Luận Văn Thạc Sĩ: Ứng Dụng PLC S7-1200 Điều Khiển Mức Chất Lỏng Trong Dây Chuyền Sản Xuất Hóa Chất

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu ứng dụng plc s71200 điều khiển mức chất lỏng trong dây chuyền sản xuất hóa chất công, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất

• Tác giả: Trần Ngọc Thưởng
• Người hướng dẫn: TS. Vũ Minh Quang
• Trường học: Đại học Thủy lợi
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng PLC S7-1200 điều khiển mức chất lỏng trong dây chuyền sản xuất hóa chất công nghiệp
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Ninh Thuận

Tóm tắt

I. Tổng quan về dây chuyền sản xuất hóa chất công nghiệp

Dây chuyền sản xuất hóa chất công nghiệp đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế, đặc biệt trong các ngành như dầu khí, thực phẩm, và hóa chất. PLC S7-1200 được ứng dụng để điều khiển mức chất lỏng, đảm bảo quy trình sản xuất diễn ra chính xác và hiệu quả. Các hệ thống này thường bao gồm các bình chứa, bơm, van, và cảm biến mức để giám sát và điều chỉnh lượng chất lỏng. Việc tự động hóa quy trình sản xuất giúp giảm thiểu sai sót và tối ưu hóa hiệu suất.

1.1. Giới thiệu về dây chuyền sản xuất

Dây chuyền sản xuất hóa chất công nghiệp bao gồm nhiều giai đoạn như trộn, gia nhiệt, và khuấy. PLC S7-1200 được sử dụng để điều khiển các thiết bị này, đảm bảo quy trình diễn ra liên tục và chính xác. Các cảm biến mức giúp giám sát lượng chất lỏng trong các bình chứa, từ đó điều chỉnh hoạt động của bơm và van.

1.2. Nguyên lý hoạt động

Hệ thống hoạt động dựa trên việc giám sát và điều chỉnh mức chất lỏng trong các bình chứa. PLC S7-1200 nhận tín hiệu từ cảm biến mức, so sánh với giá trị đặt trước, và điều khiển van tuyến tính để duy trì mức chất lỏng ổn định. Quy trình này được lặp lại tự động, đảm bảo hiệu suất sản xuất cao.

II. Giới thiệu về PLC S7 1200

PLC S7-1200 là thiết bị điều khiển lập trình được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Với khả năng xử lý nhanh và độ tin cậy cao, PLC này phù hợp cho các ứng dụng điều khiển mức chất lỏng trong sản xuất hóa chất. Nó hỗ trợ các ngôn ngữ lập trình như Ladder Logic và có khả năng kết nối với các thiết bị ngoại vi thông qua module I/O.

2.1. Cấu trúc và chức năng

PLC S7-1200 bao gồm CPU, bộ nhớ, và các module I/O. CPU thực hiện các lệnh lập trình để điều khiển thiết bị, trong khi module I/O kết nối với các cảm biến mức và van điều khiển. Bộ nhớ lưu trữ chương trình điều khiển, cho phép dễ dàng thay đổi và mở rộng chức năng.

2.2. Ưu điểm của PLC S7 1200

PLC S7-1200 có khả năng xử lý nhanh, độ tin cậy cao, và dễ dàng tích hợp với các hệ thống tự động hóa khác. Nó hỗ trợ truyền thông qua mạng, cho phép giám sát và điều khiển từ xa. Điều này giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động.

III. Xây dựng bộ điều khiển mức chất lỏng

Bộ điều khiển mức chất lỏng sử dụng PLC S7-1200 được thiết kế dựa trên mô hình toán học và thuật toán PID. Mô hình này bao gồm các thành phần như van tuyến tính, bình chứa, và cảm biến mức. Thuật toán PID giúp điều chỉnh mức chất lỏng một cách chính xác, đảm bảo quy trình sản xuất diễn ra ổn định.

3.1. Mô hình toán học

Mô hình toán học của bộ điều khiển bao gồm các hàm truyền đạt của van tuyến tính, bình chứa, và cảm biến mức. Các thông số PID được tính toán để tối ưu hóa hiệu suất điều khiển. Mô hình này được sử dụng để mô phỏng và kiểm tra trước khi triển khai thực tế.

3.2. Thuật toán PID

Thuật toán PID được sử dụng để điều chỉnh mức chất lỏng trong bình chứa. PLC S7-1200 nhận tín hiệu từ cảm biến mức, so sánh với giá trị đặt trước, và điều khiển van tuyến tính để duy trì mức chất lỏng ổn định. Thuật toán này đảm bảo độ chính xác cao và đáp ứng nhanh.

IV. Lập trình điều khiển và giám sát

Chương trình điều khiển được lập trình trên PLC S7-1200 sử dụng phần mềm TIA Portal. Chương trình này bao gồm các khối chức năng như PID, điều khiển bơm, và giám sát mức chất lỏng. Giao diện giám sát HMI được thiết kế để hiển thị trạng thái của hệ thống và cho phép điều khiển thủ công khi cần thiết.

4.1. Lập trình trên TIA Portal

Phần mềm TIA Portal được sử dụng để lập trình PLC S7-1200. Chương trình bao gồm các khối chức năng như PID, điều khiển bơm, và giám sát mức chất lỏng. Các thông số PID được cài đặt và điều chỉnh để tối ưu hóa hiệu suất điều khiển.

4.2. Thiết kế giao diện HMI

Giao diện giám sát HMI được thiết kế để hiển thị trạng thái của hệ thống, bao gồm mức chất lỏng, trạng thái bơm, và van điều khiển. Giao diện này cho phép người vận hành giám sát và điều khiển hệ thống một cách dễ dàng.

V. Mô phỏng và kết luận

Hệ thống điều khiển mức chất lỏng sử dụng PLC S7-1200 được mô phỏng để kiểm tra hiệu suất và độ chính xác. Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và đáp ứng nhanh với các thay đổi trong quy trình sản xuất. Việc ứng dụng PLC S7-1200 trong sản xuất hóa chất công nghiệp giúp tối ưu hóa quy trình và nâng cao hiệu suất sản xuất.

5.1. Kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống điều khiển mức chất lỏng sử dụng PLC S7-1200 hoạt động ổn định và đáp ứng nhanh với các thay đổi trong quy trình sản xuất. Các thông số PID được điều chỉnh để tối ưu hóa hiệu suất điều khiển.

5.2. Kết luận

Việc ứng dụng PLC S7-1200 trong sản xuất hóa chất công nghiệp giúp tối ưu hóa quy trình và nâng cao hiệu suất sản xuất. Hệ thống điều khiển mức chất lỏng đảm bảo độ chính xác cao và đáp ứng nhanh, giúp giảm thiểu sai sót và tăng năng suất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ DÂY CHUYỀN CUNG CẤP VÀ SẢN XUẤT HÓA CHẤT TRONG CÔNG NGHIỆP 1.1 Giới thiệu về dây chuyền sản xuất và cung cấp hoá chất công nghiệp : Đặc điểm của ngành công nghiệp hóa chất là đa đạng về sản phẩm phục vụ cho tất cả các ngành kinh tế kỹ thuật. Từ đó ngành công nghiệp này có thể khai thác mọi thế mạnh tài nguyên của đất nước từ khoáng sản, dầu khí tới sản phẩm, phụ phẩm và thậm chí cả phế thải của công nghiệp, nông nghiệp. Công nghiệp hoá chất đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong nền kinh tế của một nước. Đó là một ngành kinh tế – kỹ thuật chủ lực của đất nước.

Việt Nam thực hiện công cuộc đổi mới, những cải cách kinh tế đã thúc đẩy sự tăng trưởng kinh tế, phát triển công nghiệp - nông nghiệp. Nhu cầu về nguyên liệu hóa chất cũng ngày càng tăng với tốc độ tăng trưởng sản xuất hóa chất hằng năm là 15%. Từ thực tiễn đó, em chọn đề tài “NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PLC S7-1200 ĐIỀU KHIỂN MỨC CHẤT LỎNG TRONG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT HÓA CHẤT CÔNG NGHIỆP” làm đề tài nghiên cứu của mình.1: Bình chứa đựng hoá chất trong công nghiệp 1 Hình 1.2: Trung tâm vận hành dây chuyền sản xuất hóa chất 1.2 Phương pháp sản xuất hóa chất công nghiệp : Trong ngành công nghiệp nói chung và ngành đặc thù công nghiệp hoá chất nói riêng thì trộn là một khâu rất quan trọng để tạo ra sản phẩm. Trộn hai hay nhiều chất để tạo thành hỗn hợp đòi hỏi một tỉ lệ chuẩn nhất định và nghiêm ngặt trong quá trình vận hành, không để có sự sai sót.

Và nhất là có những quá trình con người không trực tiếp tham gia tay chân hay tham gia được để đảm bảo an toàn lao động, quy trình là hoàn toàn khép kín.3 Dây chuyền sản xuất hóa chất trong công nghiệp điển hình 1.3: Sơ đồ dây chuyền sản xuất hóa chất trong công nghiệp 1.2 Nguyên lí làm việc : Hình 1.4 mô tả dây chuyền sản xuất theo mẻ bao gồm 5 bình chứa và các bơm luân chuyển dung dịch trong hệ thống. Mỗi bình chứa đều có cảm biến phát hiện tình trạng đầy và cạn trong bình chứa. Bình chứa 2 có thêm bộ phận gia nhiệt và cảm biến nhiệt. Bình chứa 3 có bộ phận khuấy để trộn hai chất lỏng được bơm từ bình chứa 1 và 2 với nhau.

Bình chứa 3 và 4 có dung tích gấp đôi bình chứa 1 và 2. Hoạt động của hệ thống như sau: - Bình chứa 1 và 2 được cấp đồng thời alkali và polymer bằng các động cơ bơm. Bơm 1 và 2 ngừng hoạt động khi cảm biến đầy phát hiện trạng thái đầy của bình chứa. - Bộ phận gia nhiệt ở bình chứa 2 hoạt động, tăng nhiệt cho polymer tới 60°C, ngừng gia nhiệt khi cảm biến nhiệt tác động.

Sau đó bơm 3 và 4 hoạt động bơm chất lỏng 3 sang bình chứa 3. Khi có chất lỏng trong bình chứa 3, bộ phận khuấy hoạt động. Động cơ bơm 3 ngừng hoạt động khi bình chứa 3 đầy hoặc bình chứa 1 cạn. - Tương tự, động cơ bơm 4 ngừng hoạt động khi bình chứa 3 đầy hoặc bình chứa 2 cạn.

Động cơ khấy ngừng hoạt động sau khi ngừng động cơ 3 và 4 một khoảng là 90 giây. - Động cơ bơm 5 hoạt động bơm chất lỏng sang bình chứa 4. Động cơ bơm 5 ngừng hoạt động khi bình chứa 4 đầy hoặc bình chứa 3 cạn. - Chất lỏng được đưa vào bình chứa 4 để cung cấp nguyên liệu cho quá trình làm việc để đảm bảo bình chứa T-304 luôn có nguyên liệu hoạt động.

- Mức chất lỏng luôn cài đặt trước một giá trị nhất định. Mức chất lỏng trong bình chứa 5 vào thời điểm hiện tại s được gửi về PLC S7-1200 bằng tín hiệu analog. PLC s so sánh mức chất lỏng với giá trị đặt trước, và khi có sự sai lệch, PLC s điều khiển đóng mở Van tuyến tính bằng phương pháp PID để cân bằng sai lệch. - Khi giá trị Setpoint thấp hơn giá trị mức hiện tại, Van xả s được kích hoạt để xả bớt chất lỏng ra ngoài.

- Hệ thống hoạt động tự động lặp lại, bình chứa T304 lúc nào cũng có nguyên liệu để hoạt động. Van XV303 là van điều khiển tuyến tính – van analog, van được thiết kế để điều khiển nhiệt độ, áp suất, lưu lượng trong đường ống. Được sử dụng nhiều trong các lò sấy, sấy cám, sấy trấu, seo giấy, sấy dừa…Van điều khiển tuyến tính hoạt động ổn định, chính xác và độ bền cao.4: Van điều khiển tuyến tính bằng điện Ginice Korea. Bộ điều khiển van tuyến tính là loại điều khiển bằng motor s kéo cần van lên hoặc xuống, nhận tín hiệu điều khiển từ đồng hồ điều khiển (4-20mA, 0-10Vdc, on/off).

Tùy vào kích thước van và áp suất hoạt động s chọn bộ điều khiển có lực kéo thích hợp. Bộ điều khiển tích hợp các công tắc chọn chế độ thường đóng và thường mở, chế độ dừng tại chổ khi mất tín hiệu điều khiển hoặc tự động đóng van. Tích hợp cần quay tay khi van có sự cố, có thể điều chỉnh đóng mở mà không cần tín hiệu điện. Bộ kéo van với lực kéo 2000N và 3500N.

Thông số kỹ thuật bộ điều khiển van tuyến tính, Actuator. Model: GEA-20P, GEA-35P, GEA-20A, GEA-35A, GEA-15P, GEA-15A.  Điều khiển: Tuyến tính hoặc ON-OFF (GEA-20A, GEA-35A).  Nguồn cấp: 110~220VAC hoặc 24VAC.

 Tín hiệu điều khiển: 4-20mA hoặc 0-10VDC.  Tín hiệu output: 4-20mA, làm tín hiệu hiển thị hành trình hoặc đưa về PLC xử lý.  Thời gian hành trình: 50 giây (GEA-20P), 100 giây (GEA-35P).  Nhiệt độ hoạt động: -15~60 độ C.

 Hành trình: 20mm hoặc 40mm. Thiết bị đo mức : là cảm biến siêu âm có phạm vi hoạt động từ 350mm đến 6000mm, phạm vi hoạt động có thể thay đổi dễ dàng thông qua chức năng Teach-in trên nút nhấn (phạm vi từ 400mm đến 500mm, 1000mm đến 3000mm tương ứng với ngõ ra 4- 20mA hoặc 0-10Vdc hoặc 20-4mA, 10-0Vdc, và cũng có thể tùy chọn phạm vi sử dụng bất kỳ miễn là trong giới hạn hoạt động của cảm biến. Cảm biến siêu âm UA30CAD60PGTI Hình 1.5: Cảm Biến siêu âm Dùng để đo mức nước, đo mức chất lỏng, báo mức chất rắn, kiểm soát level, đo khoảng cách, thể tích, khối lượng là những nhu cầu vô hạn và ngày càng tăng của ngành công nghiệp, thậm chí là các nhu cầu dân dụng, cuộc sống hằng ngày, hệ thống thủy lợi, thủy điện… Cảm biến siêu âm có thể đáp ứng được các nhu cầu nêu trên, với nguyên tắc hoạt động là phát ra sóng siêu âm tác động lên vật cản và nhận tín hiệu hồi tiếp về để biết được khoảng cách so với vật (chính xác là mặt phẳng). Với nguyên tắc phát hiện bề mặt không cần tiếp xúc nên cảm biến không quan tâm đến dạng chất lỏng nào hay chất rắn nào.

Khi khoảng cách so với mặt phẳng thay đổi thì tín hiệu ngõ ra cũng thay đổi theo từ 4-20mA hoặc 0-10VDC, lúc này ta sử dụng tín 6 hiệu ngõ ra của cảm biến để quy về thể tích, khối lượng, khoảng cách… thông qua PLC hay một đồng hồ hiển thị (có thể tham khảo thêm đồng hồ hiển thị tại đây của Shihlin Taiwan). Thông số kỹ thuật Cảm biến siêu âm UA30CAD60PGTI  Nguồn cấp cho cảm biến : 15-30VDC.  Output: 4-20mm hoặc 0-10VDC, tích hợp thêm ngõ ra NPN/PNP.  Cáp kết nối với cảm biến mặc định: dài 2m PVC.

 Thời gian đáp ứng: Nhỏ hơn 500ms  Power on delay: <300ms.  Nhiệt độ hoạt động: -20~70 độ C.  Góc phát sóng: 7 độ hoặc 8 độ.  Độ phân giải: 2 mm.

 Bán kính hoạt động: 450mm. Nút cài đặt được tích hợp trên thân cảm biến, với những thao tác đơn giản là có thể chọn được phạm vi hoạt động thích hợp cho ứng dụng của mình. Đầu tiên là cấp nguồn từ 10-30VDC cho cảm biến (dây xanh âm, dây nâu dương, dây đen 4-20mA hoặc 0-10V, dây trắng output PNP hoặc NPN). Chọn phạm vi hoạt động cho cảm biến, ví dụ 400mm đến 800mm.

Đặt cảm biến vuông góc với mặt phảng thật lớn có bán kính 500mm trở lên và không có bất kỳ vật cản trên đường đi của sóng với ngưỡng xa trước 800mm (rất quan trọng). Nhấn nút một cái rồi thả ra, lúc này hai đèn trên cảm biến s chớp liên tục (ngưỡng xa đã OK), kéo cảm biến lại gần với khoảng cáchlà 400mm (nhanh nhất là quay cảm biến xuống đất phẳng với khoảng cách là 400mm, kéo tới, kéo lui mất công) nhấn nút một cái rồi thả ra, hai đèn đang chớp s tắt và chớp 5 lần nữa rồi tắt lại vậy là OK cho ngưỡng gần. 7 CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU PLC S7 – 1200 2.1 Giới thiệu tổng quan về PLC : 2.1 Khái niệm về PLC : PLC viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lập trình được (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình. Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện.

Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích( ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định thời hay các sự kiện được đếm. PLC dùng để thay thế các mạch rơ le trong thực tế. PLC hoạt động theo phương thức quét các trạng thái trên đầu ra và đầu vào. Khi có sự thay đổi ở đầu vào thì đầu ra cũng thay đổi theo.

Ngôn ngữ lập trình của PLC có thể là Ladder hay State Logic. Hiện nay có rất nhiều hãng sản xuất ra PLC như Siemens, Allen-Bradley, Mitsubishi Electric, General Electric, Omron… Một khi sự kiện được kích hoạt thực sự, nó bật ON hay OFF thiết bị điều khiển bên ngoài được gọi là thiết bị vật lý. Một bộ điều khiển lập trình s liên tục lặp trong chương trình do người sử dụng lập ra chờ tín hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ ra tại các thời điểm đã lập trình. Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây kết nối (bộ điều khiển bằng Relay) người ta đã chế tạo ra bộ PLC nhằm thỏa mãn các yêu cầu sau: - Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học.

- Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa chữa. - Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp. - Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp. - Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng, các Modul mở rộng.

8 - Giá cả có thể cạnh tranh được.