Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, kỹ thuật điều khiển tự động đóng vai trò then chốt nhằm tối ưu hóa dây chuyền sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thiểu chi phí vận hành. Tại các ngành công nghiệp chế biến chất lỏng như hóa chất, nước uống đóng chai, sản xuất sữa, nước mắm và dầu ăn, việc kiểm soát chính xác mức chất lỏng và lưu lượng dòng chảy trong bồn chứa là yêu cầu kỹ thuật bắt buộc. Việc duy trì ổn định mức nước giúp đảm bảo dây chuyền vận hành liên tục, nâng cao tuổi thọ thiết bị cơ khí - thủy lực, đồng thời loại bỏ hoàn toàn các sự cố tràn hoặc cạn bồn khi lưu lượng tiêu thụ ở đầu ra biến động mà không cần nhân công can thiệp thủ công liên tục.

Hệ thống bồn mức là đối tượng điều khiển có quán tính và độ trễ, đòi hỏi bộ điều khiển phải có tốc độ đáp ứng nhanh và độ chính xác cao khi có tác động của nhiễu tải (thay đổi độ mở van xả). Đề tài "Thiết kế và thi công mô hình ổn định mức nước" được nhóm tác giả lựa chọn nhằm giải quyết bài toán điều khiển tự động mức chất lỏng thông qua việc kết hợp giữa bộ điều khiển lập trình PLC, biến tần, động cơ bơm và cảm biến đo mức liên tục.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài bao gồm:

  1. Thiết kế, thi công hệ thống phần cứng xác lập mối quan hệ giữa bồn nước, chất lỏng, cảm biến, hệ thống PLC, biến tần, bơm và màn hình giao tiếp HMI.
  2. Lựa chọn thiết bị phần cứng phù hợp cho mô hình thực nghiệm.
  3. Xây dựng giải thuật điều khiển trên PLC theo yêu cầu đề tài, điều khiển bơm theo thông số cài đặt mức chất lỏng bằng thuật toán PID.
  4. Sử dụng phần mềm DOPSOFT để thiết kế giao diện điều khiển và giám sát hoạt động của hệ thống thông qua màn hình HMI.

Nhiệm vụ cụ thể được xác định trong đồ án:

  1. Thiết kế hệ thống điện và mạch động lực cho mô hình.
  2. Thiết kế và thi công mô hình cơ khí đo mức nước và bơm nước tuần hoàn.
  3. Ứng dụng PLC S7-200 CPU 224 kết hợp các module mở rộng tín hiệu tương tự (EM231, EM232) và biến tần Delta để điều khiển tốc độ máy bơm.
  4. Thiết kế giao diện vận hành, giám sát và cài đặt thông số trên màn hình HMI Delta.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điều khiển mức chất lỏng tự động bao gồm PLC Siemens S7-200 CPU 224, module analog EM231, EM232, biến tần Delta VFD-EL, màn hình cảm ứng HMI Delta DOP-B07S411, cảm biến siêu âm Carlo Gavazzi UA18CLD05AGTR và động cơ máy bơm ly tâm 3 pha 220V.
  • Phạm vi không gian: Mô hình thực nghiệm quy mô phòng thí nghiệm tại Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
  • Phạm vi thời gian: Đề tài được thực hiện từ tháng 10/2015 đến tháng 01/2016.
  • Giới hạn nghiên cứu: Hệ thống được xây dựng dưới dạng mô hình thực nghiệm đơn giản; mục tiêu tập trung vào việc ổn định mức chất lỏng tại bồn trên; môi chất sử dụng trong toàn bộ quá trình thử nghiệm là nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án dựa trên các nền tảng kỹ thuật điều khiển tự động và thiết bị công nghiệp:

  • Cấu trúc và nguyên lý làm việc của bộ điều khiển logic khả trình (PLC) họ SIMATIC S7-200 CPU 224 của hãng Siemens: Hoạt động theo chu trình quét lặp (scan cycle) gồm các giai đoạn nhập dữ liệu từ ngoại vi vào bộ đệm ảo, thực thi chương trình, truyền thông và kiểm tra lỗi, chuyển dữ liệu từ bộ đệm ảo ra ngoại vi. Cấu trúc bộ nhớ gồm vùng nhớ chương trình (Program memory), vùng nhớ tham số (Parameter memory), vùng nhớ dữ liệu (Data memory) và vùng nhớ đối tượng (Object memory).
  • Xử lý tín hiệu tương tự (Analog) trong tự động hóa: Nguyên lý chuyển đổi tín hiệu qua module mở rộng ngõ vào tương tự EM231 (chuyển đổi tín hiệu điện áp 0-10V hoặc dòng điện 0-20mA/4-20mA sang giá trị số 16-bit dải 0-32000 đơn cực) và module mở rộng ngõ ra tương tự EM232 (chuyển đổi giá trị số dải 0-32000 thành tín hiệu điện áp 0-10V hoặc dòng điện 0-20mA điều khiển biến tần).
  • Lý thuyết giải thuật điều khiển PID kinh điển: Hàm điều khiển liên tục dạng $u(t) = P_{out} + I_{out} + D_{out} = K_p e(t) + K_i \int e(t)dt + K_d \frac{de(t)}{dt}$. Tác giả phân tích vai trò của từng khâu: khâu tỷ lệ ($P$) làm giảm sai số xác lập và tăng tốc độ đáp ứng nhưng có thể gây vọt lố; khâu tích phân ($I$) triệt tiêu sai số xác lập để đưa sai số về 0 nhưng làm tăng độ vọt lố; khâu vi phân ($D$) phản ứng với tốc độ thay đổi của sai lệch giúp giảm biên độ vọt lố và ổn định hệ thống.
  • Phương pháp xác định thông số bộ điều khiển PID: Phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất (dựa trên đáp ứng quá độ nấc của hệ hở có dạng đường cong chữ S để xác định thời gian trễ $L$ và hằng số thời gian $T$) và phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai (dựa trên hệ kín có bộ khuếch đại thuần tỷ lệ đưa đến biên giới dao động duy trì để tìm độ lợi tới hạn $K_{gh}$ và chu kỳ dao động tới hạn $T_{gh}$).
  • Lý thuyết truyền thông nối tiếp công nghiệp: Chuẩn truyền thông RS-485 (giao thức PPI và Modbus RTU) phục vụ ghép nối truyền dữ liệu giữa PLC, HMI và biến tần; chuẩn truyền thông RS-232 phục vụ nạp chương trình từ máy tính cá nhân qua cáp PC/PPI.

Phương pháp nghiên cứu được triển khai bao gồm:

  • Phương pháp thu thập và phân tích tài liệu kỹ thuật từ catalog của nhà sản xuất (Siemens, Delta, Carlo Gavazzi).
  • Phương pháp thiết kế kỹ thuật và tính toán phối ghép phần cứng: Phân chia hệ thống thành 5 khối chức năng (khối nguồn, khối cảm biến, khối điều khiển PLC, khối cơ cấu chấp hành, khối giao diện HMI).
  • Phương pháp thực nghiệm và hiệu chỉnh: Chạy thử nghiệm mô hình thực tế, cài đặt giá trị đặt mức nước khác nhau, tạo nhiễu bằng cách mở các van cơ xả đáy để kiểm tra khả năng ổn định và bù lưu lượng của giải thuật PID.

Nguồn dữ liệu sử dụng:

  • Dữ liệu thông số kỹ thuật phần cứng trích xuất từ tài liệu hướng dẫn sử dụng của Siemens S7-200, module EM231, EM232; biến tần Delta VFD-EL; màn hình Delta DOP-B07S411; cảm biến Carlo Gavazzi UA18CLD05AGTR.
  • Dữ liệu thực nghiệm thu thập trực tiếp từ mô hình đo đạc mức nước thực tế và các đồ thị đáp ứng trích xuất qua giao diện giám sát HMI.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc điều khiển vòng kín, phân chia thành 5 khối chức năng chính:

Tên thiết bị / Khối chức năng Mã hiệu / Quy cách Thông số kỹ thuật chính Vai trò trong hệ thống
Khối nguồn Nguồn tổ ong 24VDC Điện áp vào: 110-220VAC; Điện áp ra: 24VDC - 5A; Kích thước: 200 x 110 x 50 mm Cung cấp nguồn 24VDC cho PLC, module mở rộng, cảm biến, relay và màn hình HMI
Khối điều khiển trung tâm Siemens SIMATIC S7-200 CPU 224 Nguồn 24VDC, 14 ngõ vào số (DI), 10 ngõ ra số (DO Transistor), bộ nhớ chương trình 12KB, dữ liệu 8KB Xử lý logic, thực thi thuật toán điều khiển PID và truyền thông với HMI
Module ngõ vào tương tự Siemens EM231 4 ngõ vào Analog, độ phân giải 12-bit (áp), 11-bit (dòng), nhận tín hiệu 0-10V, 0-20mA/4-20mA Đọc tín hiệu điện áp/dòng điện từ cảm biến siêu âm chuyển đổi sang số (AIW0)
Module ngõ ra tương tự Siemens EM232 2 ngõ ra Analog, độ phân giải 12-bit (áp), 11-bit (dòng), xuất tín hiệu 0-10V hoặc 0-20mA Xuất tín hiệu điều khiển analog (AQW0) từ thuật toán PID sang biến tần Delta
Cảm biến mức nước Carlo Gavazzi UA18CLD05AGTR Cảm biến siêu âm, khoảng cách đo 60-500mm, nguồn 15-30VDC, ngõ ra 4-20mA / 0-10V, góc chùm tia 8° Đo khoảng cách mức nước trong bồn trên theo nguyên lý Time-of-Flight ($d = v \cdot t / 2$)
Biến tần điều khiển Delta VFD-EL Series Nguồn vào 1 pha 220VAC, tần số ra 0.1-600Hz (sử dụng 0-60Hz), tần số sóng mang 12kHz, tích hợp RS-485 Nhận tín hiệu analog từ PLC qua chân AVI/ACM để điều chỉnh tốc độ quay của động cơ bơm
Cơ cấu chấp hành Máy bơm ly tâm 3 pha Nguồn 220VAC 50Hz, công suất 400W (0.53HP), cột áp 7m, lưu lượng tối đa 95 lít/phút, họng hút/đẩy phi 21mm Bơm nước tuần hoàn từ bồn dưới lên bồn trên theo tần số điều khiển của biến tần
Giao diện người - máy (HMI) Delta DOP-B07S411 Màn hình màu cảm ứng 7 inch, hỗ trợ cổng truyền thông RS-485 Giao diện cho người vận hành cài đặt mức nước (SP), nút START/STOP và hiển thị mức nước thực (PV)
Kết cấu cơ khí và thủy lực Bồn chứa kính, khung sắt, van cơ 2 bồn kính (600x370x400 mm), 2 van cơ xả đáy bồn trên phi 21mm, 1 van xả đáy bồn dưới, ống dẫn phi 21/27mm Chứa nước, dẫn dòng chảy tuần hoàn và tạo nhiễu xả tải phục vụ thực nghiệm

Quy trình triển khai điều khiển và lập trình phần mềm:

  • Phần mềm Step 7-Micro/WIN: Được sử dụng để soạn thảo chương trình điều khiển cho PLC S7-200. Chương trình bao gồm khối chương trình chính (Main Program) thực thi tuần hoàn, các chương trình con xử lý hàm tính toán tỷ lệ cho tín hiệu analog vào/ra và khối hàm thuật toán PID. Bộ điều khiển so sánh liên tục giá trị mức nước đo được từ cảm biến (PV) với giá trị mức đặt từ HMI (SP) để tính toán sai số $e(t)$, từ đó xuất tín hiệu điều khiển ra biến tần qua module EM232.
  • Phần mềm DOPSOFT: Được sử dụng để thiết kế giao diện đồ họa trên màn hình cảm ứng Delta HMI. Giao diện được cấu hình qua cổng truyền thông RS-485 chuẩn Modbus kết nối với CPU 224, bao gồm màn hình giới thiệu hệ thống và màn hình điều khiển chính với các đối tượng hiển thị số (Numeric Display) để đọc giá trị mức nước, ô nhập liệu (Numeric Entry) để cài đặt mức nước mong muốn, cùng các nút ấn chức năng (START/STOP) và đèn báo trạng thái động cơ (vàng: báo nguồn, xanh: động cơ chạy, đỏ: động cơ dừng).

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của việc tự động hóa quá trình điều khiển mức và lưu lượng chất lỏng trong các ngành công nghiệp sản xuất. Tác giả xác định rõ mục tiêu chế tạo mô hình phần cứng gồm 2 bồn nước đặt song song, ứng dụng PLC Siemens S7-200 CPU 224, biến tần Delta VFD-EL, cảm biến siêu âm Carlo Gavazzi và HMI Delta DOP-B07S411. Chương này cũng nêu cụ thể 4 mục tiêu nghiên cứu, 4 nhiệm vụ thực hiện, các đối tượng khảo sát và 3 điểm giới hạn của đề tài (mô hình đơn giản, tập trung ổn định mức nước, môi chất sử dụng duy nhất là nước).

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2 cung cấp cơ sở lý thuyết chi tiết về phần cứng điều khiển và giải thuật toán học:

  • Khảo sát cấu trúc phần cứng PLC S7-200 CPU 224 (nguồn 24VDC, 14 ngõ vào số DI, 10 ngõ ra số DO), cấu trúc vòng quét, các vùng nhớ chức năng, cổng truyền thông nối tiếp RS-485 9 chân với tốc độ baud chuẩn 9600 và chế độ tự do 38.4 kbaud.
  • Trình bày thông số kỹ thuật, cấu trúc mạch bên trong, sơ đồ đấu dây và bảng cấu hình switch chuyển đổi chế độ đo đơn cực/lưỡng cực của 2 module mở rộng analog chuyên dụng: module ngõ vào EM231 (4 AI) và module ngõ ra EM232 (2 AO).
  • Phân tích toán học giải thuật điều khiển PID liên tục và chức năng riêng biệt của ba khâu thành phần $P$, $I$, $D$ thông qua các phương trình và đồ thị đáp ứng.
  • Trình bày cơ sở tính toán thông số bộ điều khiển PID theo hai phương pháp kinh điển Ziegler-Nichols thứ nhất (dựa trên đáp ứng chữ S của hệ hở) và Ziegler-Nichols thứ hai (dựa trên giới hạn dao động của hệ kín có bộ khuếch đại tỷ lệ).

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Chương 3 đi sâu vào thiết kế chi tiết 5 khối chức năng của toàn bộ mô hình:

  • Yêu cầu thiết kế: Người vận hành nhập giá trị mức nước cần ổn định trên HMI; khi nhấn START, máy bơm hoạt động bơm nước lên bồn trên với tần số tối đa 60Hz và tự động giảm dần khi mức nước tiệm cận giá trị đặt nhờ giải thuật PID; hệ thống duy trì mức nước ổn định kể cả khi thay đổi lưu lượng van xả.
  • Lựa chọn và mô tả thông số kỹ thuật của các thiết bị: Cảm biến siêu âm Carlo Gavazzi UA18CLD05AGTR (nguồn 15-30VDC, khoảng cách 60-500mm, tín hiệu 4-20mA/0-10V, 3 dây đấu nối xanh/đỏ/đen); máy bơm ly tâm 3 pha 220V công suất 400W (0.53HP, cột áp 7m, lưu lượng 95 lít/phút); biến tần Delta VFD-EL (cấu trúc bàn phím, chân điều khiển AVI, ACM, MI1-MI6, relay ngõ ra); relay trung gian 24VDC; đèn báo; 2 bồn kính (kích thước 600 x 370 x 400 mm), 2 van cơ xả đáy bồn trên phi 21mm và đường ống dẫn.
  • Xây dựng sơ đồ nối dây toàn diện giữa PLC CPU 224 với module EM231, EM232, biến tần Delta, cảm biến siêu âm, relay và sơ đồ mạch động lực cấp nguồn cho động cơ máy bơm.
  • Thiết lập lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển cho hệ thống bơm lọc và nguyên tắc lựa chọn thông số PID cho mô hình.

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT VÀ THU THẬP DỮ LIỆU

Chương 4 tập trung vào quy trình thiết kế giao diện HMI:

  • Xác định yêu cầu điều khiển, giám sát và kết nối truyền thông giữa màn hình HMI Delta DOP-B07S411 và PLC S7-200 qua cổng COM theo chuẩn RS-485.
  • Hướng dẫn các bước sử dụng phần mềm DOPSOFT: Khởi tạo dự án, chọn model màn hình, thiết lập cổng giao tiếp, khai báo loại PLC Siemens S7-200.
  • Thiết kế chi tiết các đối tượng giao diện trên màn hình HMI: Cấu hình ô hiển thị số (Numeric Display) trỏ đến ô nhớ dữ liệu mức nước đo được từ cảm biến, ô nhập số (Numeric Entry) cho giá trị đặt Setpoint, tạo các nút nhấn chức năng START/STOP với địa chỉ bit tương ứng trong PLC và gán hình ảnh chỉ thị trực quan.
  • Hoàn thiện hai màn hình giao diện chính: Màn hình giới thiệu hệ thống và màn hình điều khiển - giám sát vận hành thực tế.

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ, THỰC NGHIỆM, PHÂN TÍCH, TỔNG HỢP

Chương 5 trình bày toàn bộ kết quả thi công thực tế và dữ liệu thực nghiệm:

  • Kết quả mô hình cơ khí: Hoàn thiện khung sắt đỡ chắc chắn, lắp đặt hoàn chỉnh 2 bồn kính song song, hệ thống đường ống hút/đẩy và 2 van xả cơ đáy bồn.
  • Kết quả hệ thống điện: Hoàn thiện tủ điện điều khiển tích hợp bộ nguồn tổ ong 24VDC, PLC S7-200 CPU 224, module EM231, module EM232, biến tần Delta VFD-EL, hệ thống relay và các đèn báo tín hiệu.
  • Kết quả điều khiển và giám sát thực nghiệm:
    • Thực nghiệm điều khiển ổn định mức nước tại giá trị đặt $H = 7\text{ cm}$: Hệ thống bơm nước từ bồn dưới lên bồn trên với tần số điều khiển ban đầu lớn nhất (60Hz), sau đó giảm dần tần số theo tác động của bộ điều khiển PID và xác lập mức nước ổn định chính xác tại 7cm.
    • Thực nghiệm điều khiển ổn định mức nước tại giá trị đặt $H = 14\text{ cm}$: Hệ thống điều khiển bám sát giá trị đặt và duy trì ổn định mức nước 14cm trên bồn chứa.
    • Thực nghiệm đáp ứng khi thay đổi van xả (nhiễu tải): Khi mở thay đổi lưu lượng của 2 van cơ xả đáy bồn trên, mức nước có biến động tức thời; bộ điều khiển PID trên PLC nhanh chóng thay đổi tần số xuất ra biến tần để tăng lưu lượng bơm bù lại lượng nước xả, đưa mức nước bồn trên trở lại trạng thái ổn định sau một khoảng thời gian xác lập.
    • Kết quả hiển thị và điều khiển trên màn hình HMI hoạt động đồng bộ, hiển thị đúng giá trị thực tế đo được và nhận lệnh điều khiển chính xác.

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Chương 6 tổng kết toàn bộ quá trình thực hiện đồ án, khẳng định nhóm sinh viên đã hoàn thành các mục tiêu đề ra về thiết kế phần cứng, lập trình điều khiển PID trên PLC S7-200 và giám sát qua HMI Delta. Tác giả nêu rõ các hạn chế còn tồn tại của mô hình và đề xuất các hướng phát triển tiếp theo để nâng cao tính ứng dụng của đề tài.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm chính được ghi nhận trong đồ án:

  • Thi công hoàn chỉnh mô hình phần cứng gồm khung sắt đỡ, 2 bồn chứa nước bằng kính kích thước 600 x 370 x 400 mm, hệ thống ống dẫn nhựa phi 21mm và phi 27mm cùng tủ điện điều khiển công nghiệp.
  • Tích hợp thành công cấu hình phần cứng điều khiển gồm PLC Siemens S7-200 CPU 224, module ngõ vào tương tự EM231 (đọc tín hiệu cảm biến siêu âm Carlo Gavazzi UA18CLD05AGTR), module ngõ ra tương tự EM232 (xuất áp 0-10V điều khiển tần số biến tần Delta VFD-EL từ 0 đến 60Hz) và máy bơm ly tâm 3 pha 400W (0.53HP, cột áp 7m, lưu lượng 95 l/phút).
  • Thực nghiệm điều khiển thành công giải thuật PID:
    • Mức nước ổn định chính xác tại giá trị đặt $H = 7\text{ cm}$ (tần số bơm tự động giảm từ 60Hz về giá trị cân bằng).
    • Mức nước ổn định chính xác tại giá trị đặt $H = 14\text{ cm}$.
    • Khi có tác động của nhiễu tải (thay đổi độ mở của 2 van cơ xả đáy bồn trên), hệ thống tự động điều chỉnh tần số biến tần để bù trừ lưu lượng, đưa mực nước trong bồn trở lại trạng thái cân bằng xác lập sau một khoảng thời gian.
  • Xây dựng hoàn chỉnh giao diện HMI Delta DOP-B07S411 bằng phần mềm DOPSOFT, giao tiếp qua RS-485, cho phép nhập Setpoint, giám sát thông số mức nước thực tế và điều khiển Start/Stop hệ thống.

Giải pháp và kiến nghị của tác giả:

  • Kiến nghị ứng dụng cấu hình điều khiển kết hợp PLC - Biến tần - HMI cho các bài toán điều khiển mức chất lỏng trong công nghiệp thực phẩm và hóa chất để tiết kiệm nhân lực và nâng cao độ tin cậy.
  • Đề xuất việc tối ưu hóa thông số PID trên PLC nhằm tăng tốc độ đáp ứng và giảm thời gian quá độ khi hệ thống chịu tác động của tải xả lớn.

Đóng góp của đồ án:

  • Hiện thực hóa thành công một mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh về điều khiển quá trình ổn định mức nước phục vụ công tác nghiên cứu, học tập và thực hành trong môi trường đào tạo chuyên ngành Điều khiển và Tự động hóa.
  • Cung cấp quy trình phối ghép chi tiết từ thiết kế cơ khí bồn chứa, mạch động lực, mạch điều khiển analog đến lập trình PID và thiết kế giao diện HMI công nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Hệ thống chỉ được triển khai ở quy mô mô hình thực nghiệm đơn giản trong phòng thí nghiệm, chưa thử nghiệm trên môi trường sản xuất công nghiệp thực tế.
  • Phạm vi nghiên cứu chỉ tập trung duy nhất vào bài toán ổn định mức chất lỏng đơn biến, chưa tích hợp điều khiển phối hợp đồng thời nhiều thông số như áp suất đường ống và lưu lượng dòng chảy.
  • Môi chất làm việc trong mô hình chỉ giới hạn ở nước sạch, chưa khảo sát trên các loại chất lỏng công nghiệp khác có độ nhớt cao, tính ăn mòn hoặc dễ tạo bọt gây ảnh hưởng đến sóng phản xạ của cảm biến siêu âm.

Hướng nghiên cứu tiếp được tác giả đề xuất:

  • Mở rộng mô hình thành hệ thống điều khiển đa bồn (hệ bồn đôi, bồn ba nối tiếp) hoặc điều khiển kết hợp đồng thời mức và lưu lượng.
  • Nghiên cứu và áp dụng các giải thuật điều khiển hiện đại hơn trên PLC (như điều khiển mờ - Fuzzy Logic, điều khiển thích nghi hoặc mạng nơ-ron) nhằm so sánh hiệu quả đáp ứng với thuật toán PID truyền thống.
  • Phát triển hệ thống giám sát SCADA trên máy tính cá nhân kết hợp lưu trữ cơ sở dữ liệu lịch sử vận hành và cảnh báo sự cố từ xa.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho các đối tượng:

  • Sinh viên, giảng viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Điện - Điện tử, Kỹ thuật Cơ điện tử đang thực hiện đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp hoặc bài thí nghiệm về điều khiển quá trình (Process Control).
  • Kỹ sư tự động hóa mới tiếp cận bài toán phối ghép thiết bị công nghiệp giữa PLC Siemens S7-200 với các thiết bị ngoại vi của hãng Delta (Biến tần VFD-EL, HMI DOP-B07S411).

Các nội dung có giá trị tham khảo cao trong đồ án:

  • Sơ đồ đấu dây chi tiết và phương pháp cấu hình switch cho module analog EM231 và EM232 của họ PLC S7-200.
  • Quy trình cài đặt chân tín hiệu và phương thức điều khiển tốc độ biến tần Delta VFD-EL qua ngõ vào analog 0-10V.
  • Quy trình từng bước thiết kế màn hình giao diện HMI trên phần mềm DOPSOFT và thiết lập giao tiếp truyền thông nối tiếp RS-485 với PLC.
  • Phương pháp cấu hình và hiệu chỉnh giải thuật PID trên phần mềm Step 7-Micro/WIN cho đối tượng mức nước.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống sử dụng cảm biến gì để đo mức nước và nguyên lý hoạt động của cảm biến này ra sao? Hệ thống sử dụng cảm biến siêu âm Carlo Gavazzi model UA18CLD05AGTR. Cảm biến hoạt động dựa trên nguyên lý thu phát sóng siêu âm dạng chùm tia với góc mở 8°, tính toán khoảng cách theo nguyên lý thời gian truyền sóng Time-of-Flight ($d = v \cdot t / 2$, với vận tốc sóng âm $v = 340\text{ m/s}$). Cảm biến sử dụng nguồn cấp 15-30VDC, có dải đo từ 60mm đến 500mm và xuất tín hiệu tương tự (0-10V hoặc 4-20mA) tương ứng với khoảng cách đo được.

  2. Module analog EM231 và EM232 trong hệ thống đảm nhận chức năng gì và có dải chuyển đổi số như thế nào? Module EM231 là module mở rộng 4 ngõ vào tương tự (AI), dùng để đọc tín hiệu điện áp/dòng điện từ cảm biến siêu âm và chuyển đổi thành giá trị số 16-bit dải 0-32000 (chế độ đơn cực) lưu vào thanh ghi AIW0 của CPU 224. Module EM232 là module mở rộng 2 ngõ ra tương tự (AO), dùng để nhận giá trị số 0-32000 từ thanh ghi AQW0 của bộ điều khiển PID trong PLC và chuyển đổi thành tín hiệu điện áp 0-10V xuất sang ngõ vào analog của biến tần Delta để điều khiển tần số bơm.

  3. Cơ cấu chấp hành bơm nước sử dụng loại động cơ nào và được điều khiển bằng thiết bị gì? Cơ cấu chấp hành là máy bơm nước ly tâm 3 pha sử dụng nguồn điện 220VAC 50Hz, công suất 400W (tương đương 0.53HP), có tổng chiều cao cột áp 7m, lưu lượng nước tối đa 95 lít/phút và đường kính ống hút/đẩy 21mm. Máy bơm được điều khiển trực tiếp bằng biến tần Delta dòng VFD-EL, cho phép thay đổi tần số ngõ ra từ 0Hz đến 60Hz tương ứng với tín hiệu điều khiển analog từ PLC.

  4. Hệ thống phản ứng như thế nào khi có sự thay đổi đột ngột từ các van xả đáy? Khi người vận hành thay đổi độ mở của 2 van cơ xả đáy bồn trên làm lưu lượng nước xả tăng lên, mức nước trong bồn bị sụt giảm tạo ra sai số $e(t) = SP - PV$. Khâu tỷ lệ và tích phân trong thuật toán PID trên PLC S7-200 ngay lập tức tính toán tăng tín hiệu đầu ra điều khiển qua module EM232, làm biến tần Delta tăng tần số quay của động cơ máy bơm để tăng lưu lượng nước cấp lên bồn, từ đó bù trừ lượng nước thất thoát và đưa mức nước bồn trên trở lại ổn định đúng giá trị đặt sau một khoảng thời gian xác lập.

  5. Giao diện giám sát và điều khiển người - máy (HMI) được xây dựng bằng phần mềm nào và kết nối với PLC qua chuẩn gì? Giao diện HMI được xây dựng trên màn hình cảm ứng Delta model DOP-B07S411 thông qua phần mềm thiết kế chuyên dụng DOPSOFT của hãng Delta. Màn hình HMI kết nối truyền thông trực tiếp với cổng giao tiếp của PLC Siemens S7-200 CPU 224 thông qua chuẩn truyền thông nối tiếp RS-485 (giao thức Modbus).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công mô hình ổn định mức nước" của nhóm tác giả Nguyễn Việt Tuấn và Phạm Đình Bách đã hoàn thành việc xây dựng một hệ thống điều khiển mức chất lỏng tự động hoàn chỉnh từ phần cứng đến phần mềm. Đề tài kết hợp thành công bộ điều khiển PLC Siemens S7-200 CPU 224, module analog EM231, EM232, biến tần Delta VFD-EL, cảm biến siêu âm Carlo Gavazzi và màn hình HMI Delta DOP-B07S411 nhằm ổn định mức nước bồn chứa thông qua thuật toán PID kinh điển. Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống vận hành chính xác tại các điểm đặt 7cm, 14cm và có khả năng tự động điều chỉnh tần số bơm để bù lưu lượng khi van xả tải thay đổi, mang lại giá trị tham khảo thực tiễn cao cho sinh viên và kỹ sư ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa.