Nâng cấp hệ thống giám sát và điều khiển cho nhà máy nước sạch Bắc Ninh

- 10 1.3.Hệ thống giám sát và điều khiển.
- Phân tích yêu cầu giám sát và điều khiển của hệ thống.
- Phân tích yêu cầu điều khiển của hệ thống.
- Xây dựng lưu đồ thuật toán đo và điều khiển.
- Bài toán điều khiển.
- Giới thiệu về thuật toán điều khiển PID.
- Xây dựng các thuật toán điều khiển.
- Bộ điều khiển.
- Cấu trúc cơ bản của bộ điều khiển PLC.
- Tủ điện điều khiển.
- Nguyên lý điều khiển.
- Sơ đồ điều khiển PID.
- Thuật toán điều khiển tích phân bằng phương pháp hình chữ nhật.
- Lưu đồ thuật toán điều khiển vi phân.
- Lưu đồ thuật toán điều khiển PID.
- Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển.
- Mặt Panel tủ điều khiển.
- Đề tài cải thiện hệ thống giám sát và điều khiển cho nhà máy xử lý nước sạch Bắc Ninh là một đề tài mang tính ứng dụng thực tế, áp dụng những kiến thức đã được học.
- Đề tài sẽ là tiền đề để cho các nhà máy nước hiện đang giám sát và điều khiển thủ công có thể cải tiến hệ thống giám sát và điều khiển của Công ty mình.
- Sử dụng phương pháp phân tích thiết kế hướng đối tượng để xây dựng bài toán giám sát và điều khiển.
- ĐỐI TƢỢNG CỦA ĐỀ TÀI Đối tượng của đề tài hướng đến là hệ thống điều khiển và giám sát của nhà máy nước Bắc Ninh.
- MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI Trước hết mục tiêu của đề tài là xây dựng được mô hình trạm bơm thu nhỏ của nhà máy nước Bắc Ninh trong đó tích hợp tự động hóa hệ thống điều khiển và giám sát các thông số như: Áp suất bơm, áp suất đường ống, thể tích bể, lưu lượng.
- Mục tiêu thứ 2 là xây dựng một giải pháp tự động hóa điều khiển và giám sát các thông số cho nhà máy nước.
- Chương I: Giới thiệu tổng quan về nhà máy xử lý nước Bắc Ninh 10 Chƣơng 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY XỬ LÝ NƢỚC BẮC NINH Ở phần này Em sẽ mô tả nhà máy nước sạch Bắc Ninh, các yêu cầu giám sát và điều khiển 1.1.
- Tủ điện điều khiển Hình 1.6.
- Đồng hồ áp suất Vì các lý do nêu trên nên nhà máy nước Bắc Ninh cần cải tiến hệ thống điều khiển và giám sát mang tính tự động hóa hơn, giúp quá trình sản xuất và phân phối nước sạch hiệu quả và tiết kiệm chi phí.
- Chương 2: Xây dựng giải pháp điều khiển và giám sát cho nhà máy nước Bắc Ninh 16 Chƣơng 2: XÂY DỰNG GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT CHO NHÀ MÁY NƢỚC BẮC NINH Ở chương này em sẽ trình bày các yêu cầu điều khiển và giám sát tại nhà máy nước sạch Bắc Ninh, sau đó sẽ đưa ra giải pháp điều khiển và giám sát cho nhà máy.
- Để khắc Chương 2: Xây dựng giải pháp điều khiển và giám sát cho nhà máy nước Bắc Ninh 17 phục điều này người ta kết hợp giữa việc thêm và bớt bơm chạy với việc điều chỉnh góc mở của van ở đầu ra của máy bơm.Việc này làm cho áp suất đường ống đạt gần bằng áp suất đặt.
- Do vậy yêu cầu điều khiển ở đây là điều khiển áp suất đầu ra của máy bơm ổn định theo áp suất đặt không phụ thuộc vào lưu lượng người dùng.
- Các cảm biến này sẽ biến đổi các thông số như áp suất, mức nước, lưu lượng đầu vào thành các tín hiệu điện áp 0-10V hoặc từ 4-20mA tương ứng, các tín hiệu này sẽ được đưa vào bộ điều khiển để lập trình và hiển thị lên màn hình cảm ứng Chương 2: Xây dựng giải pháp điều khiển và giám sát cho nhà máy nước Bắc Ninh 18 2.2.
- Sau khi lựa chọn xong giải pháp chúng ta sẽ tính chọn thiết bị và chọn giải pháp điều khiển 2.2.1.
- Lựa chọn giải pháp điều khiển, giám sát và truyền thông Yêu cầu điều khiển ở đây là ổn định áp suất đầu ra của máy bơm do đó chúng ta cần có cảm biến áp suất đặt ở đầu ra của máy bơm, bộ điều khiển, Biến tần và màn hình giao tiếp giữa người và máy (HMI) để đặt giá trị áp suất mong muốn.
- Các tín hiệu này sẽ được đưa vào bộ điều khiển để lập trình đo.
- Chương 2: Xây dựng giải pháp điều khiển và giám sát cho nhà máy nước Bắc Ninh 19 Bé ®iÒukhiÓnThuthËpd÷ liÖuThuthËpd÷ liÖuSensor§é®ôcSensorCloduSensorl-ul-îngSensor¸psuÊtBé ph¸t tÝnhiÖukh«ng d©yThiÕt bÞ ®ot¹i m¹ng l-íiYC1YC2Sensor¸psuÊtSensorl-ul-îngSensorCloduSensor§é®ôcBiÕntÇnTruyÒn d÷ liÖu kh«ngd©y Hình 2.1.
- Chương 2: Xây dựng giải pháp điều khiển và giám sát cho nhà máy nước Bắc Ninh 20 Đối với việc giám sát tại nhà máy, các thiết bị cũng giống như việc giám sát các thông số trên mạng lưới tuy chỉ có khác là, do khoảng cách giữa bộ điều khiển và bộ thu thập dữ liệu khoảng 50 m, do vậy chúng ta có thể đưa tín hiệu từ bộ thu thập về bộ điều khiển bằng truyền thông có dây.
- Cảm biến độ đục o Hãng sản xuất: Hàn Quốc o Dải đo: 0÷ 100NTU Chương 2: Xây dựng giải pháp điều khiển và giám sát cho nhà máy nước Bắc Ninh 21 o Tín hiệu đầu ra: 4-20mA o Độ phân giải: min.
- Chương 2: Xây dựng giải pháp điều khiển và giám sát cho nhà máy nước Bắc Ninh 22 Hình 2.4.
- Cảm biến áp suất o Xuất xứ: Hàn Quốc o Dải đo: 0÷10 bar Chương 2: Xây dựng giải pháp điều khiển và giám sát cho nhà máy nước Bắc Ninh 23 o Tín hiệu đầu ra: 4-20mA o Nguồn cấp 9÷30 VDC b).
- Bơm (số (4): Bơm được các kỹ sư chuyên ngành nước tính toán sao cho lưu lượng là 270m3/h và áp suất đầu ra của bơm trong khoảng từ 0÷10 bar, loại bơm là bơm ly Chương 2: Xây dựng giải pháp điều khiển và giám sát cho nhà máy nước Bắc Ninh 24 tâm trục ngang, loại bơm này đi kèm với động cơ là loại động không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc.
- Do đó sau khi tìm hiểu em chọn bộ điều khiển là PLC S7-200 CPU 224.
- Do vậy chúng ta cần ít nhất màn hình có kích Chương 2: Xây dựng giải pháp điều khiển và giám sát cho nhà máy nước Bắc Ninh 27 thước 17 inch, máy tính có cầu hình tương đối tốt, được cài đặt phần mềm WinCC và Step MicroWin v4, thông số được miêu tả như sau: Hình 2.10.
- Trong luận văn này, em lựa chọn bộ thu thập dữ liệu Analog EXPERT với các thông số chính sau: Chương 2: Xây dựng giải pháp điều khiển và giám sát cho nhà máy nước Bắc Ninh 28 Hình 2.11.
- Do đó bộ truyền dữ liệu ở đây em sử dụng là bộ Robustel với các thông tin thiết bị: Chương 2: Xây dựng giải pháp điều khiển và giám sát cho nhà máy nước Bắc Ninh 29 Hình 2.12.
- XÂY DỰNG LƢU ĐỒ THUẬT TOÁN ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN Sau khi chọn xong thiết bị chúng ta bắt đầu xây dựng bài toán đo và điều khiển.
- Trước khi xây dựng lưu đồ thuật toán và lập trình chúng ta sẽ tìm hiểu về phương thức lập trình cho đo và điều khiển.
- Hệ thống giám sát và điều khiển trong sản xuất và phân phối nước sạch chủ yếu có hai chức năng.
- Hai là điều khiển công suất của máy bơm theo nhu cầu dùng nước của hộ dân.
- Chương 2: Xây dựng giải pháp điều khiển và giám sát cho nhà máy nước Bắc Ninh 31 Hình 2.13.
- RD Các đầu nối của đầu vào D 1 đầu ra tương tự (MO,VO,IO) Các đầu nối của đầu ra Gain Chỉnh hệ số khuếch đại Chương 2: Xây dựng giải pháp điều khiển và giám sát cho nhà máy nước Bắc Ninh 32 Offset Chỉnh trôi điểm không Switch cấu hình Cho phép chọn dải đầu vào và độ phân giải Nguyên tắc đầu vào của Module EM235 được mô tả theo sơ đồ sau: Hình 2.14.
- Đầu vào của EM235 Cách nối dây EM235: Chương 2: Xây dựng giải pháp điều khiển và giám sát cho nhà máy nước Bắc Ninh 33 Hình 2.15.
- (Din-Dmin) Do đó: Chương 2: Xây dựng giải pháp điều khiển và giám sát cho nhà máy nước Bắc Ninh 36 Ain = (Din-Dmin.
- Bài toán điều khiển Bài toán khiển ở đây là điều khiển máy bơm theo áp suất đặt không phụ thuộc vào lưu lượng người dùng.
- Thuật toán điều khiển ở đây chúng ta dùng để lập trình cho PLC là thuật toán PID.
- Chương 2: Xây dựng giải pháp điều khiển và giám sát cho nhà máy nước Bắc Ninh 37 MP2P1EpUtP2 Hình 2.18.
- Sơ đồ điều khiển PID trong đó.
- Giới thiệu về thuật toán điều khiển PID PID là cách viết tắt của các từ Propotional (tỉ lệ), Integral (tích phân), Derivative (đạo hàm) và là giải thuật điều khiển được dùng nhiều nhất trong các ứng dụng điều khiển tự động với yêu cầu chính xác (accurate), nhanh (fast response), ổn định (small overshot).
- Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào.
- p0 : là đầu ra của bộ điều khiển không có sai số .
- Hệ số khuếch đại được biểu diễn bằng tỉ số giữa đầu ra của bộ điều khiển và sai số.
- Vậy ta có lưu đồ thuật toán: Chương 2: Xây dựng giải pháp điều khiển và giám sát cho nhà máy nước Bắc Ninh 39 Hình 2.20.
- Ta cần xây dựng công thức điều khiển và tính đầu ra khi không có lỗi và khi có lỗi với đầu vào đo được là 124.
- Theo công thức (2-3), ta có: Ep Output P Input Dv ep =Dv-Dsp T =KP*ep p=P0+T Begin End Chương 2: Xây dựng giải pháp điều khiển và giám sát cho nhà máy nước Bắc Ninh 40 T .
- P Vậy giá trị điều khiển mà PLC xuất ra Pout= 14,85 c) Thuật toán điều khiển tích phân.
- Khâu tích phân tính toán đầu ra của bộ điều khiển tuỳ thuộc vào những sai số của biến điều khiển trước đó.
- Theo phương pháp trên, tích phân hình chữ nhật xác định bằng: Chương 2: Xây dựng giải pháp điều khiển và giám sát cho nhà máy nước Bắc Ninh 41 t0piPt]e[Sdt e Δ trong đó.
- Chương 2: Xây dựng giải pháp điều khiển và giám sát cho nhà máy nước Bắc Ninh 42 Ta thấy rằng, thời gian giữa các mẫu càng nhỏ thì tích phân tính được càng chính xác.
- Chương 2: Xây dựng giải pháp điều khiển và giám sát cho nhà máy nước Bắc Ninh 43 Lưu đồ thuật toán ở hình 2.22 minh hoạ cách lập trình cho khâu này.
- Do đó, ta có thể viết: End Input DV ep= Dv-Dsp SUM=SUM + ep PI=KI*DT*SUM TIME UP? Begin NO YES Output PI Chương 2: Xây dựng giải pháp điều khiển và giám sát cho nhà máy nước Bắc Ninh 44 PI = PI0 + KI*DT*ep (6) trong đó, PI0 = PI trong mẫu trước.
- Do đó, nó chỉ có thể được tính xấp xỉ như sau: Chương 2: Xây dựng giải pháp điều khiển và giám sát cho nhà máy nước Bắc Ninh 45 teedtdepipipi 1 Trong đó.
- Điểm cần lấy đạo hàm Chương 2: Xây dựng giải pháp điều khiển và giám sát cho nhà máy nước Bắc Ninh phút Như vậy, sự sai khác vào khoảng 17%.
- Ta có: ep = ep – e(p-1) (7) e(p-1)= ep (8) PD = KD* ep /DT (9) Thuật toán cho khâu điều khiển vi phân được trình bày trong hình 2.13 Chương 2: Xây dựng giải pháp điều khiển và giám sát cho nhà máy nước Bắc Ninh 47 Hình 2.24.
- Với sự điều khiển trên máy tính, chế độ điều khiển PID được xác định bởi sự End Input DV ep= Dv-Dsp ep = ep – e(p-1) e(p-1)= ep TIME UP? Begin NO YES Output PD PD = KD* ep /DT Chương 2: Xây dựng giải pháp điều khiển và giám sát cho nhà máy nước Bắc Ninh 48 kết hợp các công thức ở ba khâu vào sự tính toán phân số đầu ra.
- Những công thức này được lập trình thành phần mềm điều khiển để xác định đầu ra yêu cầu.
- Chương 2: Xây dựng giải pháp điều khiển và giám sát cho nhà máy nước Bắc Ninh 49 Hình 2.25.
- Vì vậy trong mô hình em chỉ tích hợp điều khiển PID áp suất nước của bể và giám sát áp suất bể, thể tích của bể nước, các thông số này sẽ được hiển thị lên một màn hình cảm ứng.
- Bộ điều khiển o Xuất xứ: Hãng Siemens o Nguồn sử dụng 90 ÷ 230 VAC Chương 3: Xây dựng mô hình điều khiển và giám sát 54 o Loại AC/DC/Relay o 14 DI và 10 D0 o Phần mềm lập trình: Step7 MicroWin v4 Hình 3.5.
- Modul EM 232 Chương 3: Xây dựng mô hình điều khiển và giám sát 55 Module EM232: o Xuất xứ: Siemens o Điện áp đầu vào: 24 VDC o 2 Kênh xuất tín hiệu Analog o Dạng tín hiệu xuất: 0 đến 10 VDC 3.2.5.
- Màn hình Delta o Điện áp nguồn: 24 VDC o Kích thước màn hình: 7 inch o Phần mềm lập trình: Dopsoft o Có thể kết nối với nhiều loại bộ điều khiển khác nhau Chương 3: Xây dựng mô hình điều khiển và giám sát 56 3.3.
- Chương 3: Xây dựng mô hình điều khiển và giám sát BÓ inox BÓ kÝnh Hình 3.8.
- Hình dáng khung mô hình Chương 3: Xây dựng mô hình điều khiển và giám sát 58 3.3.3.
- Sơ đồ nguồn cấp Chương 3: Xây dựng mô hình điều khiển và giám sát 59 s¬ ®å nguyªn lýN L LM1.51.41.32M ML1L L1.0 PLCS7-200I1I0Q0Q1DCACMpb1rp1rl1+24V0vL+epb2pb3pb4pb5pb6pb7pb0rp2rp321rl2 rl3 rl418765432E3E2 E1220 v50-60 hz Hình 3.11.
- Sơ đồ kết nối PLC và các thiết bị Chương 3: Xây dựng mô hình điều khiển và giám sát 60 mÆt panelv~40022025hµn cè ®ÞnhBulong 4(mµi ph¼ng mÆttr-íc)15mÆt panel tñ ®iÒu khiÓnoffaumanmodepump1 pump2 alarmoffreset Hình 3.13.
- Mặt Panel tủ điều khiển 3.4.
- LÂP TRÌNH PHẦN MỀM CỦA HỆ THỐNG Ở phần này em sẽ trình bày các chương trình lập trình giám sát và điều khiển mà em đã thực hiện trong thời gian qua.
- sau đó, trạng thái ngõ ra trong bộ nhớ đệm Chương 3: Xây dựng mô hình điều khiển và giám sát 61 được dùng để đóng mở các tiếp điểm kích hoạt các thiết bị công tác.
- Bus điều khiển (Control Bus): Dùng để truyền các tín hiệu: điều khiển, đồng bộ các hoạt động bên trong PLC.
- CPU điều khiển các hoạt động này thông qua bus điều khiển.
- Bộ xử lý sẽ tự động tăng giá trị trong bộ đếm này trước khi thực hiện lệnh Chương 3: Xây dựng mô hình điều khiển và giám sát 63 tiếp theo.
- Chương 3: Xây dựng mô hình điều khiển và giám sát 64 Khối vào/ra có vai trò mạch giao tiếp giữa vi mạch điện tử của PLC với các mạch công suất bên ngoài kích hoạt các cơ cấu tác động.
- Hoạt động của PLC Chương 3: Xây dựng mô hình điều khiển và giám sát 65 Thời gian cần thiết để PLC thực hiện được một vòng quét gọi là thời gian vòng quét (scan time).
- Nói cách khác, thời gian vòng quét quyết định tính thời gian thực của chương trình điều khiển trong PLC.
- Chương 4: Kết quả đạt được 66 Chƣơng 4: Kết quả đạt đƣợc Sau khi thực hiện thiết kế và phân tích bài toán điều khiển và giám sát, em đã xây dựng được mô hình trạm bơm thu nhỏ trong đó tích hợp hệ thống giám sát và tự động ổn định áp suất đầu ra của máy bơm không phụ thuộc vào lưu lượng người dùng.
- Lập trình chƣơng trình con Ở phần này chúng ta sẽ lập trình cho chương trình đo, chương trình xuất tín hiệu Analog và chương trình điều khiển PID.
- Như vậy chúng ta sẽ kết nối đầu ra của module này với đầu vào điều khiển analog của Biến tần.
- Bộ điều khiển Chương 4: Kết quả đạt được 79 Hình 4.10.
- Tủ điện điều khiển Chương 4: Kết quả đạt được 80 Hình 4.12.
- Mô hình khi hoàn thành Kết luận 81 KẾT LUẬN Nội dung trình bày về luận văn “ Nâng cấp hệ thống giám sát và điều khiển cho nhà máy nước Bắc Ninh” đã đạt được những kết quả sau • Xây dựng được giải pháp khả thi để cải tiến hệ thống điều khiển và giám sát cho nhà máy nước sạch Bắc Ninh.
- Tạo nên một bản thiết kế chi tiết từ vấn đề chọn thiết bị đến các chương trình lập trình cho các bài toán điều khiển và giám sát tại nhà máy.
- Xây dựng thành công mô hình Trạm bơm được điều khiển bởi hệ thống tự động hóa, kết quả vận hành đạt mục tiêu đề ra, trong đó giám sát liên tục áp suất và mức nước tại bể.
- Kết quả điều khiển trên mô hình giữa áp suất đặt và áp suất đo được sai lệch dưới 2%

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt