Thiết Kế Hệ Thống Ổn Định Áp Suất Nước Bằng PID

Khám phá đề tài thiết kế hệ thống ổn định áp suất nước bằng PID trong đồ án điều khiển lập trình, ứng dụng thực tiễn và giải pháp hiệu quả.

• Tác giả: Trần Ngọc Vũ
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Trần Minh Nguyệt
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Ổn Định Áp Suất Nước Bằng PID
• Loại tài liệu: Đồ Án Điều Khiển Lập Trình
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
• 1.1. Mục tiêu đề tài
• 1.2. Giới hạn đề tài
• 1.3. Phương pháp nghiên cứu
• 1.4. Nội dung của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Khái quát về PLC
• 2.1.1. Tổng quan về PLC
• 2.1.2. Ưu điểm và nhược điểm của PLC
• 2.1.3. Vai trò ứng dụng của PLC
• 2.2. Dòng PLC S7-1200 AC/DC/RL 1214C
• 2.3. Ngôn ngữ LADDER
• 2.4. Nguyên lý hoạt động của biến tần
• 2.5. Nguyên lý hoạt động của máy bơm nước động cơ 1 pha
• 2.6. Cấu tạo của động cơ không đồng bộ 1 pha
• 2.7. Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ 1 pha
• 2.8. Nguyên lý hoạt động của cảm áp suất
• 2.8.1. Khái niệm cảm biến áp suất
• 2.8.2. Cấu tạo cảm biến áp suất
• 2.8.3. Nguyên lý hoạt động cảm biến áp suất
• 2.9. Lý thuyết điều khiển tốc độ động cơ dùng thuật toán PID
• 2.10. Thiết kế bộ điều khiển PID cho Hệ thống
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
• 3.1. Yêu cầu công nghệ và nguyên lí hoạt động hệ thống
• 3.1.1. Yêu cầu công nghệ
• 3.1.2. Nguyên lí hoạt động của hệ thống ổn định áp suất nước tòa nhà
• 3.2. Thi công thiết kế phần cơ khí
• 3.3. Yêu cầu phần cứng
• 3.4. Thiết kế khung hệ thống
• 3.5. Thiết kế hệ thống ống nước của hệ thống
• 3.6. Thi công thiết kế phần điện
• 3.6.1. Lựa chọn thiết bị
• 3.6.2. Thiết kế bảng điện điều khiển
• 3.7. Mô hình hệ thống hoàn thiện
• 3.8. Sơ đồ khối hệ thống
• 3.9. Sơ đồ mạch điều khiển
• 3.10. Sơ đồ mạch động lực
• 4. CHƯƠNG 4: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN
• 4.1. Thiết lập hàm đọc/ghi thời gian thực hệ thống
• 4.2. Xử lí tín hiệu analog từ cảm biến áp suất
• 4.3. Cấu hình cho biến tần Delta VFD-M
• 4.4. Khởi tạo và cấu hình khối PID_Compact
• 4.4.1. Tạo khối PID_Compact
• 4.4.2. Dò bộ thông số PID và điều khiển khối PID_Compact
• 4.5. Lưu đồ giải thuật điều khiển hệ thống
• 4.6. Thiết kế giao diện người dùng
• 5. CHƯƠNG 5: VẬN HÀNH THỰC TẾ VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG
• 5.1. Vận hành thực tế
• 5.2. Đánh giá vận hành của hệ thống
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. Kết luận
• 6.2. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Thiết Kế Hệ Thống Ổn Định Áp Suất Nước Bằng PID

Hệ thống ổn định áp suất nước bằng PID là một giải pháp quan trọng trong việc quản lý nguồn nước. Trong bối cảnh nguồn nước ngày càng khan hiếm, việc duy trì áp suất ổn định không chỉ đảm bảo cung cấp nước cho sinh hoạt mà còn cho sản xuất công nghiệp. Đề tài này sẽ trình bày tổng quan về thiết kế và ứng dụng của hệ thống này.

1.1. Khái Niệm Về Hệ Thống Ổn Định Áp Suất Nước

Hệ thống ổn định áp suất nước sử dụng công nghệ PID để điều khiển áp suất trong các đường ống. Điều này giúp duy trì áp suất ổn định, giảm thiểu lãng phí và tối ưu hóa việc sử dụng nguồn nước.

1.2. Tầm Quan Trọng Của Hệ Thống Trong Ngành Công Nghiệp

Hệ thống này không chỉ phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt mà còn đóng vai trò quan trọng trong các ngành công nghiệp như sản xuất, chế biến thực phẩm và xử lý nước thải.

II. Những Thách Thức Trong Việc Ổn Định Áp Suất Nước

Việc duy trì áp suất nước ổn định gặp nhiều thách thức, đặc biệt trong các hệ thống phức tạp. Sự biến động của nhu cầu sử dụng nước và điều kiện môi trường là những yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống.

2.1. Biến Động Nhu Cầu Sử Dụng Nước

Nhu cầu sử dụng nước thay đổi theo thời gian và không gian, gây khó khăn trong việc duy trì áp suất ổn định. Điều này đòi hỏi hệ thống phải có khả năng điều chỉnh linh hoạt.

2.2. Ảnh Hưởng Của Điều Kiện Môi Trường

Các yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm và áp suất môi trường có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống. Việc thiết kế hệ thống cần phải tính đến những yếu tố này để đảm bảo hoạt động hiệu quả.

III. Phương Pháp Thiết Kế Hệ Thống Ổn Định Áp Suất Nước Bằng PID

Phương pháp thiết kế hệ thống ổn định áp suất nước bằng PID bao gồm việc lựa chọn cảm biến, bộ điều khiển và các thiết bị khác. Sự kết hợp giữa các thành phần này sẽ tạo ra một hệ thống hiệu quả và đáng tin cậy.

3.1. Lựa Chọn Cảm Biến Áp Suất

Cảm biến áp suất là thành phần quan trọng trong hệ thống. Việc lựa chọn cảm biến phù hợp sẽ giúp đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của hệ thống.

3.2. Thiết Kế Bộ Điều Khiển PID

Bộ điều khiển PID cần được thiết kế sao cho có thể điều chỉnh các tham số một cách linh hoạt, giúp duy trì áp suất ổn định trong mọi điều kiện hoạt động.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Hệ Thống Ổn Định Áp Suất Nước Bằng PID

Hệ thống ổn định áp suất nước bằng PID đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Từ các tòa nhà cao tầng đến các nhà máy công nghiệp, hệ thống này giúp tối ưu hóa việc sử dụng nước và giảm thiểu lãng phí.

4.1. Ứng Dụng Trong Các Tòa Nhà Cao Tầng

Hệ thống này giúp duy trì áp suất nước ổn định cho các tầng cao, đảm bảo cung cấp nước đầy đủ cho mọi nhu cầu sử dụng.

4.2. Ứng Dụng Trong Ngành Công Nghiệp

Trong ngành công nghiệp, hệ thống này giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất, giảm thiểu lãng phí và nâng cao hiệu suất làm việc.

V. Kết Luận Về Thiết Kế Hệ Thống Ổn Định Áp Suất Nước Bằng PID

Thiết kế hệ thống ổn định áp suất nước bằng PID không chỉ là một nhiệm vụ nghiên cứu mà còn là một cam kết trong việc bảo vệ tài nguyên nước. Hệ thống này có tiềm năng lớn trong việc giải quyết các thách thức về nguồn nước trong tương lai.

5.1. Tương Lai Của Hệ Thống Ổn Định Áp Suất Nước

Với sự phát triển của công nghệ, hệ thống này sẽ ngày càng hoàn thiện hơn, đáp ứng tốt hơn nhu cầu sử dụng nước trong tương lai.

5.2. Khuyến Nghị Về Nghiên Cứu Tiếp Theo

Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các giải pháp mới để cải thiện hiệu suất của hệ thống, đồng thời giảm thiểu tác động đến môi trường.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các công trình xây dựng hiện đại, đặc biệt là các tòa nhà cao tầng và các khu liên hợp dân cư - công nghiệp, nhu cầu sử dụng nước luôn biến động liên tục theo từng khung giờ trong ngày. Việc duy trì áp suất nước ổn định trên hệ thống đường ống đóng vai trò quan trọng nhằm đảm bảo cung cấp liên tục, hạn chế hư hại thiết bị vệ sinh, chống rò rỉ và giảm thiểu thất thoát tài nguyên nước. Sự dao động áp suất do tải tiêu thụ thay đổi đột ngột đặt ra yêu cầu phải có một giải pháp điều khiển tự động có độ tin cậy và độ chính xác cao.

Đề tài "Thiết kế hệ thống ổn định áp suất nước bằng PID" do sinh viên Trần Ngọc Vũ và Đoàn Quốc Việt thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Trần Minh Nguyệt tại Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (tháng 12 năm 2023) tập trung giải quyết bài toán điều khiển tự động hóa này.

Mục tiêu nghiên cứu và triển khai của đề tài bao gồm:

1. Thiết kế và thi công hoàn thiện một mô hình thực nghiệm hệ thống ổn định áp suất nước ứng dụng thuật toán điều khiển PID.
2. Xây dựng giao diện màn hình HMI để giám sát toàn bộ thông số vận hành và thực hiện thao tác điều khiển mà không cần nút nhấn cơ học bên ngoài.
3. Đáp ứng tốt yêu cầu duy trì áp suất cài đặt khi có sự thay đổi tải tiêu thụ đột ngột trên đường ống (thông qua việc đóng/mở các van mô phỏng).

Phạm vi và giới hạn của đề tài được xác định rõ:

• Hệ thống được vận hành và giám sát hoàn toàn thông qua giao diện màn hình cảm ứng HMI, không bố trí các nút nhấn vật lý trên bảng điều khiển.
• Các van xả nước dùng để mô phỏng tải tiêu thụ được đóng/ngắt trực tiếp thông qua giao diện điều khiển, không thiết lập cơ chế tự động đóng/mở van.
• Mô hình được chế tạo ở quy mô thực nghiệm phòng thí nghiệm nhằm mô phỏng lại các chức năng công nghệ thực tế, có sự khác biệt về quy mô công suất và dung lượng tải so với hệ thống cấp nước công nghiệp thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài dựa trên nền tảng lý thuyết điều khiển tự động và các công nghệ tự động hóa công nghiệp tiêu chuẩn:

• Khung lý thuyết điều khiển vi tích phân tỉ lệ (PID): Bộ điều khiển tính toán sai số $e(t) = V_{set} - V_{mt}$ giữa áp suất đặt ($V_{set}$) và áp suất phản hồi từ cảm biến ($V_{mt}$). Tín hiệu điều khiển $U(t)$ được xác định theo phương trình: $$U(t) = K_p e(t) + K_i \int_{0}^{t} e(t)dt + K_d \frac{de(t)}{dt}$$ Trong đó $K_p$, $K_i$, $K_d$ lần lượt là các hệ số tỉ lệ, tích phân và vi phân.
• Lý thuyết biến tần và điều khiển động cơ xoay chiều: Biến tần biến đổi nguồn xoay chiều thành một chiều qua bộ chỉnh lưu, sau đó nghịch lưu thành nguồn xoay chiều 3 pha có tần số và điện áp thay đổi nhờ công nghệ IGBT kết hợp điều chế độ rộng xung (PWM). Đối với tải bơm và quạt, đặc tính mô-men phụ thuộc bậc hai vào tốc độ và điện áp là hàm bậc bốn của tần số theo đường cong tỉ lệ $V/F$.
• Lý thuyết động cơ không đồng bộ 1 pha: Sử dụng nguyên lý tạo từ trường quay nhờ cuộn dây phụ lệch pha với tụ điện, tốc độ đồng bộ $n = \frac{60f}{p}$ và hệ số trượt $S$ dao động trong khoảng 2% đến 10%.
• Lý thuyết cảm biến áp suất: Thiết bị chuyển đổi biến dạng cơ học của màng đo kim loại dưới tác động của áp lực thành tín hiệu dòng điện tiêu chuẩn $4 - 20\text{ mA}$.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được áp dụng theo các bước:

1. Nghiên cứu tài liệu kỹ thuật, sơ đồ công nghệ và các nghiên cứu liên quan đến điều khiển áp suất vòng kín.
2. Thu thập dữ liệu tín hiệu tương tự (analog) từ cảm biến áp suất qua khối Analog Input của PLC và theo dõi thông qua phần mềm TIA Portal.
3. Mô phỏng chương trình điều khiển logic và thuật toán trên công cụ S7-PLCSIM.
4. Chế tạo khung cơ khí, lắp ráp đường ống, đấu nối bảng tủ điện điều khiển và chạy thử nghiệm thực tế.
5. Thực hiện dò thông số bộ điều khiển PID (Fine-tuning) và đánh giá độ ổn định của hệ thống theo từng kịch bản tải.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế hoàn chỉnh từ phần cứng cơ khí, mạch điện động lực - điều khiển đến cấu hình phần mềm trên PLC và HMI.

Thiết kế phần cứng và cơ cấu chấp hành

Mô hình thực nghiệm được lắp đặt trên khung sắt kích thước $70 \times 50 \times 120\text{ cm}$, sử dụng bình chứa nước dung tích thực nghiệm cùng hệ thống đường ống nhựa PVC đường kính $27\text{ mm}$, kết hợp các phụ kiện co, tê, van khóa cơ và 4 van điện từ để giả lập tải tiêu thụ của các tầng hoặc các khu vực dùng nước.

Tên thiết bị	Mã hiệu / Quy cách	Thông số kỹ thuật chính	Vai trò trong hệ thống
Bộ điều khiển lập trình	Siemens S7-1200 CPU 1214C AC/DC/RLY (6ES7 214-1BG40-0XB0)	Nguồn cấp 120/240 VAC, 14 DI (24 VDC), 10 DO Relay, 2 AI (0–10 V), bộ nhớ 100 KB	Xử lý trung tâm, tính toán thuật toán PID, điều khiển đóng cắt và truyền thông
Biến tần	Delta VFD-M	Công suất 0.75 kW, nguồn cấp 1 pha 230 VAC, điều khiển ngõ vào analog 0–10 V, RS-485	Điều chỉnh tốc độ động cơ máy bơm 1 thông qua biến đổi tần số
Máy bơm nước chính (M1) & phụ (M2)	Panasonic GP-200JXK-SV5	Công suất 200 W, nguồn 1 pha 220 VAC, lưu lượng tối đa 45 l/phút, đẩy cao 21 m, hút sâu 9 m	Bơm M1 điều khiển vô cấp qua biến tần; Bơm M2 chạy trực tiếp qua Contactor để tăng áp
Cảm biến áp suất	Danfoss MBS 3300	Dải đo 0–4 bar (chịu áp đến 10 bar), ngõ ra 4–20 mA, nguồn 10–30 VDC, chuẩn ren G1/4, IP65	Đo áp suất đường ống và phản hồi tín hiệu về PLC
Màn hình cảm ứng HMI	Weintek MT8071iP	Màn hình 7 inch, CPU Cortex A8 600 MHz, RAM 128 MB, Flash 128 MB, cổng Ethernet/RS485	Giao diện hiển thị thời gian thực, cài đặt ca làm việc, thông số PID và điều khiển hệ thống
Khởi động từ & Rơ-le trung gian	Toshiba A4J & Omron LY2N	Contactor 3 cực 32 A (cuộn coil 220 VAC); Rơ-le coil 24 VDC chịu tải tiếp điểm 10 A	Đóng cắt nguồn động lực cho bơm M2 và 4 van điện từ xả tải
Nguồn cấp DC	Nguồn tổ ong 24 VDC	Điện áp ngõ ra 24 VDC, dòng ngõ ra định mức 2.2 A – 3 A	Cung cấp nguồn cho PLC, rơ-le trung gian, cảm biến và HMI

Xử lý tín hiệu Analog và Cấu hình Biến tần

• Xử lý tín hiệu cảm biến: Cảm biến Danfoss MBS 3300 xuất tín hiệu dòng $4 - 20\text{ mA}$, trong khi module AI tích hợp trên CPU 1214C chỉ nhận tín hiệu điện áp $0 - 10\text{ V}$. Nhóm nghiên cứu mắc thêm một điện trở chính xác $500\ \Omega$ song song tại ngõ vào analog để chuyển đổi dòng $4 - 20\text{ mA}$ thành điện áp $2 - 10\text{ V}$ (tương ứng dải áp suất $0 - 4\text{ bar}$). Trong PLC, giá trị số nguyên chuyển đổi tương ứng từ $5529.6$ đến $27648$, được quy đổi tuyến tính về giá trị áp suất thực tế.
• Cấu hình biến tần Delta VFD-M cho động cơ 1 pha: Do biến tần thiết kế tiêu chuẩn cho tải 3 pha, để điều khiển động cơ 1 pha hoạt động ổn định và không báo lỗi, các thông số được cài đặt gồm:
  • Pr.76 = 9: Khôi phục thông số mặc định của nhà sản xuất về tần số $50\text{ Hz}$.
  • Pr.00 = 1: Chọn nguồn nhận lệnh điều khiển tần số từ ngõ vào tương tự $0 - 10\text{ V}$ (chân AVI).
  • Pr.01 = 1: Nhận lệnh chạy/dừng từ terminal ngoài.
  • Pr.04 = 50\text{ Hz}, Pr.05 = 220\text{ V}: Tần số và điện áp cực đại.
  • Pr.06 = 25\text{ Hz}, Pr.07 = 50\text{ V}: Điểm trung gian trên đường cong $V/F$.
  • Pr.10 = 5\text{ s}, Pr.11 = 7\text{ s}: Thời gian tăng tốc và giảm tốc.
  • Pr.32 = 1: Vô hiệu hóa tính năng bảo vệ mất pha ngõ ra.

Cấu hình khối PID_Compact và Giao diện HMI

• Thuật toán PID được lập trình bằng khối hàm chuyên dụng PID_Compact nằm trong khối ngắt chu kỳ Cyclic Interrupt (OB30) của PLC S7-1200. Các thông số cấu hình bao gồm kiểu điều khiển áp suất (Pressure, đơn vị bar), ngõ vào giá trị đặt dạng thực (INPUT), ngõ ra điều khiển tương tự (OUTPUT_PER).
• Quá trình xác định tham số bộ điều khiển được thực hiện thông qua chức năng Fine-tuning trên TIA Portal trong môi trường vận hành kín.
• Khối RD_LOC_T và WR_LOC_T kết hợp với kiểu dữ liệu DTL (12 byte) được thiết lập để đồng bộ và hiệu chỉnh thời gian thực giữa màn hình HMI và PLC, phục vụ cho việc chuyển đổi tự động giữa các ca làm việc.
• Giao diện người dùng được thiết kế trên phần mềm EasyBuilder Pro bao gồm các màn hình chính: Màn hình giới thiệu, Màn hình cài đặt thông số (Settings - cấu hình ca làm việc, áp suất đặt, chế độ Manual), Màn hình giám sát tổng thể (Monitoring View) và Màn hình đồ thị đáp ứng áp suất theo thời gian thực (Trend View).

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của việc ổn định áp suất cấp nước trong các công trình cao tầng nhằm giải quyết các thách thức về sử dụng tài nguyên nước và biến động nhu cầu tiêu thụ. Tác giả xác định mục tiêu thiết kế và thi công mô hình thực nghiệm điều khiển bằng PLC và HMI, nêu rõ giới hạn hệ thống không sử dụng nút nhấn vật lý, đồng thời thiết lập phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết, mô phỏng S7-PLCSIM và kiểm nghiệm thực tế trên mô hình.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2 tổng hợp cơ sở lý thuyết về thiết bị điều khiển lập trình PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C, ngôn ngữ lập trình LADDER, nguyên lý biến đổi điện áp - tần số theo phương pháp PWM của biến tần Delta VFD-M. Đồng thời, chương này phân tích cấu tạo và nguyên lý của động cơ không đồng bộ 1 pha, cấu tạo 4 phần và nguyên lý màng biến dạng của cảm biến áp suất Danfoss MBS 3300, cùng cấu trúc toán học của bộ điều khiển phản hồi vòng kín PID.

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

Chương 3 trình bày các yêu cầu công nghệ của hệ thống, bao gồm dải áp suất làm việc từ $1.5\text{ bar}$ đến $4.0\text{ bar}$, cơ chế vận hành tự động theo 2 ca làm việc có mức áp suất đặt riêng biệt. Nội dung chương trình bày chi tiết bản vẽ thiết kế khung cơ khí $70 \times 50 \times 120\text{ cm}$ trên SolidWorks, sơ đồ bố trí đường ống PVC $\varnothing 27\text{ mm}$, bảng tính toán lựa chọn thiết bị điện và sơ đồ đấu nối mạch điều khiển, mạch động lực cho 2 máy bơm và 4 van điện từ xả tải.

CHƯƠNG 4: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN

Chương 4 mô tả chi tiết giải thuật phần mềm được nạp trên PLC S7-1200 và giao diện HMI Weintek MT8071iP:

• Thiết lập khối dữ liệu DTL cùng 2 hàm RD_LOC_T (đọc thời gian thực liên tục) và WR_LOC_T (ghi nhận thời gian điều chỉnh từ HMI).
• Thuật toán chuyển đổi tín hiệu analog đầu vào từ cảm biến (xử lý dải giá trị số nguyên $5529.6 - 27648$ ứng với $2 - 10\text{ V}$ và $0 - 4\text{ bar}$).
• Các bước cài đặt thông số biến tần Delta VFD-M và quy trình cấu hình khối hàm PID_Compact trong khối OB30.
• Lưu đồ thuật toán vận hành tổng thể: Khi chạy chế độ Auto, bơm M1 khởi động và điều chỉnh tần số theo PID; nếu tần số M1 vượt quá $48.8\text{ Hz}$ hoặc sau 10 giây áp suất chưa đạt mức đặt, bơm M2 được kích hoạt chạy bổ sung; khi áp suất đạt yêu cầu và tần số M1 giảm xuống dưới $20\text{ Hz}$, bơm M2 tự động ngắt.
• Thiết kế hệ thống các màn hình giao diện HMI trên phần mềm EasyBuilder Pro.

CHƯƠNG 5: VẬN HÀNH THỰC TẾ VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG

Chương 5 ghi nhận kết quả vận hành thử nghiệm mô hình thực tế qua các kịch bản áp suất và phụ tải:

• Thiết lập giá trị đặt $V_{set} = 1.9\text{ bar}$ khi mở 2 van xả tải.
• Thiết lập giá trị đặt $V_{set} = 1.9\text{ bar}$ khi tăng tải lên mở 3 van xả.
• Thiết lập giá trị đặt $V_{set} = 1.9\text{ bar}$ khi giảm tải xuống mở 1 van xả.
• Thiết lập giá trị đặt $V_{set} = 1.7\text{ bar}$ khi chỉ mở 1 van xả tải. Các kết quả đo đạc từ màn hình Trend View cho thấy hệ thống đáp ứng tốt, bám sát giá trị đặt và duy trì áp suất ổn định khi có xáo trộn phụ tải.

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Chương 6 tổng kết các hạng mục đã hoàn thành về phần cứng, phần mềm và giao diện giám sát; đồng thời đề xuất hướng phát triển mở rộng đề tài như tự động hóa hoàn toàn việc đóng mở van xả tải và tích hợp hệ thống SCADA giám sát từ xa qua mạng truyền thông.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể:

• Chế tạo hoàn chỉnh mô hình thực nghiệm vững chắc với kích thước khung sắt $70 \times 50 \times 120\text{ cm}$, tích hợp đầy đủ bồn nước, hệ thống đường ống PVC $\varnothing 27\text{ mm}$, 2 động cơ bơm 200 W, 4 van điện từ và bảng điều khiển trung tâm.
• Triển khai thành công giải pháp ghép nối biến tần Delta VFD-M điều khiển động cơ 1 pha thông qua việc thiết lập tham số Pr.32 = 1 để bỏ qua lỗi mất pha, kết hợp đường cong đặc tính $V/F$ phù hợp với tải bơm.
• Chuyển đổi chính xác tín hiệu dòng điện $4 - 20\text{ mA}$ từ cảm biến Danfoss MBS 3300 thành tín hiệu điện áp $2 - 10\text{ V}$ tương thích với ngõ vào analog tích hợp của PLC S7-1200 thông qua điện trở mẫu $500\ \Omega$, xử lý tương đương dải giá trị số $5529.6 - 27648$.
• Khởi tạo và tối ưu hóa thành công bộ thông số cho khối hàm PID_Compact trong khối ngắt OB30, đảm bảo hệ thống phản hồi nhanh và bám sát các mức áp suất đặt ($1.7\text{ bar}$ và $1.9\text{ bar}$) dưới các trạng thái tải khác nhau (mở 1 van, 2 van và 3 van).
• Tích hợp thành công thuật toán gọi bơm phụ M2 khi tần số bơm chính vượt ngưỡng $48.8\text{ Hz}$ (hoặc sau 10 giây chưa đạt áp suất) và tự động ngắt bơm M2 khi tần số bơm chính giảm về dưới $20\text{ Hz}$.
• Thiết kế giao diện HMI Weintek MT8071iP thân thiện, loại bỏ hoàn toàn các nút nhấn cơ vật lý, cho phép cài đặt ca làm việc, đồng bộ thời gian thực qua khối DTL (RD_LOC_T/WR_LOC_T), theo dõi trạng thái thiết bị và đồ thị áp suất trực quan.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được nhóm tác giả ghi nhận từ thực tế nghiên cứu:

• Mô hình chỉ mang tính chất thực nghiệm mô phỏng quy mô nhỏ, có sự khác biệt đáng kể về dung lượng đường ống và công suất bơm so với hệ thống cấp nước thực tế của các tòa nhà cao tầng.
• Việc đóng/mở 4 van xả tải để thay đổi lưu lượng tiêu thụ vẫn phải thực hiện thủ công thông qua màn hình điều khiển, chưa có thuật toán ngẫu nhiên hóa hoặc tự động hóa hoàn toàn chu trình đóng ngắt van theo kịch bản tải động.

Hướng phát triển tiếp theo của đề tài:

• Nâng cấp và tự động hóa cơ chế điều khiển đóng/mở các van xả theo kịch bản tiêu thụ nước biến thiên tự động.
• Mở rộng quy mô công suất hệ thống và nghiên cứu ứng dụng cho các mô hình trạm bơm tăng áp thực tế.
• Tích hợp thêm module truyền thông mạng để kết nối hệ thống điều khiển với máy chủ SCADA, cho phép giám sát và thu thập dữ liệu từ xa qua giao diện Web hoặc ứng dụng di động.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị ứng dụng cao đối với:

• Sinh viên các ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Điện tử Công nghiệp, Cơ điện tử khi thực hiện các đồ án môn học như Đồ án Điều khiển lập trình, Đồ án Tự động hóa, hoặc Khóa luận tốt nghiệp liên quan đến điều khiển quá trình.
• Cán bộ kỹ thuật và sinh viên cần tài liệu hướng dẫn thực hành cấu hình khối hàm PID_Compact trên phần mềm TIA Portal (Siemens S7-1200) và kỹ thuật dò thông số Fine-tuning.
• Giải pháp tham khảo chi tiết về việc kết nối biến tần 3 pha để điều khiển động cơ 1 pha, kỹ thuật phối hợp trở kháng chuyển đổi tín hiệu analog $4 - 20\text{ mA}$ sang $0 - 10\text{ V}$, cũng như kỹ thuật lập trình giao diện HMI Weintek bằng phần mềm EasyBuilder Pro.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao hệ thống sử dụng cảm biến xuất tín hiệu dòng 4–20 mA nhưng vẫn kết nối được với ngõ vào Analog 0–10 V của PLC S7-1200? Do ngõ vào Analog Input tích hợp trên CPU 1214C chỉ hỗ trợ đọc tín hiệu điện áp $0 - 10\text{ V}$, nhóm tác giả đã mắc song song một điện trở $500\ \Omega$ tại đầu vào tín hiệu. Theo định luật Ohm, dòng điện $4 - 20\text{ mA}$ khi đi qua điện trở $500\ \Omega$ sẽ tạo ra mức sụt áp tương ứng là $2 - 10\text{ V}$. Trong PLC, dải điện áp này được ánh xạ tuyến tính thành giá trị số nguyên từ $5529.6$ đến $27648$ ứng với dải áp suất đo $0 - 4\text{ bar}$.

2. Biến tần Delta VFD-M vốn là dòng biến tần cho động cơ 3 pha, làm thế nào để điều khiển được động cơ máy bơm 1 pha mà không bị báo lỗi? Nhóm nghiên cứu đã cấu hình thông số Pr.32 = 1 trên biến tần Delta VFD-M để tắt tính năng bảo vệ mất pha ngõ ra. Đồng thời, các thông số đường cong tỉ lệ $V/F$ (Pr.04 = 50\text{ Hz}, Pr.05 = 220\text{ V}, Pr.06 = 25\text{ Hz}, Pr.07 = 50\text{ V}) được thiết lập phù hợp với đặc tính tải của máy bơm nước 1 pha 220 VAC.

3. Cơ chế phối hợp hoạt động giữa động cơ bơm chính M1 và động cơ bơm phụ M2 trong chế độ Auto được thiết lập như thế nào? Động cơ bơm chính M1 được điều khiển biến đổi tốc độ vô cấp thông qua biến tần bởi khối hàm PID. Động cơ bơm phụ M2 chạy ở tốc độ cố định ($50\text{ Hz}$) thông qua khởi động từ. Khi hệ thống vận hành, nếu sau 10 giây mức áp suất chưa đạt giá trị đặt hoặc tần số của M1 tăng vượt quá $48.8\text{ Hz}$, PLC sẽ kích hoạt rơ-le đóng khởi động từ để bật thêm bơm M2. Khi áp suất đường ống đã đạt mức đặt và tần số của M1 giảm xuống dưới $20\text{ Hz}$, bơm M2 sẽ tự động ngắt, hệ thống quay trở lại điều khiển duy nhất bơm M1.

4. Khối hàm PID nào được sử dụng trong PLC S7-1200 và cấu hình tại đâu? Hệ thống sử dụng khối hàm công nghệ PID_Compact được gọi bên trong khối ngắt chu kỳ Cyclic Interrupt (OB30). Khối được cấu hình kiểu bộ điều khiển áp suất (Pressure, đơn vị bar), ngõ vào là giá trị thực INPUT và ngõ ra là OUTPUT_PER. Việc xác định tham số bộ điều khiển được thực hiện thông qua chức năng Fine-tuning trong thẻ Commissioning của TIA Portal, và biến PID_Compact.Mode được gán bằng 3 để hoạt động ở chế độ tự động.

5. Hệ thống thực hiện việc phân chia ca làm việc và cài đặt thời gian thực như thế nào? Hệ thống sử dụng khối dữ liệu DTL (Data Type Length 12 byte) để lưu trữ các thành phần ngày, tháng, năm, giờ, phút, giây. Hàm RD_LOC_T chạy liên tục trong chương trình PLC để đọc thời gian thực từ phần cứng, từ đó đối chiếu với khung giờ của Ca 1 và Ca 2 nhằm tự động áp dụng giá trị áp suất đặt (Setpoint) tương ứng. Khi cần điều chỉnh đồng hồ từ màn hình HMI, hàm WR_LOC_T sẽ được kích hoạt để ghi lại giá trị thời gian mới vào PLC.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế hệ thống ổn định áp suất nước bằng PID" đã hoàn thành trọn vẹn các mục tiêu thiết kế và thi công mô hình thực nghiệm điều khiển ổn định áp suất cấp nước. Thông qua sự kết hợp giữa bộ điều khiển lập trình Siemens S7-1200, thuật toán PID_Compact, biến tần Delta VFD-M và giao diện HMI Weintek MT8071iP, hệ thống chứng minh khả năng tự động duy trì áp suất đường ống ổn định trước các biến động xả tải mô phỏng. Kết quả nghiên cứu cung cấp một mô hình thực hành hoàn chỉnh, đóng vai trò là tài liệu tham khảo có tính ứng dụng cao cho sinh viên và kỹ sư ngành Điều khiển và Tự động hóa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.5 Nội dung của đề tài Các chương còn lại bao gồm: Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Chương này trình bày yêu cầu của hệ thống cần thiết kế, các vấn đề liên quan đến công nghệ của hệ thống. Chương 3: Thiết kế phần cứng. Chương này trình bày các thiết bị được sử dụng ở hệ thống, tính toán thiết kế và đưa ra sơ đồ nguyên lí của hệ thống.

Chương 4: Thuật toán điều khiển. Chương này trình bày các giải thuật được sử dụng trong hệ thống và xây dựng giao diện người dùng GUI trên màn hình HMI để vận hành và giám sát. Chương 5: Vận hành thực tế và đánh giá hệ thống. Chương này trình bày những kết quả đạt được về phần cứng lẫn phần mềm cũng như hoạt động của hệ thống trên thực tế.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển. Chương này trình bày về kết luận của đề tài đã thực hiện và các hướng có thể phát triển của đề tài. ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH 3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Khái quát về PLC 2.1 Tổng quan về PLC PLC là thiết bị cho phép lập trình thực hiện các thuật toán điều khiển logic. PLC có khả năng thay đổi thuật toán điều khiển tùy biến thông qua một ngôn ngữ lập trình.

Do vậy, nó cho phép thực hiện linh hoạt tất cả các bài toán điều khiển. Có nhiều ngôn ngữ để lập trình cho PLC như LAD, FBD, STL và nhóm đang sử dụng ngôn ngữ LAD cho đề tài lần này. Nguyên lý hoạt động của PLC: - PLC nhận thông tin từ các cảm biến và các thiết bị đầu vào được kết nối, xử lý dữ liệu và kích hoạt đầu ra dựa trên các tham số đã được lập trình trước đó. - Các hoạt động bên trong PLC được điều khiển bởi CPU, nó sẽ đọc và kiểm tra chương trình được chứa trong bộ nhớ và thực hiện từng lệnh trong chương trình được lập trình trước đó.

- Tùy thuộc vào đầu vào và đầu ra, bộ điều khiển PLC, có thể theo dõi và ghi lại dữ liệu thời gian chạy như năng suất máy và nhiệt độ vận hành, tự khởi động và dừng quy trình, tạo báo thức nếu máy gặp trục trặc và hơn thế nữa… - Bộ điều khiển lập trình PLC là một giải pháp điều khiển linh hoạt và mạnh mẽ, có thể thích ứng với hầu hết ứng dụng nào [1]. 1 Nguyên lý hoạt động của PLC ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH 4 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.2 Ưu điểm và nhược điểm của PLC Bảng 2. 1 Ưu và nhược điểm của PLC Ưu điểm Nhược điểm − Dễ dàng thay đổi chương trình theo ý − Giá thành phần cứng cao: Vì đây là muốn, thích hợp để lập trình cho nhiều một thiết bị công nghệ cao, tự động ứng dụng khác nhau. hóa cao nên giá trị sẽ cao hơn nhiều so − Mạch điện gọn nhẹ, dễ dàng trong việc với các lại thiết bị rơ le ON/OFF thông bảo quản, sửa chữa và thay thế thường.

− Độ tin cậy cao, chuẩn hóa được thiết bị. − Một số hãng phải mua thêm phần mềm − Thực hiện được các thuật toán phức tạp để lập trình: Các loại PLC sẽ được và độ chính xác cao. hãng thiết kế riêng chính vì thế chúng − Cấu trúc PLC dạng module, cho phép dễ sẽ có sự khác biệt trong khâu lập trình dàng thay thế, mở rộng đầu vào/ra, mở hệ thống. Một số hãng sẽ kèm theo rộng chức năng khác phần mềm, tuy nhiên cũng sẽ có một − Khả năng chống nhiễu tốt, hoàn toàn số hãng bán kèm để chúng ta sử dụng.