bộ điều khiển PID được thiết kế đúng, nhờ có khâu tích phân (I), sai số này phải tiến về không. Các chỉ tiêu khác như độ vọt lố và thời gian xác lập thể hiện tính năng động của hệ thống. Một hệ thống có độ vọt lố cao có thể không được chấp nhận trong nhiều ứng dụng công nghiệp. Dựa trên các kết quả thu được ở nhiều mức đặt khác nhau (ví dụ: 10cm, 20cm, 30cm), một bảng tổng hợp chất lượng sẽ được lập ra để đưa ra kết luận cuối cùng về hiệu năng của hệ thống điều khiển ổn định độ cao bồn nước.

VI. Kết luận và hướng phát triển đề tài điều khiển bồn nước

Đề tài khóa luận tốt nghiệp điều khiển ổn định độ cao bồn nước đơn dùng card giao tiếp NI6008 đã hoàn thành các mục tiêu đề ra, xây dựng thành công một hệ thống điều khiển tự động hoàn chỉnh và hoạt động ổn định. Khóa luận đã trình bày một cách có hệ thống các bước thực hiện, từ khảo sát lý thuyết điều khiển tự động, xây dựng mô hình toán học hệ bồn nước, thiết kế bộ điều khiển PID, đến việc thi công phần cứng và lập trình phần mềm điều khiển, giám sát trên LabVIEW. Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống có đáp ứng hệ thống tốt, bám sát giá trị đặt với sai số xác lập nhỏ, chứng tỏ sự kết hợp giữa thuật toán PID và nền tảng phần cứng của National Instruments là một giải pháp hiệu quả và đáng tin cậy cho bài toán điều khiển mức. Tuy nhiên, bên cạnh những kết quả đạt được, đề tài vẫn còn một số hạn chế nhất định và mở ra nhiều hướng phát triển tiềm năng trong tương lai. Các hạn chế có thể bao gồm việc mô hình chưa xét hết các yếu tố phi tuyến phức tạp hoặc bộ điều khiển PID kinh điển vẫn còn hạn chế khi hệ thống có sự thay đổi lớn về tham số. Từ đó, các hướng phát triển có thể tập trung vào việc áp dụng các thuật toán điều khiển tiên tiến hơn như điều khiển mờ (Fuzzy Logic), điều khiển thích nghi, hoặc sử dụng các kỹ thuật nhận dạng hệ thống để cập nhật mô hình online. Việc mở rộng hệ thống từ bồn đơn lên các hệ bồn nối tiếp hoặc bồn tương tác (hệ MIMO) cũng là một hướng nghiên cứu đầy hứa hẹn.

6.1. Tổng kết những kết quả đã đạt được của khóa luận

Khóa luận đã thành công trong việc thiết kế và chế tạo mô hình vật lý của hệ thống điều khiển bồn nước đơn. Hệ thống đã được tích hợp hoàn chỉnh các thiết bị phần cứng bao gồm cảm biến mực nước, máy bơm nước, biến tần và card NI-USB 6008. Thuật toán điều khiển PID đã được triển khai thành công trên môi trường LabVIEW, cùng với một giao diện HMI LabVIEW trực quan. Các kết quả thực nghiệm đã chứng minh khả năng hoạt động ổn định và chính xác của hệ thống, đáp ứng được các yêu cầu công nghệ đặt ra ban đầu. Đây là một minh chứng rõ ràng cho việc ứng dụng kiến thức điều khiển tự động vào giải quyết một bài toán thực tế.

6.2. Các hướng nghiên cứu và cải tiến trong tương lai

Để nâng cao hiệu năng và tính linh hoạt của hệ thống, có nhiều hướng phát triển có thể được xem xét. Thứ nhất, có thể nghiên cứu và áp dụng các giải thuật điều khiển thông minh như Fuzzy-PID hoặc PID-Nơron để cải thiện khả năng đáp ứng của hệ thống với các đặc tính phi tuyến và sự thay đổi của môi trường. Thứ hai, có thể mở rộng mô hình thành hệ hai bồn, ba bồn nối tiếp, đây là những bài toán điều khiển phức tạp và có tính ứng dụng cao hơn trong công nghiệp. Hướng thứ ba là tích hợp khả năng giám sát và điều khiển hệ thống từ xa qua mạng Internet (IoT), cho phép quản lý và vận hành hệ thống một cách linh hoạt hơn. Cuối cùng, việc sử dụng các thiết bị phần cứng cao cấp hơn như NI myRIO có thể cho phép triển khai các thuật toán phức tạp hơn ngay trên thiết bị nhúng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1. Lý chọn đề tài Trong nền công nghiệp hiện đại ngày nay việc ứng dụng các hệ thống bồn chứa vào các lĩnh vực hóa chất, thực phẩm, dầu khí, thủy lợi, thủy điện thì đã rất phổ biến. Việc xây dựng một hệ thống có thể tự động đo và điều chỉnh mức nước là rất quan trọng.

Với yêu cầu ứng dụng thực tế như trên, đề tài sẽ thực hiện nghiên cứu đối tượng chính ở đây là điều khiển và ổn định mức nước bồn nước đơn. Hệ thống bồn nước đơn được hình thành giữa hệ thống bơm và xả nước phải được giữ ổn định với giá trị đặt trước, làm mức nước trong bồn luôn luôn giữ một giá trị đặt trước không đổi. Hệ bồn đơn là một hệ phi tuyến khó điều khiển và một số ứng dụng đòi hỏi mực chất lỏng trong bồn phải được kiểm soát một mức nhất định. Vì vậy, vấn đề kiểm soát được mức chất lỏng tại vị trí xác định đặt ra sao cho ổn định nhất.

Chính từ đó hình thành các phương pháp điều khiển kiểm soát mức nước của bồn chứa. Mục đích Nhằm ứng dụng các kiến thức đã được trang bị trong quá trình học tập vào thực tế, em đã lựa chọn đề tài " Điều khiển ổn định độ cao bồn nước đơn dùng card giao tiếp NI6008". Nội dung chính của hệ thống là xử lý tín hiệu từ cảm biến áp suất thuỷ tĩnh để điều khiển hoạt động của hệ thống bơm ổn định mực chất lỏng trong bồn. Hệ thống này có khả năng ứng dụng rộng rãi trong hệ thống chiết rót chai tự động, hệ thống pha trộn nguyên liệu chất lỏng, các trạm chứa nước cung cấp cho sinh hoạt và sản xuất.

Ngoài ra, nó có thể làm nền tảng để ứng dụng các thuật toán điều khiển vào các hệ thống khác như ổn định lò nhiệt, hệ thống ổn định áp suất đường ống dẫn chất lỏng. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu chính ở là hệ bồn đơn - Thiết kế và thi công hệ thống bơm ổn định mức nước - Thiết kế mạch điều khiển mực nước - Sử dụng phần mềm LabVIEW để điều khiển và giám sát quá trình hệ thống ổn định mức nước. Phương pháp nghiên cứu -1- Với sự phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động ngày nay, có rất nhiều phương pháp để điều khiển mức nước của hệ thống bồn nước đơn nhưng trong đề tài này sẽ sự dụng bộ điều khiển PID để khảo sát tính ổn định của bồn nước đơn. Nghiên cứu sử dụng phần mềm LabVIEW để ổn định mức nước trong bồn chứa và hiển thị.

Tổng quan Card NI USB-6008 NI USB-6008 là thiết bị DAQ đa chức năng, sở hữu các ngõ ra/vào tương tự kỹ thuật số, cùng với bộ đến 32 bit. NI USB-6008 cung cấp chức năng cơ bản cho các ứng dụng như ghi dữ liệu, các phép đo linh động và các hoạt động đo trong phòng thí nghiệm. Thiết bị có vỏ bọc cơ học nhẹ và được cấp nguồn bằng dây bus để dễ dàng di chuyển. Bạn có thể dễ dàng kết nối các cảm biến và tín hiệu với NI USB-6008 bằng vít.

Tiện ích cấu hình và driver NI-DAQmax đi kèm giúp đơn giản hoá cấu hình và phép đo. Card NI-USB 6008 Các tính năng kỹ thuật chính của Card NI-USB 6008: - Kết nối với máy tính qua cổng USB - Bộ đếm: 32 bit - Đọc 8 kênh analog vào card (độ phân giải 14 bit, 48kS/s ) - Xuất 2 analog (12 bit, 150kS/s) -3- - 12 kênh xuất/nhập tín hiệu số (digital I/O ) Sơ đồ khối của Card NI-USB 6008: Hình 2. 2 Sơ đồ khối Card NI-USB 6008 Tóm tắt thông số kỹ thuật của Card NI-USB 6008: Bảng 2. Thông số kỹ thuật của Card NI-USB 6008 Thông số chung Chuẩn kết nối USB Hỗ trợ hệ điều hành Windows, Linux, Mac, Pocket PC Kiểu đo Điện áp xung Họ DAQ B Series Đọc tín hiệu analog Số kênh 8 SE/4 DI Tốc độ lấy mẫu 48kS/s Độ phân giải 14 bits Trích mẫu thời gian Không Ngưỡng điện áp giới hạn lớn nhất -10 đến 10 V Độ chính xác 138 mV Ngưỡng điện áp giới hạn nhỏ -1 đến 1 V -4- nhất Độ chính xác 37,5 mV Số giới hạn 8 Bộ nhớ tích hợp Xuất tín hiệu analog Số kênh 2 Tốc độ cập nhật 150 kS/s Độ phân giải 12 bits Ngưỡng điện áp giới hạn lớn nhất 0 đến 5V Độ chính xác 7 mV Ngưỡi điện áp giới hạn nhỏ nhất 0 đến 5 V Độ chính xác 7 mV Tín hiệu điều khiển dòng điện 5 mA đến 10 mA Xuất/nhập tín hiệusố ( digital) Số kênh 12 DIO gồm: P0<0-7): 8; P<0.3>: 4 Tín hiệu ngõ vào/ra Mỗi kênh có thể được lập trình riêng để xác định ngõ vào hoặc ngõ ra Phạm vi điện áp tuyệt đối -0,5V đến 5.8V so với D GND Bộ đếm và bộ hẹn giờ Số bộ đếm/hẹn giờ 1 Độ phân giải DAC 32 bits Tần số nguồn lớn nhất 50 MHz Độ rộng xung nhỏ nhất 100 ns Độ ổn định 50 ppm Kích thước Dài 8,51 cm Rộng 8,18 cm Dày 2,31 cm Đầu nối vào ra Sử dụng tua vit tháo lắp Cấu tạo bên ngoài của Card NI-USB 6008 -5- Hình 2.

Cấu tạo bên ngoài của Card Ni-USB 6008 Trong đó: 1-Nhãn và định hướng chấn 3 – Nhãn tín hiệu 2-Bộ nối bắt vít 4 – Cáp USB Sơ đồ chân của Card USB-NI 6008: Hình 2. Sơ đồ chân của Card NI-USB 6008 Bảng 2. Ký hiệu chân của Card NI-USB 6008 GND Nối đất AI <0.7> Ngõ vào Analog AO <0, 1> Ngõ ra Analog P0. Port 0 Digital I/O 0 đến 7 <0.

Port 1 Digital I/O 0 đến 7 <0.3> PFI 0 Kênh để tín hiệu kích hoạt ngõ vào + 2,5V Một kênh xuất tín hiệu điện áp 2,5V. (Luôn xuất ra trong khi kết nối USB) +5V Một kênh xuất tín hiệu điện áp 5V.Cảm biến áp suất thuỷ tĩnh Cảm biến đo lường mực nước dạng áp suất thuỷ tĩnh là một loại thiết bị cảm biến có khả nắng đo lường chất lỏng nói chung. Chúng là một loại cảm biến có khả năng đo lường mực chất lỏng một cách liên tục, tức là đo từ 0-100% giá trị mực chất lỏng có trong bồn chứa. Vì chúng là dòng đo liên tục nên sẽ có các cổng kết nối ngõ ra cho phép chúng ta kết nối với các thiết bị hộ trợ như màn hình hiển thị, PLC hay bộ chuyển đổi tín hiệu,… Hình 2.

Một số loại cảm biến áp suất thuỷ tĩnh 2. Ưu nhược điểm của cảm biến Ưu điểm: không giới hạn khoảng cách thành bồn với cảm biến. Cảm biến áp suất thủy tĩnh đo không giới hạn -7- Cảm biến đo mức nước thuỷ tĩnh có giới hạn đo lên tới 200m. Tức là khoảng cách đo lớn nhất của cảm biến là 200m nước tính từ mặt nước.

Dù có giới hạn là 200m nước nhưng ít có khi nào chúng ta đo tới mức nước này. Khi càng xuống sâu thì áp suất càng lớn điều này tạo nên một áp lực rất lơn trên dây của cảm biến áp suất thuỷ tĩnh. Giới hạn của cảm biến bị tác động bởi mối nối giữa đầu cảm biến và dây tín hiệu. Khi càng xuống thấp thì áp suất càng tăng điều này làm hỏng sự kín nước của các seal chống nước.

Nếu nhược điểm của cảm biến không ảnh hưởng tới quá trình hoạt động thì nhược điểm này không đáng kể. Nếu nhược điểm dẩn tới quá điều kiện cho phép thì chúng ta không nên chọn cảm biến đo mức nước thuỷ tĩnh. Một số nhược điểm của cảm biến áp suất thủy tĩnh: - Không thể cài được: Thang đo của cảm biến áp suất thuỷ tĩnh phải bằng hoặc lớn hơn chiều sâu của mức nước cần đo. Đây là điều bắt buộc phải chọn đúng trước khi sử dụng cảm biến áp suất thuỷ tĩnh để đo mức nước.

- Không thể nối dây dưới nước - Không hiển thị giá trị đo.Cảm biến áp suất ALS-MPM-2F Hình 2. Cảm biến áp suất ALS-MPM-2F Thông số kỹ thuật của cảm biến áp suất thuỷ tĩnh ALS-MPM-2F: - Môi trường đo là chất lỏng (tuyệt đối không thể đo chất lỏng ăn mòn thép không gỉ, ngoại trừ nước, không nên đo các chất lỏng khác). - Chiều dài cáp tín hiệu: xấp xỉ 6m/16,4ft -8- - Độ chính xác của phép đo: 0,2% FS - Tín hiệu đầu ra: 4-20mA - Điện áp nguồn: 24VDC - Phạm vi đo: 0~4m - Trọng lượng: 577 garm - Kích thước đầu dò: xấp xỉ 11,2x2,8cm 2. Biến tần điều khiển động cơ Biến tần là thiết bị làm thay đổi tần số dòng điện đặt lên cuộn dây bên trong động cơ và thông qua đó có thể điều khiển tốc độ động cơ một cách vô cấp, không cần dùng đến các hộp số cơ khí.

Biến tần thường sử dụng các linh kiện bán dẫn để đóng ngắt tuần tự các cuộn dây của động cơ để làm sinh ra từ trường xoay làm quay rô-to (rotor). Cấu tạo chung của biến tần Các bộ phận chính của biến tần 3 pha: - Mạch chỉnh lưu: đây là bộ phận giúp chúng ta có thể nắn phẳng điện áp DC, từ đó biến đổi qua mạch chỉnh lưu. - Mạch nghịch lưu: điện áp AC được tạo thành từ điện áp DC nhờ vào công nghệ PWM. Bộ phận này sử dụng để đóng cắt bán dẫn, còn gọi là công nghệ băm xung, và có thể bật cũng như tắt dễ dàng hơn.

- Mạch điều khiển: giúp kiểm soát điều khiển máy cũng như cài đặt chương trình chạy cho biến tần 3 pha. Biến tần Mitsubishi là thiết bị được sản xuất tại Nhật Bản, với yêu cầu sản xuất khắt khe đảm bảo chất lượng, hoạt động ổn định. Biến tần Mitsubishi được sử dụng trong các dây chuyền sản xuất, hệ thống tự động hoá, hệ thống điều khiển trong các nhà máy,… để điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha, ngoài ra còn giúp -9- bảo vệ động cơ, giảm dòng điện khi khởi động và khi dừng, tiết kiệm điện,… Thông tin mô tả biến tần Mitsubishi FR-D700 - Điện áp: 220V hoặc 380V - Các chế độ điều khiển: Forward/Reveres, Multi speed, PID control, truyền thông,… - Chức năng bảo vệ động cơ khi quá tải, ngắn mạch khi đang hoạt. - năng bảo vệ động cơ khi quá tải, ngắn mạch khi đang hoạt động.

- Có chân kết nối điện trở thắng cho ứng dụng cần dừng nhanh. - Có thể thể gắn thêm card mở rộng I/O, card truyền thông. - Tích hợp thêm cổng kết nối màn hình rời. - Khả năng chịu quá tải 150% trong 60s, 200% trong 0.

Biến tần Mitsubishi FR-D700 Đấu nối thiết bị: - L1/R, L2/S, R3/T đầu vào nguồn mạch chính kết nối nguồn điện 3 pha - L1/R, L2/S đầu vào nguồn mạch chính kết nối nguồn điện 1 pha Đấu nối động lực với biến tần: -10- Hình 2.