Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các hệ thống sản xuất công nghiệp và đời sống dân sinh hiện đại, công nghệ giám sát và điều khiển tự động mức chất lỏng giữ vai trò thiết yếu nhằm thay thế các phương thức vận hành thủ công. Việc tự động hóa quy trình quản lý mức chất lỏng cho phép kiểm soát lưu lượng bơm, xả và dự trữ môi chất một cách ổn định, liên tục và chính xác mà không cần sự can thiệp trực tiếp của con người. Công nghệ này được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp trọng điểm như xử lý nước thải, lọc hóa dầu, hệ thống làm mát bình ngưng trong các nhà máy nhiệt điện (nơi cần thải bỏ từ 40% đến 45% nhiệt lượng mà nước nhận được từ lò hơi), nhà máy điện hạt nhân, hồ chứa và điều tiết tuabin tại nhà máy thủy điện, các trạm cấp nước đô thị cũng như dây chuyền sản xuất nước tinh khiết.

Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn về việc tìm kiếm một giải pháp điều khiển mức chất lỏng tối ưu về chi phí đầu tư, độ tin cậy vận hành, tính linh hoạt và khả năng ứng dụng thực tế, đề tài "Thiết kế và xây dựng bộ PID để điều khiển mức nước trong bể chứa công nghiệp ứng dụng PLC kết nối biến tần" được thực hiện bởi sinh viên Vũ Trọng Nghĩa (ngành Điện Tự Động Công Nghiệp, Trường Đại học Dân lập Hải Phòng, năm 2017) dưới sự hướng dẫn của Th.S Nguyễn Đức Minh.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài bao gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan lý thuyết điều khiển tự động, nguyên lý thuật toán điều khiển PID (Proportional - Integral - Derivative) và ứng dụng điều khiển vòng kín trong công nghiệp.
  2. Tìm hiểu cấu trúc phần cứng, tập lệnh lập trình và phương pháp xử lý tín hiệu tương tự (Analog) trên dòng bộ điều khiển lập trình Simatic S7-200 (CPU 224 kết hợp module mở rộng EM235) của hãng Siemens.
  3. Khảo sát nguyên lý hoạt động, thông số kỹ thuật và phương thức kết nối, cài đặt của các thiết bị ngoại vi trong mô hình bao gồm: biến tần INVT Goodrive 10 (GD10), cảm biến mức siêu âm SRF-06 và động cơ bơm không đồng bộ ba pha.
  4. Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển tổng quát và chi tiết; lập trình chương trình điều khiển theo phương pháp sơ đồ thang (Ladder Logic) với các chế độ vận hành bằng tay (Manual), tự động (Auto), khối xử lý chuẩn hóa tín hiệu (Scale) và khối ngắt thuật toán PID.
  5. Thiết kế và triển khai giao diện giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu (SCADA/HMI) trên máy tính thông qua phần mềm WinCC kết nối qua chuẩn OPC, hiển thị thông số vận hành và đồ thị xu hướng (Trend).

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống điều khiển mức nước kín quy mô mô hình phòng thí nghiệm, bao gồm một bể điều khiển bằng kính có kích thước $20 \times 20 \times 25\text{ cm}$ (chiều cao đo mức tối đa 25 cm) và một bể cấp nước kích thước $25 \times 25 \times 40\text{ cm}$, đường ống dẫn nước đường kính phi 27 cùng hai van xả mô phỏng phụ tải tiêu thụ biến thiên. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc ứng dụng PLC S7-200 kết nối biến tần điều khiển tốc độ động cơ bơm nhằm duy trì mức nước trong bể luôn bám sát giá trị đặt (Set Point - SP).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình điều khiển

Đề tài dựa trên nền tảng lý thuyết điều khiển tự động kinh điển với trọng tâm là thuật toán điều khiển PID trong hệ thống hồi tiếp vòng kín. Thuật toán PID tính toán sai lệch $e(t)$ giữa giá trị đặt $SP$ và giá trị đo thực tế $PV$ ($e(t) = SP - PV$) để đưa ra tín hiệu điều khiển $u(t)$ tác động lên đối tượng:

  • Khâu tỉ lệ (P - Proportional): Tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ thuận với độ lớn sai lệch theo hàm $P_{out} = K_p \cdot e(t)$ với hàm truyền $G_p(s) = K_p$. Khâu P phản ứng nhanh với sai lệch nhưng luôn tồn tại sai số tĩnh nếu hoạt động độc lập.
  • Khâu tích phân (I - Integral): Tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với tích phân của sai lệch theo thời gian: $$I_{out} = K_i \int_{0}^{t} e(\tau) d\tau = \frac{1}{T_i} \int_{0}^{t} e(\tau) d\tau$$ với hàm truyền $G_i(s) = \frac{K_i}{s} = \frac{1}{T_i s}$. Khâu I có chức năng triệt tiêu triệt để sai số xác lập, đưa hệ thống về trạng thái cân bằng.
  • Khâu vi phân (D - Derivative): Tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với tốc độ biến thiên của sai lệch $D_{out} = K_d \frac{de(t)}{dt} = T_d \frac{de(t)}{dt}$, giúp cải thiện độ ổn định và giảm độ quá điều chỉnh của hệ thống.

Bên cạnh lý thuyết PID, đề tài ứng dụng lý thuyết điều khiển lập trình logic trên nền tảng vi xử lý PLC với nguyên lý quét vòng lặp (Scan Cycle) liên tục qua 4 giai đoạn: đọc dữ liệu từ ngõ vào vào bộ đệm ảo ($I$), thực thi chương trình điều khiển, thực hiện truyền thông nội bộ - kiểm tra lỗi phần cứng/phần mềm, và cập nhật kết quả ra bộ đệm xuất ngõ ra ($Q$).

Nguyên lý đo mức không tiếp xúc của cảm biến siêu âm được xây dựng trên nguyên tắc thời gian bay (Time Of Flight - TOF). Sóng siêu âm lan truyền trong môi trường không khí với vận tốc xấp xỉ $v = 343\text{ m/s}$. Khoảng cách $d$ từ đầu phát cảm biến đến bề mặt chất lỏng được xác định qua biểu thức: $$d = \frac{v \cdot t}{2}$$ trong đó $t$ là tổng thời gian từ lúc phát chùm sóng siêu âm đến khi nhận lại sóng phản xạ từ mặt nước.

Phương pháp nghiên cứu

Đề tài sử dụng kết hợp các phương pháp nghiên cứu kỹ thuật thực nghiệm:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu kỹ thuật: Nghiên cứu tài liệu cấu hình phần cứng từ nhà sản xuất Siemens (họ vi điều khiển Simatic S7-200, CPU 224, module EM235) và tài liệu kỹ thuật biến tần INVT GD10.
  • Phương pháp thiết kế và tích hợp hệ thống phần cứng: Tính toán, lựa chọn và đấu nối phần cứng điều khiển, mạch nguồn công nghiệp, mạch động lực và mạch tín hiệu tương tự giữa cảm biến đo mức, PLC, module mở rộng và biến tần điều khiển động cơ bơm.
  • Phương pháp lập trình và mô phỏng thực nghiệm: Xây dựng giải thuật điều khiển trên phần mềm STEP 7-Micro/WIN32, cấu hình ngắt thời gian cho bộ PID, chuyển đổi chuẩn hóa tín hiệu từ giá trị số sang đại lượng vật lý thực tế và thiết kế giao diện HMI/SCADA trên phần mềm Siemens WinCC thông qua máy chủ OPC.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Ứng dụng của đề tài trong thực tiễn và quy trình công nghệ của mô hình

Chương 1 phân tích bối cảnh và vai trò của tự động hóa trong giám sát, kiểm soát mức chất lỏng ở các lĩnh vực công nghiệp thực tế:

  • Lĩnh vực nhiệt điện và điện hạt nhân: Ứng dụng trong việc tuần hoàn và làm mát bình ngưng tuabin, giúp giải phóng lượng nhiệt chiếm 40% - 45% chu trình nhiệt của lò hơi.
  • Lĩnh vực thủy điện: Tự động hóa quá trình đo, điều tiết lưu lượng nước từ hồ chứa vào tuabin nhằm tối ưu hóa công suất phát điện và bảo đảm an toàn xả lũ hạ du.
  • Lĩnh vực xử lý nước thải và sản xuất nước: Đảm bảo kiểm soát mức nước liên tục giữa các bể lắng, lọc hóa chất theo dây chuyền khép kín, giữ áp suất đường ống cấp nước đô thị ổn định và điều khiển quy trình lọc nước tinh khiết (bồn lọc cation, lọc cơ học, lọc than hoạt tính, khử trùng UV).

Về quy trình công nghệ của mô hình thực nghiệm, nước từ bể cấp ($25 \times 25 \times 40\text{ cm}$) được bơm đẩy vào bể điều khiển ($20 \times 20 \times 25\text{ cm}$). Cảm biến siêu âm liên tục đo chiều cao cột nước ($0 - 25\text{ cm}$) và truyền tín hiệu dòng điện $4 - 20\text{ mA}$ về bộ điều khiển. Lưu lượng tiêu thụ đầu ra được mô phỏng bằng 2 van xả có góc mở biến thiên tự do. Hệ thống điều khiển có nhiệm vụ tự động điều chỉnh tần số biến tần từ $0\text{ Hz}$ đến $50\text{ Hz}$ cấp nguồn cho động cơ bơm để duy trì mức nước trong bể luôn ổn định tại giá trị đặt $SP$, không phụ thuộc vào độ mở của van xả.

Chương 2: Tìm hiểu các thiết bị trên mô hình

Chương 2 trình bày chi tiết về cấu tạo, nguyên lý làm việc và thông số kỹ thuật của các thiết bị phần cứng được tích hợp vào mô hình thực nghiệm.

Thiết bị Chủng loại / Mã hiệu Thông số kỹ thuật chính Chức năng trong hệ thống
Biến tần INVT Goodrive 10 (GD10) Công suất $0.2 - 2.2\text{ kW}$; nguồn cấp AC 1 pha $220\text{V} \pm 15%$ hoặc 3 pha $380\text{V}$; tần số vào $50/60\text{ Hz}$; chế độ điều khiển V/F; 5 ngõ vào số DI; 1 ngõ vào analog AI ($0-10\text{V}/0-20\text{mA}$); 1 ngõ ra analog AO; 1 ngõ ra relay RO1A/RO1C; 1 ngõ ra collector hở (Y); quá tải $150%$ trong 60s, $180%$ trong 10s. Nhận tín hiệu điều khiển Analog $0-10\text{V}$ từ PLC để điều chỉnh vô cấp tần số nguồn cấp cho động cơ bơm ($0-50\text{Hz}$).
Cảm biến mức Cảm biến siêu âm SRF-06 Điện áp hoạt động $9 - 24\text{ VDC}$; tín hiệu ngõ ra dòng $4 - 20\text{ mA}$; khoảng cách đo từ $2\text{ cm}$ đến $510\text{ cm}$; thời gian dao động $70 - 100\text{ ms}$; nguyên lý đo Time Of Flight. Đo mức nước thực tế trong bể điều khiển không tiếp xúc và chuyển đổi thành tín hiệu dòng điện tiêu chuẩn gửi về module Analog.
Động cơ bơm Động cơ không đồng bộ 3 pha Công suất $0.75\text{ kW}$; tần số định mức $50\text{ Hz}$; tốc độ quay $2850\text{ RPM}$; điện áp $220\text{V}$ (đấu tam giác $\Delta$) / $380\text{V}$ (đấu sao Y); dòng điện định mức $3.6\text{ A}$. Hút nước từ bể cấp đẩy vào bể điều khiển theo công suất điều tiết từ biến tần.
Nguồn DC Bộ nguồn công nghiệp Đầu vào $220\text{ VAC}$, ngõ ra ổn áp $24\text{ VDC}$. Cấp nguồn nuôi một chiều cho cảm biến siêu âm SRF-06 và các mạch giao tiếp logic.
Bể chứa & Ống dẫn Bể kính & Phụ kiện thủy lực Bể điều khiển $20 \times 20 \times 25\text{ cm}$; bể cấp nước $25 \times 25 \times 40\text{ cm}$; ống dẫn nhựa $\phi 27$; 2 van xả tay. Chứa môi chất thực nghiệm và tạo phụ tải tiêu thụ nước biến thiên.

Thông số cài đặt trên biến tần GD10 cho đề tài:

  • P00.01 = 0: Chọn lệnh chạy/dừng từ bàn phím biến tần.
  • P00.03 = 50.00 Hz: Tần số cực đại.
  • P00.04 = 50.00 Hz: Tần số giới hạn trên.
  • P00.05 = 0.00 Hz: Tần số giới hạn dưới.
  • P00.06 = 02: Đặt nguồn đặt tần số bằng ngõ vào Analog AI ($0 - 10\text{V}$).
  • P02.01 = 0.75 kW (hoặc cấu hình động cơ thực tế $0.8\text{ kW}$): Công suất định mức động cơ.
  • P02.02 = 50.00 Hz: Tần số định mức động cơ.
  • P02.03 = 2850 RPM: Tốc độ quay định mức.
  • P02.04 = 220 V: Điện áp định mức động cơ.
  • P02.05 = 3.6 A: Cường độ dòng điện định mức.

Chương 3: Tìm hiểu về thiết bị điều khiển

Chương 3 tập trung phân tích sâu kiến trúc phần cứng và lý thuyết lập trình của bộ điều khiển khả trình PLC Simatic S7-200 CPU 224, module Analog EM235 và thuật toán PID tích hợp trong PLC.

  • Thông số phần cứng CPU 224 của Siemens:
    • Bộ nhớ chương trình (EEPROM): $4096\text{ words}$ ($4\text{ KB}$), bộ nhớ dữ liệu người dùng: $2560\text{ words}$.
    • Tích hợp sẵn 14 ngõ vào số logic ($24\text{VDC}/7\text{mA}$, lọc ngõ vào $0.2\text{ms}$) và 10 ngõ ra số logic ($24-28\text{VDC}/2\text{A}$, chịu dòng quá tải tới $7\text{A}$).
    • Khả năng mở rộng tối đa 7 module, quản lý tổng cộng lên tới $64\text{ DI}/64\text{ DO}$ (vùng ảnh I/O logic hỗ trợ $128\text{I}/128\text{Q}$, vùng ảnh analog hỗ trợ $32\text{ AI}/32\text{ AQ}$).
    • Tích hợp 128 Timer (chia làm 3 độ phân giải: 4 timer $1\text{ms}$, 16 timer $10\text{ms}$, 108 timer $100\text{ms}$), 128 Counter (đếm tiến CTU, đếm lùi CTD, đếm tiến/lùi CTUD), 688 bit nhớ đặc biệt (SM).
    • Tốc độ thực thi lệnh Boolean đạt $0.37\text{ }\mu\text{s}$; tích hợp 6 bộ đếm tốc độ cao HSC ($20\text{kHz}$), 2 bộ phát xung nhanh PWM/PTO ($20\text{kHz}$).
    • Bộ nhớ duy trì dữ liệu không mất nguồn lên đến $190\text{ giờ}$ nhờ tụ điện Super Capacitor.
  • Module mở rộng Analog EM235:
    • Bao gồm 4 ngõ vào Analog (A/D converter, độ phân giải 12 bit, dải giá trị đơn cực $0 \to +32000$, lưỡng cực $-32000 \to +32000$, trở kháng ngõ vào $> 10\text{ M}\Omega$, sai số tối đa $2%$ toàn dải) và 1 ngõ ra Analog (D/A converter, dải xuất áp $-10\text{V} \to +10\text{V}$ với điện trở tải tối thiểu $5000\text{ }\Omega$ hoặc dải xuất dòng $0 \to 20\text{ mA}$ với điện trở tải tối thiểu $500\text{ }\Omega$).
    • Cấu hình dải đo và độ phân giải thông qua bảng 6 công tắc gạt (DIP Switch Configuration) và quy trình hiệu chỉnh phần cứng bằng hai biến trở tinh chỉnh Offset và Gain.
  • Bộ điều khiển PID trong PLC S7-200:
    • Thuật toán PID được lập trình sẵn trong tập lệnh nâng cao của S7-200, xử lý giá trị đặt $SP$ và giá trị hồi tiếp $PV$ đã được chuẩn hóa về dải số thực không thứ nguyên $[0.0, 1.0]$.
    • Khối tính toán PID xuất tín hiệu điều khiển đầu ra cũng nằm trong dải $[0.0, 1.0]$, sau đó được chương trình con chuyển đổi quy đổi thành tín hiệu số nguyên ($0 \to 32000$) để nạp vào thanh ghi AQW0 của module EM235.

Chương 4: Xây dựng thuật toán, lập trình và kết nối cho hệ thống điều khiển mức nước

Chương 4 hoàn thiện toàn bộ cấu trúc chương trình điều khiển và giao diện giám sát:

  • Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển tổng quát và chi tiết cho quá trình vận hành hệ thống.
  • Lập trình chương trình điều khiển bằng phương pháp sơ đồ thang (Ladder Logic - LAD) trên phần mềm STEP 7-Micro/WIN32, phân chia thành:
    • Chương trình chính (Main Program kết thúc bằng lệnh MEND).
    • Chương trình con chế độ điều khiển bằng tay (Manual Subroutine).
    • Chương trình con chế độ điều khiển tự động (Auto Subroutine).
    • Chương trình con quy đổi chuẩn hóa tín hiệu vào/ra (Scale Subroutine).
    • Chương trình xử lý ngắt định thời cho vòng lặp thuật toán PID (PID Interrupt Subroutine).
  • Thiết kế bản vẽ sơ đồ đấu nối dây phần cứng giữa PLC S7-200, module EM235, biến tần INVT GD10, cảm biến SRF-06 và nguồn cấp.
  • Thiết kế hệ thống giao diện SCADA trên phần mềm WinCC: cấu hình kênh truyền thông thông qua giao thức OPC (OLE for Process Control), thiết kế giao diện vận hành trực quan bao gồm các nút ấn khởi động/dừng, đèn báo trạng thái hoạt động, ô nhập/xuất tham số (I/O Fields cho $SP, PV$, hệ số PID) và cửa sổ đồ thị thời gian thực (Trend) theo dõi đáp ứng mức nước.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Kiến trúc phần cứng và kết nối tín hiệu

Hệ thống điều khiển mức nước công nghiệp được thiết kế theo cấu trúc điều khiển vòng kín gồm các mắt xích phần cứng liên kết chặt chẽ:

[ Bể Cấp Nước ] ---> (Bơm 3 pha 0.75kW) ---> [ Bể Điều Khiển (0-25cm) ]
                            ^                               |
                            |                               v
                 [ Biến Tần INVT GD10 ]            [ Cảm Biến SRF-06 ]
                  (Ngõ vào AI: 0-10V)             (Ngõ ra: 4-20mA TOF)
                            ^                               |
                            | (AO: AQW0)                    v (AI: AIW0)
                    [ Module Analog EM235 ] <---------------+
                            |
                   (Cáp mở rộng bus I/O)
                            |
                    [ PLC S7-200 CPU 224 ] <====== (OPC) ======> [ PC SCADA (WinCC) ]
  1. Mạch đo lường mức nước: Cảm biến siêu âm SRF-06 lắp đặt cố định phía trên đỉnh bể điều khiển, hướng đầu phát sóng vuông góc với mặt nước. Tín hiệu đo khoảng cách được chuyển đổi thành dòng điện analog $4 - 20\text{ mA}$ truyền về kênh ngõ vào analog AIW0 của module EM235.
  2. Mạch xử lý trung tâm: CPU 224 tiếp nhận giá trị số từ AIW0 ($0 - 32000$ đơn cực), chuyển đổi sang giá trị chiều cao thực tế ($0 - 25\text{ cm}$) và quy đổi về tỷ lệ $[0.0, 1.0]$. Khối ngắt PID thực hiện so sánh sai lệch với giá trị đặt $SP$ và tính toán ngõ ra điều khiển.
  3. Mạch điều khiển công suất: Giá trị ngõ ra điều khiển được scale thành tín hiệu số xuất ra thanh ghi AQW0, qua bộ D/A của module EM235 tạo ra điện áp analog $0 - 10\text{ VDC}$ đấu nối vào ngõ vào AI của biến tần GD10. Biến tần thực hiện biến đổi tần số nguồn điện $0 - 50\text{ Hz}$ cung cấp cho động cơ bơm $0.75\text{ kW}$ để thay đổi lưu lượng nước bơm vào bể.

Cấu trúc phần mềm điều khiển và giám sát

Chương trình điều khiển được thiết kế theo cấu trúc khối mô-đun hóa trên nền tảng phần mềm STEP 7-Micro/WIN:

  • Main: Quản lý logic chuyển đổi chế độ vận hành (Manual/Auto), gọi các chương trình con và khởi tạo các bảng tham số PID.
  • Manual Subroutine: Cho phép người vận hành cưỡng bức tần số biến tần và bật/tắt bơm trực tiếp từ bàn phím hoặc giao diện WinCC để phục vụ thử nghiệm và bảo dưỡng.
  • Auto Subroutine: Kích hoạt vòng lặp điều khiển tự động vòng kín theo thuật toán PID.
  • Scale Subroutine: Thực hiện các phép toán số học thực để chuyển đổi qua lại giữa giá trị nguyên từ thanh ghi analog (AIW, AQW) và đại lượng vật lý thực tế ($0 - 25\text{ cm}$, $0 - 50\text{ Hz}$).
  • PID Interrupt: Chương trình ngắt theo chu kỳ thời gian cố định ($T_s$) nhằm đảm bảo tính chính xác của các khâu vi tích phân trong thuật toán PID.
  • Giao diện WinCC: Kết nối với PLC thông qua máy chủ OPC, cung cấp các chức năng: hiển thị trạng thái bơm/biến tần, giám sát giá trị mức nước hiện tại, cho phép thay đổi giá trị đặt $SP$, tinh chỉnh trực tiếp các thông số bộ điều khiển ($K_p, T_i, T_d$) và vẽ đường cong biểu diễn đáp ứng thời gian thực (Trend).

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Thiết kế, lắp đặt hoàn chỉnh mô hình phần cứng điều khiển mức nước tích hợp đồng bộ giữa PLC Siemens S7-200 (CPU 224 + module EM235), biến tần INVT GD10, cảm biến siêu âm SRF-06 và động cơ bơm ba pha $0.75\text{ kW}$.
  • Xây dựng thành công thuật toán và chương trình điều khiển PID trên phần mềm STEP 7-Micro/WIN32, xử lý chuẩn hóa tín hiệu analog vào/ra $4-20\text{ mA}$ và $0-10\text{ V}$.
  • Hệ thống vận hành ổn định ở cả hai chế độ Manual và Auto; ở chế độ tự động, hệ thống có khả năng tự điều chỉnh tần số bơm trong dải $0 - 50\text{ Hz}$ để duy trì mực nước bám theo giá trị đặt $SP$ trong phạm vi chiều cao bể $0 - 25\text{ cm}$ khi lưu lượng xả thay đổi qua các van xả đáy.
  • Thiết lập thành công kênh truyền thông OPC kết nối PLC với phần mềm WinCC, xây dựng giao diện điều khiển, giám sát và vẽ đồ thị Trend trực quan phục vụ công tác theo dõi vận hành.

Đóng góp của đề tài

  • Hệ thống hóa cơ sở lý thuyết và quy trình thực hành tích hợp hệ thống điều khiển quá trình (Process Control) kết hợp giữa thiết bị PLC và biến tần công nghiệp.
  • Xây dựng tài liệu hướng dẫn kỹ thuật chi tiết về cấu hình module analog EM235, cài đặt thông số biến tần INVT GD10 và phương pháp lập trình hàm ngắt PID trên PLC S7-200.
  • Tạo dựng một mô hình thực nghiệm trực quan phục vụ công tác giảng dạy, thí nghiệm và thực hành chuyên ngành Điện Tự Động Công Nghiệp tại nhà trường.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế của đề tài: Do mục đích chế tạo phục vụ công tác giảng dạy và thực hành trong phòng thí nghiệm, kích thước mô hình (bể $20 \times 20 \times 25\text{ cm}$) và công suất của các thiết bị (động cơ $0.75\text{ kW}$) còn ở quy mô nhỏ, chưa phản ánh đầy đủ các yếu tố phi tuyến phức tạp, áp lực cột áp lớn và nhiễu dao động mặt nước như trong các bồn bể công nghiệp thực tế.
  • Hướng phát triển tiếp theo:
    • Mở rộng quy mô dung tích bể chứa và nâng cao công suất động cơ bơm để tiệm cận điều kiện vận hành tại các nhà máy xử lý nước và trạm bơm công nghiệp.
    • Chuyển đổi và nâng cấp nền tảng điều khiển sang các dòng PLC thế hệ mới hơn của Siemens như Simatic S7-1200 hoặc S7-300/S7-1500 tích hợp cổng truyền thông mạng Profinet/Modbus RTU để điều khiển biến tần qua mạng truyền thông thay vì sử dụng tín hiệu analog truyền thống.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo thực hành hữu ích cho:

  • Sinh viên các ngành Điện tự động công nghiệp, Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử: Cung cấp tài liệu tham khảo cụ thể về phương pháp thiết kế đồ án tốt nghiệp, lập trình PLC S7-200, xử lý tín hiệu analog và cấu hình thuật toán PID.
  • Kỹ thuật viên và kỹ sư tích hợp hệ thống: Tham khảo phương pháp đấu nối phần cứng, cài đặt thông số vận hành cho biến tần INVT GD10, cấu hình DIP switch cho module analog EM235 và cách thức kết nối WinCC giám sát thông qua OPC Server.

Câu hỏi thường gặp

1. Dòng CPU và module mở rộng nào của PLC Siemens được sử dụng trong đề tài?

Đề tài sử dụng khối vi xử lý trung tâm PLC Simatic S7-200 CPU 224 (họ CPU 22x) tích hợp sẵn 14 cổng vào số và 10 cổng ra số, kết hợp với 01 module mở rộng Analog EM235 cung cấp 4 ngõ vào analog (A/D) và 1 ngõ ra analog (D/A).

2. Cảm biến mức nước sử dụng trong mô hình là loại nào và có dải đo bao nhiêu?

Hệ thống sử dụng cảm biến siêu âm mã hiệu SRF-06 hoạt động theo nguyên tắc đo thời gian bay của sóng âm (TOF), sử dụng nguồn $9 - 24\text{ VDC}$, xuất tín hiệu ngõ ra dòng $4 - 20\text{ mA}$, có khoảng cách đo giới hạn từ $2\text{ cm}$ đến $510\text{ cm}$ với thời gian dao động $70 - 100\text{ ms}$.

3. Biến tần INVT GD10 được cấu hình nhận tín hiệu điều khiển tần số từ nguồn nào?

Biến tần INVT GD10 được cài đặt tham số P00.06 = 02 để nhận tín hiệu đặt tần số thông qua ngõ vào tương tự AI ($0 - 10\text{ VDC}$) lấy từ ngõ ra analog AQW0 của module EM235, điều khiển tần số ngõ ra cấp cho động cơ trong phạm vi từ $0\text{ Hz}$ đến $50\text{ Hz}$.

4. Kích thước hình học của các bể chứa trong mô hình thực nghiệm là bao nhiêu?

Mô hình sử dụng 2 bể kính: bể điều khiển mức nước có kích thước $20 \times 20 \times 25\text{ cm}$ (chiều cao cột nước tối đa $25\text{ cm}$) và bể cấp nước dự trữ có kích thước $25 \times 25 \times 40\text{ cm}$, liên kết qua hệ thống đường ống nhựa đường kính phi 27.

5. Giao diện giám sát SCADA được xây dựng bằng phần mềm nào và giao tiếp với PLC qua phương thức gì?

Giao diện giám sát và thu thập dữ liệu được thiết kế trên phần mềm Siemens WinCC, kết nối và trao đổi dữ liệu với PLC S7-200 thông qua chuẩn giao tiếp trung gian OPC (OLE for Process Control).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Vũ Trọng Nghĩa đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu thiết kế và xây dựng mô hình điều khiển mức nước tự động bằng thuật toán PID trên nền tảng PLC Simatic S7-200 kết hợp biến tần INVT GD10. Đề tài giải quyết tốt các bài toán kỹ thuật từ tính toán, ghép nối phần cứng, cấu hình module Analog, cài đặt biến tần đến lập trình thuật toán điều khiển và thiết kế giao diện SCADA WinCC. Kết quả nghiên cứu có giá trị thực tiễn và tính ứng dụng cao, đóng vai trò như một mô hình thí nghiệm trực quan phục vụ hiệu quả cho công tác đào tạo chuyên ngành Điện Tự Động Công Nghiệp.