Đồ án: Hệ quá trình dòng chảy/bình mức điều khiển giám sát trên Web

Đồ án chi tiết thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển bình mức và dòng chảy. Tích hợp PLC, HMI và giám sát toàn bộ quá trình vận hành qua website.

• Tác giả: Nguyễn Đức Luân
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Ngọc Minh
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên
• Chuyên ngành: Tự động hóa Công nghiệp
• Đề tài: Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ quá trình dòng chảy/bình mức điều khiển giám sát trên Web
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp đại học
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hưng Yên

Tóm tắt

I. Tổng quan về Hệ Điều Khiển Bình Mức Giám Sát Qua Web

Hệ điều khiển bình mức giám sát qua web là một giải pháp hiện đại trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp. Hệ thống này kết hợp các công nghệ PLC, HMI và web server để điều khiển và theo dõi mức chất lỏng trong bình chứa từ xa. Đây là nhu cầu cấp thiết trong các ngành sản xuất, chiết rót, và chế biến sản phẩm, nơi cần tính ổn định và chính xác cao. Thiết kế hệ điều khiển bình mức đòi hỏi sự phối hợp giữa các thành phần cơ điện, điều khiển và truyền thông. Sự phát triển công nghiệp 4.0 tại Việt Nam đặt ra yêu cầu cao hơn về giải pháp giám sát liên tục với độ trễ dữ liệu thấp và khả năng lưu trữ lớn, giúp tối ưu hóa quá trình sản xuất.

1.1. Định nghĩa và Các Thành Phần Chính

Hệ điều khiển bình mức bao gồm các thành phần cốt lõi như PLC (Programmable Logic Controller), cảm biến áp suất, van điều khiển, và giao diện web. Cảm biến đo lường mức nước thực tế, dữ liệu được xử lý bởi PLC và truyền tới web server để hiển thị trên giao diện người dùng. Hệ thống này cho phép giám sát từ xa tình trạng bình chứa, điều chỉnh thông số và lưu trữ dữ liệu chi tiết cho phục vụ quản lý và phân tích.

1.2. Ứng Dụng Thực Tiễn trong Công Nghiệp

Hệ điều khiển bình mức được áp dụng rộng rãi trong các nhà máy xử lý nước, hóa chất, dầu khí, và thực phẩm. Giám sát qua web cho phép các quản lý viên theo dõi tình trạng sản xuất từ bất kỳ đâu, nâng cao hiệu suất và an toàn. Tối ưu hóa quá trình được thực hiện thông qua các thuật toán điều khiển PID tiên tiến, đảm bảo mức chất lỏng ổn định và giảm chi phí năng lượng.

II. Thiết Kế Và Lựa Chọn Thiết Bị Cho Hệ Thống

Thiết kế hệ điều khiển bình mức tối ưu yêu cầu lựa chọn các thiết bị phù hợp với yêu cầu kỹ thuật. PLC Mitsubishi FX Series được lựa chọn vì độ tin cậy cao, khả năng xử lý nhanh và hỗ trợ tốt cho truyền thông Ethernet. Cảm biến áp suất chuyên nghiệp từ các hãng như Measens đảm bảo độ chính xác và độ phân giải cao. HMI Weintek TK6070 cung cấp giao diện trực quan để điều khiển cấp độ thứ nhất, trong khi web server xử lý giám sát cấp độ thứ hai. Việc lựa chọn đúng thiết bị là nền tảng để tối ưu hóa hiệu suất toàn hệ thống, giảm sai số và tăng độ tin cậy.

2.1. Lựa Chọn PLC và Thiết Bị Đo Lường

PLC Mitsubishi FX dòng chính hãng hoặc dạng board được chọn dựa trên khả năng xử lý dữ liệu và số lượng input/output. Cảm biến áp suất được hiệu chuẩn để chuyển đổi mức nước thành tín hiệu điện 0-10V hoặc 4-20mA. Các thiết bị được kiểm tra chất lượng qua khảo sát đánh giá trước lắp ráp để đảm bảo độ chính xác đo lường và tính ổn định.

2.2. Kết Nối Truyền Thông RS232 và Ethernet

Sơ đồ chân DB9 RS232 được sử dụng để kết nối PLC với web server. Chuyển đổi dữ liệu từ định dạng Modbus RTU sang TCP/IP thực hiện qua middleware. Ethernet connection cho phép giám sát qua web từ các thiết bị khác nhau, tăng tính linh hoạt và tiện dụng cho người dùng cuối.

III. Phương Pháp Thiết Kế Điều Khiển PID và Mô Hình Hóa

Thiết kế hệ điều khiển bình mức sử dụng bộ điều khiển PID để duy trì mức chất lỏng ổn định. Phương pháp xác định tham số mô hình dựa trên phản ứng quá độ của hệ thống thực tế, áp dụng công thức Ziegler-Nichols để tính toán Kp, Ki, Kd. Mô hình toán học được thiết lập với hàm truyền bậc nhất có trễ, sau đó tinh chỉnh qua mô phỏng trên Simulink. Điều khiển cascade được áp dụng cho hệ thống phức tạp với hai vòng phản hồi, nâng cao độ chính xác và tốc độ đáp ứng. Việc tối ưu hóa tham số điều khiển đảm bảo giám sát hiệu quả và giảm thiểu sai số trong quá trình điều khiển mực nước.

3.1. Xác Định Tham Số Điều Khiển PID

Tham số mô hình được xác định từ khảo sát chất lượng cảm biến thực tế. Dựa vào đặc tính hệ thống, áp dụng bộ điều khiển PID với Kp, Ki, Kd được tính toán chính xác. Tinh chỉnh thông qua phần mềm mô phỏng để đạt được đáp ứng quá độ tối ưu, giảm quá điều và thời gian ổn định hệ thống.

3.2. Mô Phỏng và Kiểm Chứng Lý Thuyết

Lưu đồ P&ID mô tả quy trình điều khiển một vòng và hai vòng phản hồi. Sơ đồ khối hệ thống được xây dựng để phân tích hàm truyền toàn mạch. Mô phỏng trên Simulink giúp tối ưu hóa tham số trước khi lắp ráp thực tế, giảm rủi ro và chi phí phát triển hệ thống.

IV. Lập Trình Web và Giao Diện Giám Sát Từ Xa

Lập trình website để giám sát qua web sử dụng Visual Studio Code với các ngôn ngữ HTML, CSS, JavaScript. Giao diện web được thiết kế thân thiện, hiển thị dữ liệu thời gian thực về mức nước, lưu lượng chảy và các thông số khác. Web server kết nối với PLC thông qua Modbus TCP để đọc/ghi dữ liệu liên tục. Tối ưu hóa giao diện bao gồm việc cấu hình HEADER/FOOTER, hỗ trợ xuất báo cáo Excel và phân tích dữ liệu lịch sử. Giám sát từ xa được bảo mật bằng cơ chế xác thực người dùng và mã hóa dữ liệu, đảm bảo an toàn thông tin cho hệ thống công nghiệp.

4.1. Thiết Kế Giao Diện Người Dùng Web

Giao diện trang 1 hiển thị thông tin điều khiển và biểu đồ mức nước thực tế. Giao diện trang 2 cung cấp thiết lập tham số PID và chế độ hoạt động. Giao diện trang 3 cho phép xuất báo cáo chi tiết dưới định dạng Excel. Tối ưu hóa bằng Visual Studio Code đảm bảo hiệu suất cao và tương thích với các trình duyệt hiện đại.

4.2. Xây Dựng Kết Nối Web Server và Lưu Trữ Dữ Liệu

Web server được lập trình để ghi dữ liệu xuống PLC thông qua Modbus TCP và đọc dữ liệu liên tục. Lưu trữ dữ liệu được thực hiện trong cơ sở dữ liệu để hỗ trợ phân tích và tạo báo cáo. Giám sát từ xa cho phép quản lý viên truy cập thông tin từ bất kỳ vị trí nào, nâng cao tính linh hoạt và hiệu quả quản lý hệ thống.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH, ĐIỀU KHIỂN DÒNG CHẢY/ BÌNH MỨC 1.1 Tổng quan đề tài Điều khiển quá trình là một lĩnh vực ứng dụng quan trọng của kỹ thuật điều khiển trong các ngành công nghiệp chế biến (công nghiệp hóa chất và năng lượng). Nội dung của lĩnh vực điều khiển quá trình kết nối chặt chẽ nền tảng lý thuyết điều khiển tự động với các bài toán của quá trình công nghệ. Phạm vi đề cập ở đây là các bài toán mô hình hóa, phân tích, thiết kế và thực thi hệ thống điều khiển cho các đối tượng quá trình công nghệ. Điều khiển quá trình được định nghĩa là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an toàn cho con người, máy móc và môi trường.

Nhiệm vụ của điều khiển quá trình là can thiệp các biến vào của quá trình kỹ thuật một cách hợp lý để các biến ra của nó thỏa mãn các chỉ tiêu cho trước, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng xấu của quá trình kỹ thuật đối với con người và môi trường xung quanh. Hơn nữa, các diễn biến của quá trình kỹ thuật cũng như các tham số, trạng thái hoạt động của các thành phần trong hệ thống cần được theo dõi và giám sát chặt chẽ. Tuy nhiên, trong một quá trình kỹ thuật thì không phải biến vào nào cũng có thể can thiệp được và không phải biến ra nào cũng cần phải điều khiển. Đại lượng được điều khiển (controlled variable, CV) là một biến ra hoặc một biến trạng thái của quá trình được điều khiển, điều chỉnh sao cho gần với một giá trị đặt (setpoint, SP) hoặc bám theo một tín hiệu chủ đạo (reference signal).

Các đại lượng được điều khiển liên quan hệ trọng tới sự vận hành ổn định, an toàn của hệ thống hoặc chất lượng sản phẩm. Các biến ra hoặc biến trạng thái còn lại của quá trình không được điều khiển, nhưng có thể được ghi chép hoặc hiển thị. Nhiệt độ, mức, áp suất và nồng độ là những đại lượng được điều khiển tiêu biểu nhất trong các hệ thống điều khiển quá trình. Trang: 1 Đồ Án Tốt Nghiệp Phạm vi của điều khiển quá trình tập trung vào các giải pháp ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp khai thác, chế biến và năng lượng.

Vì vậy từ đây về sau khái niệm điều khiển quá trình được hiểu là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an toàn cho con người, máy móc và môi trường. Trong công nghiệp sản xuất chất lỏng như hóa chất, nước uống đóng chai, sữa, nước mắm, dầu ăn … vấn đề cần điều mức, lưu lượng dòng chảy cần đáp ứng với độ chính xác cao để phục vụ quá trình sản xuất đạt hiệu quả tốt hơn, đảm bảo quá trình sản xuất các chất lỏng không bị gián đoạn, tăng tuổi thọ thiết bị. Người vận hành không cần phải trực tiếp kiểm tra trong các bồn chứa hoặc đóng mở bơm liên tục, vấn đề bị cạn hay tràn trong bồn chứa chất lỏng hoàn toàn được khắc phục cho dù đầu ra thay dổi. Chính vì vậy chúng ta cần thiết phải “Ổn định mức nước” Các hệ thống truyền thông công nghiệp phố biến hiện nay cho phép liên kết mạng ở nhiều mức khác nhau, từ các cảm biến, cơ cấu chấp hành dưới cấp trường cho đến các máy tính điều khiển, thiết bị quan sát, máy tính điều khiển giám sát và máy tính cấp điều hành xí nghiệp, quản lý công ty.

Các mạng truyền thông công nghiệp bao gồm: Modbus, Ethernet, Devicenet, Controlnet,… Các cơ chế điều khiển quan trọng được sử dụng trong linh vực tự động hóa công nghệ bao gồm: -Bộ điều khiển kogic lập trình (PCL). -Hệ thống điều khiển phân tán (DCS). -Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA). Tất cả các yếu tố này liên quan đến các thiết bị hiện trường, thiết bị thông minh, PC điều khiển giám sát, bộ điều khiển I/O phân tán và bộ hiển thị HMI.

Để có thể kết nối và cho phép giao tiếp giữa các thiết bị này, cần có một mạng lưới hoặc sơ đồ truyền thông mạnh mẽ và hiệu quả hơn. Chúng khác biệt khá nhiều so với các Trang: 2 Đồ Án Tốt Nghiệp mạng doanh nghiệp truyền thống. Các mạng truyền thông công nghiệp này tạo thành một đường dẫn liên lạc giữa các thiết bị hiện trường, bộ điều khiển và PC. Webserver hiện nay đã dần phổ biến hơn trong công nghiệp.

Hiện nay rất nhiều hãng PLC đã tích hợp hoặc có những module mạng để thực điều đó. Weserver hỗ trợ thao tác điều khiển và giám sát đữ liệu qua các trình duyệt như goole chrome, firefox, coccoc, opera,… là ứng dụng phổ biến có thể điều khiển và giám sát từ xa trên internet thông qua máy tính, điện thoại, notepad Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và sự ra đời của công nghệ 4.0 thì việc giám sát và điều khiển PLC thông qua internet là phổ biến và cần thiết, các thuật toán hỗ trợ kết nối web với PLC tạo điều kiện cho các hãng PLC phát triển các chức năng public dữ liệu lên mạng viễn thông. Webserver tích hợp ứng dụng nền nodejs chạy trên máy tính Server, thông qua địa chỉ IP public và cổng định sẵn thì người dùng có thể truy cập đến dữ liệu của PLC gửi lên Webserver theo thời gian thực. Webserver có thể chuyển đổi thành ứng dụng di động cài đặt trên các hệ điều hành Android hoặc IOS, cho phép người dùng truy cập từ xa một các linh hoạt và trục quan nhất.

Trong thực tế có rất nhiều công ty cũng tham gia chế tạo những mô hình this nghiệm bình mức. Dưới đây là một vài thiết bị có trên thị trường. - Mô hình thực hành thí nghiệm điều khiển quá trình chất lỏng của công ty TNHH XD & TM TBĐ Tiến Đạt Trang: 3 Đồ Án Tốt Nghiệp Hình 1. 1: Mô Hình của cty TNHH Tiến Đạt - Mô hình Flow and level control của Leybold Hình 1.

2: Mô hình bình mức của Leybold Khi khảo sát đặc tính động học của một đối tượng điều khiển hay một hệ thống, thông thường các đối tượng khảo sát được xem là tuyến tính, dẫn đến phép mô tả hệ thống bằng một hệ phương trình vi phân tuyến tính. Sử dụng nguyên lý xếp chồng của hệ tuyến tính, ta có thể dễ dàng tách riêng các thành phần đặc trưng cho từng chế độ làm việc để nghiên cứu với những công cụ toán học chặt chẽ, chính xác nhưng đơn giản và hiệu quả. Sử dụng mô hình tuyến tính để mô tả hệ thống có nhiều ưu điểm như: Trang: 4 Đồ Án Tốt Nghiệp - Mô hình đơn giản, các tham số mô hình tuyến tính dễ dàng các định được các phương pháp thực nghiệm mà cần phải đi từ những phương trình hóa lý phức tạp mô tả hệ. - Các phương pháp tổng hợp bộ điều khiển tuyến tính rất phong phú và không tốn nhiều thời gian để thực hiện.

- Cấu trúc đơn giản của mô hình cho phép theo dõi được kết quả điều khiển một cách dễ dàng và có thể chỉnh định lại mô hình cho phù hợp với yêu cầu thực tế Chính vì những ưu điểm này của mô hình tuyến tính mà lý thuyết điều khiển tuyến tính và mô hình tuyến tính đã có được miền ứng dụng rộng lớn Trong thực tế lại tồn tại phần lớn các đối tượng được điều khiển lại mang tính động học phi tuyến. Với hệ phi tuyến thì không dùng được nguyên lý xếp chồng và không phải đối tượng nào, hệ thống nào cũng có thể mô tả được bằng một mô hình tuyến tính, cũng như không phải lúc nào những giả thiết cho phép xếp xỉ hệ thống bằng mô hình tuyến tính được thỏa mãn. Hơn thế nữa độ tối ưu tác động nhanh chỉ có thể tổng hợp được nếu ta sử dụng bộ điều khiển phi tuyến. Các hạn chế này bắt buộc người ta phải trực tiếp nghiêm cứu tính toán động học của đối tượng, tổng hợp hệ thống bằng những công cụ toán học phi tuyến.2 Đặt bài toán Cấu trúc của hệ ổn định mức nước nghiên cứu trong đồ này như hình vẽ sau : Hình 1.

3: Sơ đồ cấu trúc Trang: 5 Đồ Án Tốt Nghiệp Qi : Lưu lượng nước chảy vào bình ( cm3 / s ) Qi max : Lưu lượng nước chảy vào bình lớn nhất ( cm3 / s ) Qo : Lưu lượng nước chảy rả khởi bình ( cm3 / s ) h: Mức nước trong bình (cm) hmax : mức nước cao nhất trong bình (cm) A: Tiết diện bình ( cm 2 ) a : Tiết diện đường ống nước xả ra khỏi bình ( cm 2 ) V : Thể tích nước trong bình ( cm3 ) g : Gia tốc trọng trường (9,8m/s) Nguyên lý làm việc của mô hình là: Nước từ bồn chứa được động cơ bơm vào bình mức, lưu lượng nước Qi được thay đổi bằng cách thay đổi tốc độ của động cơ bơm. Mức nước h trong bình được cảm biến LC đo và đã được quy đổi từ giá trị áp suất ra giá trị mức và đưa thông tin tới bộ điều khiển LC. Đầu vào có thể tạo nhiễu cho lưu lượng Qi bằng cách thay đổi góc mở van V1. Đầu ra của bình mức là van xả V2 chất lỏng ra bên ngoài có thể điều chỉnh mức tiêu thụ.

Bộ điều khiển LC có nhiệm vụ điều chỉnh tốc độ của động cơ bơm vào sao cho giữ được mức nước h trong bình mức ổn định theo giá trị đặt SP. Hệ thống phải được lập trình sao cho mức nước h trong bình mức luôn ổn định mà không phụ thuộc vào lượng tiêu thụ. Trang: 6 Đồ Án Tốt Nghiệp Chương 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC 2.1 Lựa chọn thiết bị 2.1 Hệ đo áp suất Về bản chất, đây là cảm biến có độ nhạy cao với sự thay đổi của áp suất. Thiết bị dùng để đo sự thay đổi của áp suất trong đường ống, hệ thống kín độ sâu mà người dùng khó thể thao tác đo lường.

Cảm biến được sử dụng đo áp suất nước, khí nén, khí ga hiệu quả. Ứng dụng phổ biến nhất của cảm biến là đo áp lực nước. Loại cảm biến được áp dụng để đo mức nước trong hệ thống. Với nguyên lý hoạt động đo mức nước cơ bản.

Mối quan hệ giữa áp suất và chiều cao cột nước. Với công thức: P=d.h Trong đó d là khối lượng riêng của nước và h là chiều cao của cột nước. Sự thay đổi chiều cao cột nước sẽ ảnh hưởng đến áp suất nước mà cảm biến đo được.