Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các quy trình công nghiệp và hệ thống dân dụng hiện đại, việc kiểm soát và duy trì lưu lượng chất lỏng ổn định là yêu cầu kỹ thuật then chốt nhằm bảo đảm tính sẵn sàng, độ tin cậy và hiệu suất vận hành của thiết bị. Thực tế sản xuất tại các nhà máy cấp thoát nước, các tòa nhà cao tầng, hệ thống tưới tiêu tự động, hệ thống giải nhiệt máy móc sản xuất (như máy cắt CNC laser) hay hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức trên ô tô đòi hỏi quá trình cấp xả chất lỏng phải được kiểm soát tự động liên tục, thay thế các phương thức giám sát và điều chỉnh van thủ công vốn tiềm ẩn nhiều sai lệch và tốn kém nhân lực.

Vấn đề kỹ thuật đặt ra là thiết kế và thi công một hệ thống phần cứng kết hợp giải thuật điều khiển vòng kín có khả năng tự động phản ứng và ổn định lưu lượng dòng chảy trong đường ống khi xảy ra biến động tải tiêu thụ (ví dụ: thao tác đóng/mở ngẫu nhiên các van phân phối).

Đồ án tốt nghiệp xác định các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  1. Nghiên cứu cấu trúc phần cứng, cấu trúc bộ nhớ và tập lệnh lập trình của bộ điều khiển khả trình PLC Siemens S7-1200.
  2. Tìm hiểu nguyên lý hoạt động, cấu hình thông số kỹ thuật và chế độ vận hành của biến tần Mitsubishi FR-E700.
  3. Tính toán, lựa chọn công suất bơm ly tâm 3 pha và các thiết bị đóng cắt, bảo vệ mạch động lực, mạch điều khiển phù hợp.
  4. Xây dựng cấu hình truyền thông và kết nối tín hiệu giữa PLC S7-1200 với biến tần và màn hình HMI.
  5. Lập trình giải thuật điều khiển trên phần mềm TIA Portal và thiết kế giao diện vận hành, giám sát đồ thị trên phần mềm EasyBuilder 8000 cho màn hình HMI Weinview MT8070iH.
  6. Thực hiện điều khiển và ổn định lưu lượng trên đường ống thông qua hai phương thức: sử dụng khối hàm PID trên PLC (biến tần làm cơ cấu chấp hành) và sử dụng bộ điều khiển PID tích hợp trực tiếp trên biến tần.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống dòng chảy chất lỏng trong đường ống kín, động cơ bơm ly tâm trục ngang 3 pha, bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200, biến tần Mitsubishi FR-E700 và màn hình HMI Weinview MT8070iH. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở mô hình thực nghiệm quy mô phòng thí nghiệm tại Bộ môn Tự động hóa, Khoa Điện – Điện tử, Trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao Thắng, hoàn thành vào tháng 7 năm 2023.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng trên nền tảng lý thuyết điều khiển tự động vòng kín với thuật toán điều khiển tỉ lệ - tích phân - vi phân (PID kinh điển). Mô hình toán học tổng quát của bộ điều khiển PID lý tưởng được biểu diễn bằng phương trình vi phân và hàm truyền:

$$u(t) = K_P e(t) + K_I \int_{0}^{t} e(t)dt + K_D \frac{de(t)}{dt}$$

$$G_{PID}(s) = K_P + \frac{K_I}{s} + K_D s$$

Trong đó $e(t) = SP - PV$ là sai lệch giữa giá trị đặt (Setpoint - SP) và giá trị đo thực tế (Process Value - PV); $K_P$, $K_I$, $K_D$ lần lượt là các hệ số tỉ lệ, tích phân và vi phân. Tác động của từng thành phần lên đặc tính động học của hệ thống được tổng hợp trong Bảng 1.

Thành phần Thời gian đáp ứng Độ vọt lố Thời gian quá độ Sai số xác lập
$K_P$ Giảm Tăng Thay đổi ít Giảm
$K_I$ Giảm Tăng Tăng Triệt tiêu hoàn toàn
$K_D$ Thay đổi ít Giảm Giảm Thay đổi ít

Về mặt lý thuyết chỉnh định tham số, nhóm tác giả khảo sát hai phương pháp Ziegler – Nichols:

  • Phương pháp Ziegler – Nichols 1: Áp dụng cho đối tượng có đáp ứng quá độ vòng hở dạng đường cong chữ S, xác định thông số thông qua thời gian trễ $T_t$ và hằng số thời gian $T$.
  • Phương pháp Ziegler – Nichols 2: Áp dụng qua thực nghiệm vòng kín bằng cách tăng độ lợi tỉ lệ đến giá trị khuếch đại tới hạn $K_{gh}$ làm hệ thống ở biên giới ổn định (dao động điều hòa chu kỳ $T_{gh}$), từ đó tra bảng xác định $K_P = 0.6 K_{gh}$, $T_I = 0.5 T_{gh}$, $T_D = 0.125 T_{gh}$.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và kỹ thuật bao gồm:

  • Phương pháp thiết kế và tích hợp phần cứng: Tính toán chọn lựa thiết bị điện công nghiệp (PLC, biến tần, động cơ bơm, CB, mạch biến đổi tín hiệu, cảm biến).
  • Phương pháp xử lý tín hiệu số và ngắt chu kỳ: Cấu hình khối đếm xung tốc độ cao HSC (High Speed Counter) và tập lệnh CTRL_HSC trên PLC S7-1200 để đo tần số xung từ cảm biến lưu lượng Hall (lưu tại ô nhớ ID1000 với các chu kỳ lấy mẫu 1s, 0.1s, 0.01s). Khối hàm PID_Compact được cài đặt trong khối ngắt chu kỳ OB30 (Cyclic Interrupt, chu kỳ quét 100ms) để đảm bảo chu kỳ lấy mẫu cố định mà không làm chậm chu kỳ quét của chương trình chính OB1.
  • Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng: Vận hành mô hình với 4 van khóa cơ khí để tạo các kịch bản thay đổi đột ngột tiết diện đường ống (đóng 1 van, 2 van, 3 van) nhằm thu thập số liệu đáp ứng lưu lượng, độ vọt lố và thời gian ổn định.

Nguồn dữ liệu thực nghiệm thu thập trực tiếp từ cảm biến lưu lượng Hall (tầm đo 0 - 150 L/min), lưu lượng kế cơ khí dạng tròn đối chứng (0 - 150 L/min) và dữ liệu truyền thông hiển thị trên HMI Weinview MT8070iH qua phần mềm EasyBuilder 8000.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc điều khiển tích hợp gồm tủ điện điều khiển, khung cơ khí đường ống, cụm chấp hành bơm và giao diện giám sát HMI.

Nhóm thiết bị Tên thiết bị / Phần mềm Thông số kỹ thuật / Vai trò
Bộ điều khiển Siemens S7-1200 DC/DC/DC CPU xử lý trung tâm, lập trình khối PID_Compact, đếm xung HSC
Biến tần (VFD) Mitsubishi FR-E700 Nguồn 3 pha 200V, điều khiển tốc độ động cơ bơm, tích hợp bộ PID
Động cơ bơm Bơm ly tâm trục ngang Động cơ 3 pha, công suất định mức 1 HP
Cảm biến đo Cảm biến lưu lượng Sensor Hall Đo lưu lượng dòng chảy (0 - 150 L/min), ngõ ra xung tần số
Đo đối chứng Lưu lượng kế dạng tròn Đo hiển thị cơ học trực quan trên đường ống (0 - 150 L/min)
Mạch chuyển đổi PWM to Analog & F/V Converter Chuyển đổi PWM sang 0-10 VDC và tần số F[Hz] sang 0-10 VDC
Giao diện HMI Weinview MT8070iH Màn hình cảm ứng hiển thị đồ thị, cài đặt Setpoint qua Ethernet
Bảo vệ & Nguồn MCB Chint, Nguồn tổ ong Đóng cắt bảo vệ hệ thống và cấp nguồn 24 VDC cho mạch điều khiển
Phần mềm TIA Portal V16, EasyBuilder 8000 Lập trình điều khiển PLC và lập trình thiết kế giao diện HMI

Hệ thống triển khai theo hai kiến trúc điều khiển song song:

  1. Kiến trúc PID trên PLC: Tín hiệu xung từ cảm biến Hall đưa về chân ngõ vào tốc độ cao của PLC, hàm CTRL_HSC giải mã tần số đưa vào khối PID_Compact (OB30, đặt dải đo Low limit = 5 L/min, High limit = 150 L/min). PLC thực hiện thuật toán PID (kết hợp công cụ Pretuning, Fine tuning tự động tối ưu tham số) và xuất tín hiệu điều khiển dưới dạng xung PWM qua mạch chuyển đổi Analog 0-10 VDC cấp cho biến tần Mitsubishi FR-E700 điều chỉnh tốc độ bơm. Setpoint được nhập từ màn hình HMI.
  2. Kiến trúc PID trên Biến tần: Tín hiệu tần số từ cảm biến lưu lượng qua mạch chuyển đổi F/V biến đổi thành điện áp 0-10 VDC đưa trực tiếp về chân ngõ vào Analog của biến tần. Bộ PID tích hợp của biến tần tự tính toán sai lệch và điều khiển tốc độ động cơ bơm. Giá trị đặt Setpoint được điều chỉnh bằng biến trở, trong khi PLC và HMI đóng vai trò thu thập dữ liệu và giám sát trạng thái.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới Thiệu Đề Tài

Trình bày tổng quan về tầm quan trọng của công nghệ tự động hóa trong điều khiển quá trình, đặt vấn đề về sự cần thiết của việc ổn định lưu lượng chất lỏng trong công nghiệp và đời sống. Xác định mục tiêu đề tài là thiết kế, thi công hoàn chỉnh mô hình đo, giám sát và điều khiển ổn định lưu lượng đường ống bằng PLC Siemens S7-1200 kết hợp biến tần và HMI. Nêu rõ phương pháp thử nghiệm ổn định bằng hệ thống 4 van khóa cơ khí và trình bày bố cục tổng thể của báo cáo tốt nghiệp.

Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

Hệ thống hóa toàn diện lý thuyết điều khiển hồi tiếp PID, phân tích chi tiết tác động động học của từng khâu P, I, D và các phương pháp chỉnh định Ziegler - Nichols 1 và 2. Trình bày nguyên lý và cấu hình khối hàm PID_Compact trong TIA Portal, nguyên lý bộ đếm xung tốc độ cao CTRL_HSC (vùng nhớ ID1000). Giới thiệu phần mềm EasyBuilder 8000, các bước khởi tạo project, cấu hình truyền thông Ethernet TCP/IP kết nối màn hình Weinview MT8070iH với PLC S7-1200. Cung cấp thông số cấu tạo của các phần cứng chính: PLC S7-1200 DC/DC/DC, biến tần Mitsubishi FR-E700, bơm ly tâm trục ngang 1HP, cảm biến lưu lượng Hall, mạch PWM to Analog, mạch tần số sang Analog và nguồn tổ ong.

Chương 3: Thiết Kế Hệ Thống Và Tính Chọn Thiết Bị

Xây dựng sơ đồ khối tổng thể cho cả hai cấu hình điều khiển (PID PLC và PID biến tần). Lập bảng địa chỉ vào/ra (I/O) chi tiết cho PLC S7-1200 và thiết kế sơ đồ đấu dây mạch động lực, mạch điều khiển, sơ đồ kết nối cảm biến Hall, mạch chuyển đổi PWM sang Analog (0-10 VDC) và mạch chuyển đổi tần số sang Analog (0-10 VDC). Trình bày phương pháp tính chọn công suất động cơ bơm 3 pha 1HP, biến tần Mitsubishi FR-E700 3 pha 200V, thiết bị đóng cắt MCB Chint và tính toán tiết diện dây dẫn điện cho mạch động lực cũng như mạch điều khiển.

Chương 4: Bộ Điều khiển PID Trên Biến Tần

Giới thiệu nguyên lý làm việc của bộ điều khiển PID tích hợp sẵn trên biến tần Mitsubishi FR-E700. Cung cấp sơ đồ đấu nối chân tín hiệu điều khiển và tín hiệu phản hồi analog trên biến tần. Hướng dẫn chi tiết việc cài đặt, giải thích ý nghĩa các nhóm thông số chức năng trên biến tần nhằm đảm bảo biến tần nhận tín hiệu phản hồi từ mạch chuyển đổi tần số sang điện áp và thực hiện giải thuật PID nội tại phù hợp với thông số định mức của bơm.

Chương 5: Chương Trình Điều Khiển

Xây dựng lưu đồ giải thuật cho toàn bộ hệ thống, bao gồm: lưu đồ chương trình chính, chương trình ngắt, chương trình xử lý tín hiệu cảm biến lưu lượng, chương trình kiểm tra nút nhấn, chương trình PID PLC, chương trình PID biến tần, chương trình xuất xung PWM và lưu đồ điều khiển ngõ ra. Hiện thực hóa các lưu đồ bằng các khối hàm cụ thể trên TIA Portal: khối khởi tạo HSC và PWM, khối ngắt chu kỳ OB30, khối chuẩn hóa dữ liệu cảm biến, khối gọi hàm PID_Compact, khối xuất xung PWM và khối đọc tần số biến tần truyền lên HMI.

Chương 6: Vận Hành Mô Hình Và Kết Quả Đạt Được

Mô tả ngoại quan mô hình thực tế (mặt trước, mặt sau và bên trong tủ điều khiển) cùng hệ thống giao diện HMI gồm màn hình điều khiển ngoài sảnh, màn hình điều khiển PID trên PLC và màn hình điều khiển PID trên biến tần. Trình bày quy trình vận hành hệ thống, công bố các kết quả định lượng đạt được, chỉ ra các mặt hạn chế còn tồn tại của mô hình và đề xuất định hướng phát triển tiếp theo cho đề tài.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã thiết kế, chế tạo và vận hành thành công mô hình thực nghiệm ổn định lưu lượng chất lỏng với các kết quả cụ thể được ghi nhận trong Bảng 2.

Tiêu chí đánh giá Kết quả thực nghiệm ghi nhận
Khả năng giám sát & điều khiển Giám sát và điều khiển tự động lưu lượng đường ống theo giá trị đặt Setpoint
Thử nghiệm đáp ứng tải (Nhiễu) Duy trì ổn định lưu lượng khi tác động khóa 1 van, 2 van hoặc 3 van trên đường ống
Tốc độ đáp ứng Thời gian lên nhanh
Độ vọt lố ($POT$) Còn khá cao, xấp xỉ $20%$ ($POT \approx 20%$)
Sai số xác lập ($e_{xl}$) Giảm còn trong khoảng $\pm 5%$
Tính ổn định hệ thống Chưa đạt mức tối ưu (do tín hiệu trả về từ cảm biến lưu lượng còn sai số)

Về mặt giải pháp và kỹ thuật, đồ án đã hiện thực hóa được hai phương án điều khiển linh hoạt (PID PLC qua khối ngắt OB30 và PID biến tần độc lập), đồng thời thiết kế hoàn chỉnh giao diện HMI giúp người vận hành quan sát trực quan đáp ứng của hệ thống qua đồ thị thời gian thực, phục vụ việc tinh chỉnh thông số $K_P, K_I, K_D$.

Đóng góp của đề tài là xây dựng hoàn chỉnh một mô hình thực nghiệm trực quan kết hợp giữa phần cứng công nghiệp (Siemens, Mitsubishi, Weinview) và lý thuyết điều khiển tự động, cung cấp quy trình cấu hình cụ thể cho khối PID_Compact và khối đếm xung HSC trên TIA Portal V16 trong các bài toán điều khiển lưu lượng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Theo đánh giá thực tế của nhóm tác giả trong văn bản, đồ án còn một số hạn chế kỹ thuật sau:

  • Tín hiệu xung phản hồi từ cảm biến lưu lượng Sensor Hall có sai số và biên độ dao động khá cao, dẫn đến tính ổn định tổng thể của hệ thống chưa thật sự tốt.
  • Độ vọt lố của hệ thống trong quá trình quá độ còn ở mức cao ($POT \approx 20%$), đòi hỏi phải tiếp tục tối ưu hóa khâu vi phân và tích phân.

Hướng phát triển tiếp theo được đề xuất bao gồm:

  • Áp dụng các thuật toán lọc nhiễu số chuyên sâu cho tín hiệu ngõ vào cảm biến hoặc thay thế bằng cảm biến lưu lượng công nghiệp có độ chính xác và độ ổn định cao hơn.
  • Tiếp tục nghiên cứu tinh chỉnh bộ thông số $K_P, K_I, K_D$ nhằm giảm độ vọt lố xuống mức thấp hơn và rút ngắn thời gian quá độ.
  • Mở rộng phạm vi điều khiển cho các hệ thống đường ống phân nhánh phức tạp hoặc tích hợp truyền thông SCADA giám sát từ xa qua mạng công nghiệp.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các ngành Tự động hóa, Điện tử công nghiệp, Kỹ thuật điều khiển và Cơ điện tử đang thực hiện các đề tài liên quan đến điều khiển quá trình chất lỏng.

Các nội dung có giá trị tham khảo thực hành cao gồm:

  • Hướng dẫn chi tiết quy trình cấu hình khối ngắt chu kỳ OB30 và khối hàm PID_Compact với tính năng tự dò thông số (Fine tuning) trên phần mềm TIA Portal V16.
  • Kỹ thuật lập trình tập lệnh CTRL_HSC để đo tần số xung từ cảm biến Hall về vùng nhớ PLC ID1000.
  • Sơ đồ mạch chuyển đổi tín hiệu chuyên dụng (PWM to Analog 0-10 VDC và tần số sang Analog 0-10 VDC) để phối ghép giữa PLC và biến tần Mitsubishi FR-E700.
  • Quy trình từng bước tạo project, cấu hình địa chỉ IP Ethernet và thiết kế giao diện vận hành, vẽ đồ thị trên phần mềm EasyBuilder 8000 cho màn hình HMI Weinview MT8070iH.

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án sử dụng những phương thức nào để điều khiển ổn định lưu lượng trong đường ống?
Đồ án triển khai 2 phương thức:

  • Phương thức 1: Sử dụng khối hàm PID_Compact trên PLC Siemens S7-1200 để tính toán điều khiển, biến tần Mitsubishi FR-E700 đóng vai trò cơ cấu chấp hành nhận tín hiệu qua mạch chuyển đổi PWM sang Analog 0-10 VDC, giá trị Setpoint được cài đặt từ HMI.
  • Phương thức 2: Sử dụng bộ điều khiển PID tích hợp sẵn bên trong biến tần Mitsubishi FR-E700 để trực tiếp thay đổi tốc độ bơm dựa trên tín hiệu từ mạch chuyển đổi tần số sang Analog 0-10 VDC, giá trị Setpoint được điều chỉnh bằng biến trở, PLC và HMI đóng vai trò thu thập và giám sát dữ liệu.

2. Tại sao khối hàm PID_Compact lại được lập trình trong khối ngắt chu kỳ OB30 thay vì khối hàm chính OB1?
Khối PID_Compact cần một khoảng thời gian lấy mẫu cố định và chính xác để thực thi giải thuật tích phân và vi phân. Việc đưa PID_Compact vào khối ngắt chu kỳ OB30 (được cấu hình chu kỳ quét 100ms) giúp thuật toán hoạt động chuẩn xác theo chu kỳ thời gian thực, đồng thời tránh làm tăng thời gian quét vòng quét của khối hàm chính OB1, ngăn ngừa hiện tượng đáp ứng của PLC bị trễ.

3. Khối đếm xung tốc độ cao HSC trên PLC S7-1200 được cấu hình như thế nào để xử lý tín hiệu cảm biến lưu lượng?
PLC được cấu hình kích hoạt kênh đếm HSC1 ở chế độ đo tần số xung phát ra từ cảm biến Hall. Giá trị tần số đo được lưu trữ tại ô nhớ ID1000. Tập lệnh CTRL_HSC được sử dụng để quản lý, cho phép cài đặt các thông số hoạt động và lựa chọn các chu kỳ lấy mẫu tần số gồm 1s, 0.1s hoặc 0.01s.

4. Khi thay đổi tải bằng cách khóa các van trên đường ống, hệ thống phản ứng như thế nào?
Hệ thống sử dụng cụm 4 van khóa cơ khí để mô phỏng sự biến động của phụ tải. Khi người vận hành khóa 1 van, 2 van hoặc 3 van, lưu lượng dòng chảy bị suy giảm tức thời; thông qua vòng phản hồi kín, bộ điều khiển (PLC hoặc biến tần) sẽ tự động tăng công suất/tần số điều khiển bơm nhằm bù đắp lưu lượng và duy trì giá trị đo thực tế bám sát giá trị Setpoint đã cài đặt.

5. Các chỉ số chất lượng điều khiển thực nghiệm của mô hình đạt được là bao nhiêu?
Kết quả đo đạc thực nghiệm ghi nhận hệ thống có thời gian lên nhanh, sai số xác lập ($e_{xl}$) duy trì trong phạm vi $\pm 5%$, độ vọt lố ($POT$) còn khá cao ở mức xấp xỉ $20%$, và tính ổn định bị ảnh hưởng một phần do độ nhiễu xung của cảm biến Hall.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết Kế Thi Công Hệ Thống Ổn Định Lưu Lượng" đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu thiết kế phần cứng, lập trình giải thuật điều khiển và thi công mô hình thực nghiệm tích hợp giữa PLC Siemens S7-1200, biến tần Mitsubishi FR-E700, động cơ bơm 1HP và HMI Weinview MT8070iH. Nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi của hai giải pháp điều khiển PID trên PLC và PID trên biến tần, duy trì được lưu lượng ổn định với sai số xác lập $\pm 5%$ khi hệ thống chịu nhiễu đóng ngắt tải van đường ống. Mặc dù độ vọt lố thực nghiệm còn ở mức $20%$ do hạn chế về độ ổn định của cảm biến Hall, tài liệu đồ án vẫn mang lại giá trị kỹ thuật thực tiễn cao cho việc ứng dụng điều khiển quá trình tự động hóa công nghiệp.