BÀI TẬP LỚN- he thu thap

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘIKHOA ĐIỆN

Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt NamĐộc lập - Tự do - Hạnh phúc

BÀI TẬP LỚN

MÔN: HỆ THU THẬP DỮ LIỆU ĐIỀU KHIỂN VÀ TRUYỀN SỐ LIỆU

ĐỀ TÀI: CÔNG NGHỆ CUNG CẤP NƯỚC ĐIỀU KHIỂN THEO ÁP SUẤT

TRÊN ĐƯỜNG ỐNG

Giảng viên hướng dẫn : Sinh viên thực hiện :

Lớp :

HÀ NỘI-2013

BÀI T P L NẬ Ớ Trang 1

MỤC LỤC

N i dungộ

LỜI NÓI ĐẦU...................................................................................................4

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN..............................................................................5

1.1.Đặt vấn đề................................................................................................5

1.2. Lý do chọn đề tài.....................................................................................5

1.3. Mục tiêu của đề tài..................................................................................6

1.4. Giới hạn nghiên cứu của đề tài................................................................6

1.5. Ý nghĩa khoa học thực tiễ của đề tài.......................................................6

CHƯƠNG II: TRẠM BƠM CẤP NƯỚC........................................................7

2.1. Thực trạng và nhu cầu thực tế.................................................................7

2.2. Vấn đề điều khiển lưu lượng...................................................................7

2.3. Điều khiển áp suất trên đường ống bằng biến tần...................................8

CHƯƠNG III:THIẾT BỊ VÀ PHẦN MẾM SỬ DỤNG.................................10

3.1.Sơ đồ tổng quan......................................................................................10

3.2.Tổng quan về các thiết bị.......................................................................11

3.2.1.PLC S7-200......................................................................................11

3.2.2.Giới thiệu về module EM235...........................................................15

3.2.3.Biến tần MM440..............................................................................18

2.2.4.Cáp kết nối RS485...........................................................................20

3.2.5.Cảm biến áp suất..............................................................................22

2.2.6.Động cơ không đồng bộ 3 pha.........................................................23


CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ HỆ THỐNG........................................................27

4.1. Sơ đồ khối.............................................................................................27

4.2.Sơ đồ thuật toán......................................................................................27

4.3.Sơ đồ đấu dây.........................................................................................29

4.4. Lập trình trên S7-200...........................................................................29

4.5. Cài đặt thông số cho biến tần................................................................37

4.6. S7-200 PC Access.................................................................................38

4.7.Thiết kế mô hình giám sát trên Wincc 7.0.............................................39

CHƯƠNG V: KẾT LUẬN..............................................................................52

5.1.Kết luận nội dung đề tài.........................................................................52

5.2.Các hạn chế............................................................................................52

5.3.Biện pháp khắc phục..............................................................................52

Tài liệu tham khảo...........................................................................................53


LỜI NÓI ĐẦUNgày nay, con người cùng với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật

tiên tiến của thế giới, chúng ta đã và đang ngày một thay đổi, văn minh và

hiện đại hơn.

Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với

các đặc điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ…là

những yếu tố rất cần thiết góp phần cho hoạt động của con người đạt hiệu

quả ngày càng cao hơn.

Tự động hóa đang trở thành một ngành khoa học đa nhiệm vụ. Tự động

hóa đã đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng của các ngành, lĩnh vực

khác nhau cho đến nhu cầu thiết yếu của con người trong cuộc sống hàng

ngày. Một trong những sản phẩm tiên tiến của nó là biến tần.Ứng dụng rất

quan trọng của ngành công nghệ tự động hóa là việc điều khiển tốc độ

động cơ bằng việc thay đổi tần số với độ chính xác rất cao, với những thiết

bị điều khiển từ xa rất tinh vi và đạt được năng suất, kinh tế thật cao .

Xuất phát từ những ứng dụng đó, chúng em xin phép được thiết kế một

mạch ứng dụng của biến tần đó là “xây dựng công nghệ cung cấp nước

điều khiển theo áp suất trên đường ống” dùng PLC điều khiển biến tần

Đầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo

trong khoa điện đặc biệt là giảng viên TỐNG THỊ LÝ- giảng viên khoa

điện trường ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI người đã trực tiếp giảng

dạy và cho em kiến thức để hoàn thành đồ án môn học này. Em kính mong

cô giáo góp ý để em hoàn thành bài tập lớn này được tốt hơn sau này.

Em xin chân thành cảm ơn cô giáo!

Sinh viên thực hiện


CHƯƠNG I. TỔNG QUAN

1.1.Đặt vấn đề

Sự phát triển của PLC đã đem lại nhiều thuận lợi và làm cho các

thao tác máy trở nên nhanh, nhạy, dễ dàng và tin cậy hơn. Nó có khả năng

thay thế hoàn toàn cho các phương pháp điều khiển truyền thống dùng

relay; khả năng điều khiển thiết bị dễ dàng và linh hoạt dựa trên việc lập

trình trên các lệnh logic cơ bản; giải quyết các vấn đề toán học và công

nghệ;

Biến tần (Inverter, Variable Speed Drive – VSD) là thiết bị dùng để

điều khiển tốc độ động cơ dựa trên sự thay đổi tần số làm việc. Trên thế

giới hiện nay, biến tần được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp. Ngoài ý

nghĩa về mặt điều khiển, nó còn có nhiều chức năng khác như khởi động

mềm, hãm, đảo chiều, điều khiển thông minh… Trong đa số trường hợp,

việc sử dụng biến tần còn mang lại hiệu quả kinh tế (tiết kiệm điện năng

tiêu thụ). Biến tần được ứng dụng nhiều cho các động cơ có yêu cầu về

thay đổi tốc độ như: bơm, quạt, băng tải, thang máy…

1.2. Lý do chọn đề tài

Các trạm bơm cung cấp nước với công suất lớn thường được sử

dụng trong khu công nghiệp, khu dân cư, các chung cư, khác sạn và tòa

nhà cao tầng, hệ thống phân phối nước sạch trong mạng lưới cấp nước

sinh hoạt, các trạm cấp nước nông thông… Các trạm bơm nước phổ

biến hiện nay đều được thiết kế theo phương pháp truyền thống với đặc

điểm là các bơm được khởi động trực tiếp sao/ tam giác và tất cả các động

cơ đều hoạt động ở tốc độ định mức. Phương pháp này có nhược điểm

chính là tổn hao điện năng lớn và khó kiểm soát được áp suất trong

đường ống nước.


Trên cơ sở những kiến thức được trang bị trên ghế nhà trường,

dựa vào những tính năng ưu việt của PLC và biến tần. Em xin được lựa

chọn đề tài “Điều khiển và giám sát hệ thống bơm ổn định áp suất”

với những chức năng cơ bản giống với một hệ thống biến tần đa bơm.

1.3. Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu của đề tài là ổn định áp suất trong đường ống ở một

ngưỡng đặt trước thông qua sự điều khiển của PLC đối với biến tần, hệ

thống bơm dựa trên tín hiệu mà cảm biến áp suất trong đường ống đưa

về.

1.4. Giới hạn nghiên cứu của đề tài

Do kiến thức, thời gian, kinh nghiệm thực tế, còn hạn chế nên đề

tài chỉ được thực hiện dưới dạng thiết kế một mô hình với 2 bơm có công

suất nhỏ, áp suất đặt trong đường ống không lớn (0 – 1 bar).

1.5. Ý nghĩa khoa học thực tiễ của đề tài

Điều khiển tự động là xu thế phát triển tất yếu trong các lĩnh vực

công nghiệp cũng như sinh hoạt bởi những ưu điểm vượt trội của nó. Ở

các hệ thống điều khiển tự động có quy mô vừa và lớn thì PLC được sử

dụng làm thiết bị điều khiển cho toàn hệ thống.

Kết hợp xây dựng một hệ thống điều khiển tự động với các thiết bị

điện tử công suất có ý nghĩa khoa học lớn trong việc xây dựng một hệ

thống tự động hoàn chỉnh cả về chức năng lẫn hiệu quả kinh tế. Đề tài “

Điều khiển và giám sát hệ thống bơm ổn định áp suất ” xây dựng mô

hình kết hợp PLC với biến tần để ổn định áp suất nước trong đường ống

một cách tối ưu nhất.

Về mặt thực tiễn, đề tài đi theo hướng phát triển mới cho các hệ

thống cung cấp nước cho các tòa nhà, khu dân cư…, khắc phục được các

nhược điểm trong hệ thống cung cấp nước cũ.



CHƯƠNG II: TRẠM BƠM CẤP NƯỚC

2.1. Thực trạng và nhu cầu thực tếDo nhu cầu sử dụng nước của các hộ tiêu thụ nước (cơ quan,

gia đình, nhà hàng,…) rất khác nhau trong những thời điểm của

ngày (cao điểm và thấp điểm tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng nước

của hộ tiêu thụ), yêu cầu đặt ra là phải giải quyết được việc tự động

ổn định áp suất trên đường ống cấp nước và tiết kiệm năng lượng cho

hệ thống.

Để đáp ứng nhu cầu áp lực nước trong hệ thống luôn đủ khi

nhu cầu sử dụng nước thay đổi bất thường, các bơm trong hệ thống

luôn làm việc liên tục ở chế độ đầy tải. Tuy nhiên điều này dẫn đến

một số bất lợi sau:

- Áp lực nước trong hệ thống đôi khi tăng quá cao không

cần thiết, một số thời điểm nhu cầu sử dụng nước giảm

xuống nhưng hệ thống bơm vẫn chạy đầy tải. Điều này

gây lãng phí năng lượng rất lớn.

- Các bơm phải chạy liên tục dẫn đến giảm tuổi thọ cơ khí.

2.2. Vấn đề điều khiển lưu lượng Các trạm bơm nước phổ biến hiện nay đều được thiết kế

có tối thiểu 2 bơm, cùng cấp nước vào một đường ống chính.

- Các bơm được khởi động trực tiếp hoặc sao/tam giác và tất cả

các động cơ đều hoạt động ở tốc độ định mức.

- Trong quá trình trạm bơm hoạt động, thường luôn luôn để

một bơm ở chế độ dừng (mang tính dự phòng).

- Thay đổi góc mở các van (van tay hoặc van điện) trong

trường hợp sự thay đổi áp lực ở khoảng cho phép.


- Trường hợp áp lực vẫn thiếu hoặc thừa ta có thể ngắt hoặc

đóng thêm bơm (có thể là một hoặc nhiều bơm).

- Việc thay đổi áp suất trên đường ống bằng valve hay tắt/mở

các bơm có các nhược điểm:

- Các bơm vẫn chạy đầy tải và liên tục, điều này gây lãng phí

năng lượng điện vì có những thời điểm nhu cầu sử dụng

nước

- giảm xuống thì bơm chỉ cần chạy

- 50 ÷ 60 % công suất là đã đáp ứng được.

- Việc vận hành khó khăn và tốn chi phí nhân công vì phải cần

công nhân vận hành trực tiếp điều khiển góc mở valve hoặc tắt

mở bơm.

- Các bơm phải chạy liên tục dẫn đến giảm tuổi thọ phần cơ khí.

- Khi thay đổi hệ thống hoặc nhu cầu sử dụng nước tăng lên, chi

phí đầu tư sẽ tăng lên

- do phải tăng số lượng bơm.

- Khó kiểm soát áp lực nước làm ảnh hưởng tuổi thọ của đường

ống, ảnh hưởng tuổi thọ các mối nối.

2.3. Điều khiển áp suất trên đường ống bằng biến tầna. Nguyên lý làm việc

Quá trình điều khiển chủ yếu được thực hiện từ PLC. PLC nhận

tín hiệu analog từ cảm biến áp suất (được gắn trên đường ống chính)

đưa về, sau khi PLC sử lý tín hiệu đó bằng logic, PLC sẽ ra quyết

định điều khiển biến tần bằng tín hiệu analog ở ngõ ra; biến tần sẽ tự

động thay đổi tần số theo tín hiệu analog đó, từ đó thay đổi tốc độ

bơm, vì thế việc khống chế áp lực trên đường ống trở nên dễ dàng hơn

nhiều.


Khi nhu cầu sử dụng nước cao, thì biến tần sẽ tự động điều

khiển động cơ quay ở tốc độ cao để duy trì áp suất. Ngược lại khi nhu

cầu sử dụng nước thấp, cần áp lực thấp, biến tần sẽ điều khiển động cơ

giảm tốc độ xuống hoặc dừng hẳn. Khi đó năng lượng điện được tiết

kiệm.

Nguyên lý hệ thống bơm điều áp

b. Ưu điểm của phương pháp dùng biến tần cho hệ thốngbơm điều áp

So với phương pháp truyền thống, phương pháp dùng biến tần cho hệ

thống bơm điều áp có những ưu điểm:

- Việc điều chỉnh áp lực trên đường ống hoàn toàn tự động, tiết

kiệm được chi phí nhân công.

- Hệ thống bơm được điều khiển hoàn toàn tự động, tốc độ bơm

có thể thay đổi một cách linh hoạt.

- Áp suất toàn hệ thống không đổi với mọi lưu lượng.

- Dòng khởi động được hạn chế sẽ không gây sụt áp khi khởi động, giảm

tổn hại cho động cơ về mặt cơ khí, cho hệ thống truyền động cũng như

về mặt điện.

- Tiết kiệm năng lượng khi nhu cầu xử dụng thay đổi nhiều.


-


CHƯƠNG III:THIẾT BỊ VÀ PHẦN MẾM SỬ DỤNG

3.1.Sơ đồ tổng quan

Một số thiết bị được dùng:

PLC S7-200

Module EM235

Biến tần MM440


Truyền thông RS485

Cảm biến áp suất

Động cơ không đồng bộ ba pha

Phần mềm sử dụng:

Phần mềm mô phỏng WinCC

Phần mền PC access kêt nối giữ winCC với S7-200

3.2.Tổng quan về các thiết bị

3.2.1.PLC S7-200

a.Giới thiệu về PLC

- PLC ( Programmable Logic Controller ): Bộ điều khiển lập trình, PLC

được xếp vào trong họ máy tính, được sử dụng trong các ứng dụng công

nghiệp và thương mại.

- PLC đặt biệt sử dụng trong các ứng dụng hoạt động logic điều khiển

chuổi sự kiện

- PLC có đầy đủ chức năng và tính toán như vi xử lý. Ngoài ra, PLC có

tích hợp thêm một số hàm chuyên dùng như bộ điều khiển PID, dịch

chuyển khối dữ liệu, khối truyền thông,…

- PLC có những ưu điểm:

+ Có kích thước nhỏ, được thiết kế và tăng bền để chịu được rung động,

nhiệt, ẩm và tiếng ồn, đáng tin cậy.

+ Rẻ tiền đối với các ứng dụng điều khiển cho hệ thống phức tạp.

+ Dễ dàng và nhanh chống thay đổi cấu trúc của mạch điều khiển.

+ PLC có các chức năng kiểm tra lỗi, chẩn đoán lỗi.

+ Có thể nhân đôi các ứng dụng nhanh và ít tốn kém.

Cấu trúc bên trong của PLC


Một hệ thống lập trình cơ bản phải gồm có 2 phần: Khối xử lý trung tâm

(CPU: Central Processing Unit) và hệ thống giao tiếp vào/ra ( I/O)

b. Giới thiệu về PLC S7-200 CPU224 AC/DC/RELAY

Với đề tài này em sử dụng PLC S7-200 CPU224 AC/DC/RELAY

Thông tin: - Nguồn cấp: 85-264VAC. 47-63Hz

- Kích thướt: 120.5mm x 80mm x 62mm

- Dung lượng bộ nhớ chương trình: 4096 words

- Dung lượng bộ nhớ dữ liệu: 2560 words


- Bộ nhớ loại EEFROM

- Có 14 cổng vào, 10 cổng ra.

- Có thể thêm vào 14 modul mở rộng kể cả modul Analog.

- Tốc độ xử lý một lệnh logic Boole 0.37µs

- Có 256 timer , 256 counter, các hàm số học trên số nguyên

và sốn thực.

- Có 6 bộ đếm tốc độ cao, tần số đếm 20 KHz

- Có 2 bộ điều chỉnh tương tự.

- Các ngắt: phần cứng, theo thời gian, truyền thông,…

- Đồng hồ thời gian thực.

- Chương trình đƣợc bảo vệ bằng Password.

- Toàn bộ dung lƣợng nhớ không bị mất dữ liệu 190 giờ khi

PLC bị mất điện.

- Xuất sứ: Siemens Germany

- Giá: 5.396.500 VND


- CPU được cấp nguồn 220VAC.Tích hợp 14 ngõ vào số (mức 1 là

24Vdc, mức 0 là 0Vdc). 10 ngõ ra dạng relay.

� Mô tả các đèn báo trên S7-200:

- SF (đèn đỏ): Đèn đỏ SF báo hiệu khi PLC có hỏng hóc.

- RUN (đèn xanh): Đèn xanh sáng báo hiệu PLC đang ở chế độ làm

việc và thực hiện chương trình nạp ở trong máy.

- STOP (đèn vàng): Đèn vàng sáng báo hiệu PLC đang ở chế độ

dừng, không thực hiện chương trình hiện có.

- Ix.x (đèn xanh)chỉ trạng thái logic tức thời của cổng Ix.x. Đèn sáng

tương ứng mức logic là 1.

- Qx.x (đèn xanh): chỉ trạng thái logic tức thời của cổng Qx.x. Đèn sáng

tương ứng mức logic là 1.

� Cách đấu nối ngõ vào ra PLC:

Cách đấu nối S7-200 và các module mở rộng:


- S7-200 và module vào/ra mở rộng được nối với nhau bằng dây nối. Hai

đầu dây nối được bảo vệ bên trong PLC và module.Chúng ta có thể kết nối

PLC và module sát nhau để bảo vệ hoàn toàn dây nối. CPU224 cho phép

mở rộng tối đa 7 module.

3.2.2.Giới thiệu về module EM235

Với đề tài này em sử dụng module EM235

Một số thông số của EM235:

- SIMATIC S7-200, ANALOG I/O - EM 235, FOR S7-22X CPU ONLY - 4 AI, 1AQ, 12 BIT CONVERTER - Xuất sứ: Manufacturer: Siemens / Germany- Giá: 3.913.000 VND

EM 235 là một module tương tự gồm có 4AI và 1AO 12bit (có tích

hợp các bộ chuyển đổi A/D và D/A 12bit ở bên trong).

a.Các thành phần của module analog EM235.



RA

A+

A-

+ -

Điện áp

RA

A+

A-

4-20mA

L+

M

Thành phần Mô tả

4 đầu vào tương

tự được kí hiệu

bởi các chữ cái

A,B,C,D

A+ , A- , RA Các đầu nối của đầu vào A

B+ , B- , RB Các đầu nối của đầu vào B

C+ , C- , RC Các đầu nối của đầu vào C

D+ , D- , 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

Offset Chỉnh trôi điểm không

Switch cấu hìnhCho phép chọn dải đầu vào và độ

phân giải

b.Cách nối dây

Đầu vào tương tự:

- Với thiết bị đo đầu ra kiểu điện áp:

- Với thiết bị đo tín hiệu đầu ra dòng điện:


MO

VO

IO

Tải điện áp

Tải dòng điện

M

L+

Nguồn24 VDC

Đầu ra tương tự:

Cấp nguồn cho Module:


Tổng quát cách nối dây:

3.2.3.Biến tần MM440

a.Tổng quan về biến tần

- Biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều ở tần số này thành

dòng điện xoay chiều ở tần số khác có thể điều chỉnh được.


Phân loại biến tần:

- Biến tần máy điện

- Biến tần van

+ Biến tần trực tiếp

+ Biến tần gián tiếp

• Biến tần nguồn áp ( hay là bộ nghịch lưu nguồn áp)

• Biến tần nguồn dòng ( hay là bộ nghịch lưu nguồn dòng)

Ở đây ta xét đến biến tần nguồn áp

Cấu tạo của biến tần

Bộ chỉnh lưu


Bộ lọc

Bộ nghịch lưu

Nguyên lý hoạt động của biến tần.

Nguyên lý làm việc cơ bản của biến tần cũng khá đơn giản. Đầu tiên,

nguồn điện xoay chiều 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn

1 chiều bằng phẳng. Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu

diode và tụ điện. Nhờ vậy hệ số công suất cosФ của hệ biến tần đều có giá

trị không phụ thuộc vào tải và có giá trị ít nhất 0,96. Điện áp 1 chiều này

được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng. Công

đoạn này hiện nay được thực hiện thông qua hệ IGBT (transistor lưỡng

cực có cách ly) bằng phương pháp điều chế độ rung(PWM). Nhờ tiến độ

công nghệ vi xử lí và công nghệ bán dẫn lực hiện nay, tần số chuyển mạch

xung có thể lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động cơ và

giảm tổn thất trên lõi sắt động cơ.

b.Biến tần MM440

Với mô hình này em sử dụng biến tần MM440 của siemens

Thông số của MM440

- Tên : MICROMASTER 440

- Đầu vào: 3AC 380-480 V +10/-10%, 47-63 HZ

- Đối với điện áp vào 1 pha: 200V - 240V.

- Tần số ngõ ra từ 0Hz đến 650Hz.

- OVERLOAD: 150% 60 S, 200% 3 S

- Kích thước: 173 X 73 X 149 (H X W

X D)

- Các đầu vào, ra:

• 6 đầu vào số

• 2 đầu vào tương tự


Nhà máy xi măng

• 3 đầu ra rơle

• 2 đầu ra tương tự

• 1 cổng RS485

• 15 cấp tần số cố định

• Có tích hợp bộ điều khiển PID

• Có chức năng hãm DC, hãm tổ hợp và hãm bằng điện trở hay hảm

động năng.

- Giá: 7.300 000 VNĐ

2.2.4.Cáp kết nối RS485

Trong công nghiệp ngày nay, chuẩn truyền thông RS232 không thể đáp

ứng được nhucầu truyền thông nữa vì đường truyền không cân bằng (các

tín hiệu đều lấy điểm chuẩn là đường mass chung, bị ảnh hưởng của nhiễu

tác động) do đó tốc độ truyền và khoảng cách truyền bị giới hạn (khoảng

cách truyền thông tối đa 100m). Vì vậy để đáp ứng nhu cầu truyền thông

công nghiệp, người ta sử dụng chuẩn truyền thông RS485 khi cần tăng

khoảng cách và tốc độ truyền thông (khoảng cách truyền thông tối đa

1200m và vận tốc truyền lên đến 10 Mbits/s). Nguyên nhân mà RS 485 có

thể tăng tốc độ và khoảng cách truyền thông là do RS485 sử dụng

phương pháp truyền 2 dây vi sai (vì 2 dây có đặc tính giống nhau, tín hiệu

truyền đi là hiệu số điện áp giữa 2 dây do đó loại trừ được nhiễu chung).

Mặt khác do chuẩn truyền thông RS 232 không cho phép có hơn 2 thiết bị

truyền nhận tin trên đường dây trong khi đó với chuẩn RS 485 ta có thể nối

32 thiết bị thu phát trên 2 dây. Tuy nhiên có sự ràng buộc giữa tốc độ

truyền dẫn tối đa và độ dài dây dẫn cho phép, khi tốc độ là 90Kbps thì

khoảng cách là 1200m, 1Mbps thì khoảng cách là 120m, còn tốc độ

10Mbps thì khoảng cách lá 15m.

So sánh mức điện áp làm việc của RS232 và RS485


RS-485 sử dụng điện áp chênh lệch đối xứng giữa hai dây dẫn A và B.


Tóm tắt các thông số quan trọng của RS-485

Thông số Điều kiện Tối thiểu Tối đa

Điện áp đầu ra hở mạch 1,5V 6V

Điện áp đầu ra khi có tải RLOAD = 54Ω 1,5V 5V

Dòng ra ngắn mạch 250mA

Thời gian quá độ đầu raRLOAD = 54Ω

CLOAD = 54pF30% TB*

Điện áp chế độ chung đầu

ra VocRLOAD = 54Ω -1V 3V

Độ nhạy cảm đầu vào -7 VCM 12V 200mA

Điện áp chế độ chung

VCM-7V 12V

Trở kháng đầu vào 12KΩ

3.2.5.Cảm biến áp suất

a.Định nghĩa

- Cảm biến được định nghĩa như một thiết bị dùng để biến đổi các đại

lượng vật lý và các đại lượng không điện cần đo thành các đại lượng có thể

đo được (như dòng điện, điện thế, điện dung, trở kháng...). Nó là thành


phần quan trọng nhất trong một thiết bị đo hay trong một hệ điều khiển tự

động.

Với đề tài này ta sử dụng cảm biến áp suất Sensys M5156-10286X-3.5BG

• Dải áp suất: 0 ~ 3.5 bar

• Ngõ ra: 4~20mA

• Kiểu nối cáp: Mini DIN43650

Pressure port: PT1/4"

• Nhiệt độ hoạt động: -40~125℃• Thân vỏ thép không gỉ

• Chịu rung 20G, 20~200Hz

• Giá: 1.890.000N VNĐ

• Xuất xứ: Korea

Nguyên lý làm việc chung của các loại cảm

biến áp suất là dựa trên cơ sở biến dạng đàn hồi của các phần tử nhạy cảm

với áp suất. Sự biến dạng đàn hồi đó sẽ làm di chuyển một bộ phận cơ học

từ đó dẫn đến sự thay đổi của điện trở, điện dung hay điện áp.

2.2.6.Động cơ không đồng bộ 3 pha

Khái quát chung về động cơ không

đồng bộ ba pha:

Động cơ không đồng bộ là động cơ

điện hoạt động với tốc độ quay của

Rotor chậm hơn so với tốc độ quay

của từ trường Stator. Ta thường gặp

động cơ không đồng bộ Rotor lồng

sóc vì đặc tính hoạt động của nó tốt

hơn dạng dây quấn.

a. Cấu tạo động cơ không đồng bộ ba pha


Hình ảnh động cơ không đồng bộ 3 pha

a.1. stator

Trên stator có vỏ , lõi thép và dây quấn

Vỏ máy có tác dụng cố định lõi thép

và dây quấn . Thường vỏ máy làm bằng

gang.

Lõi thép là phần dẫn từ. Vì từ

trường đi qua lõi thép là từ trường quay lên

giảm bớt tổn hao, lõi thép được làm bằng

những lá thép kĩ thuật điện dày 0,5 mm ép lại.

Dây quấn stator được đưa vào rãnh của lõi thép và được cách điện

tốt với lõi thép . Dây quấn phần ứng là phần dây bằng đồng được đặt trong

các rãnh phần ứng và làm thành một hoặc nhiều vòng kín . Dây quấn là bộ

phận quan trọng nhất của động cơ vì nó trực tiếp tham gia vào quá trình

biến đổi năng lượng từ điện năng thành cơ năng . Đồng thời về mặt kinh tế

thì giá thành của dây quấn cũng chiếm tỷ lệ khá cao trong toàn bộ giá

thành của máy .

a.2. Phần quay ( ROTOR).

Phần này gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn rotor :

- Lõi thép: thường dùng các lá thép kỹ thuật điện như ở stator lõi thép được

ép trực tiếp lên trục máy hoặc lên một giá rotor của máy. Phía ngoài là thép

có sẻ rãnh để đặt dây quấn.

- Dây quấn rotor: Phân loại làm hai loại chính rotor kiểu dây quấn và roto

kiểu lồng sóc :

Rotor kiểu lồng sóc (hình 1.4) : Gồm các thanh đồng hoặc thanh nhôm

đặt trong rãnh và bị ngắn mạch bở hai vành ngắn mạch ở hai đầu. Với

động cơ nhỏ , dây quấn rotor được đúc nguyên khối gồm thanh dẫn , vành

ngắn mạch , cánh tản nhiệt và cánh quạt làm mát . Các động cơ công suất


trên 100kw thanh dẫn làm bằng đồng được đặt vào các rãnh rotor và gắn

chặt vành ngắn mạch .

b. Nguyên lý làm việc động cơ không đồng bộ 3 pha.

Khi dòng điện ba pha chạy trong dây quấn stato thì trong khe hở không

khí xuất hiện từ trường quay với tốc độ n1 = 60f 1

p (f1 là tần số lưới điện ; p

là số cặp cực; n1 là tốc độ từ trường quay ). Từ trường này quét qua dây

quấn nhiều pha tự ngắn mạch nên trong dây quấn rotor có dòng điện I2

chạy qua. Từ thông do dòng điện này sinh ra hợp với từ thông của stator

tạo thành từ thông tổng ở khe hở . Dòng điện trong dây quấn rotor tác dụng

với từ thông khe hở sinh ra moment . Tác dụng đó có quan hệ mật thiết với

tốc độ quay n của rotor . Trong những phạm vi tốc độ khác nhau thì chế độ

làm việc của máy cũng khác nhau .

b. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha

- Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số

- Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực

- Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp

- Điều chỉnh tốc độ bằng cách ghép thêm điện trở phụ vào mạch rôto

- Điều chỉnh tốc độ bằng nối cấp

Ưu điểm của động cơ không đồng bộ 3 pha


Động cơ không đông bộ được sử dụng rộng rãi trong thực tế do ưu

điểm nổi bật của nó là: cấu tạo đơn giản, làm việc tin cậy, vốn đầu tư ít, giá

thành hạ, trọng lượng, kích thước nhỏ hơn khi dùng công suất định mức so

với động cơ một chi u. S d ng tr c ti p l i đi n xoay chi u 3 pha…ề ử ụ ự ế ướ ệ ề

Với đề tài này em chọn động cơ không đồng bộ có thông số sau:

Động cơ không đồng bộ 3 pha Vihem 0.37KW Hãng sản xuất: VIHEM Xuất xứ: Vietnam Công suất (kW): 0.37 Momen đầu trục cực đại (Nm): 0 Giá: 1.700.000 VNĐ


CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ HỆ THỐNG

4.1. Sơ đồ khối

Quá trình điều khiển chủ yếu được thực hiện từ PLC. PLC nhận

tín hiệu analog từ cảm biến áp suất (được gắn trên đường ống chính)

đưa về, sau khi PLC sử lý tín hiệu đó bằng logic, PLC sẽ ra quyết

định điều khiển biến tần bằng tín hiệu analog ở ngõ ra; biến tần sẽ tự

động thay đổi tần số theo tín hiệu analog đó, từ đó thay đổi tốc độ

bơm, vì thế việc khống chế áp lực trên đường ống trở nên dễ dàng hơn

nhiều.

- Bộ điều khiển PLC: CPU 224 AC-DC-Relay và Module Analog EM 235

của Siemens, Module Analog EM 235 dùng để nhận tín hiệu từ cảm biến

áp suất chuyển đổi tín hiệu đưa về PLC để xử lý, sau khi xử lý xong thì

Modul Analog EM 235 sẽ nhận tín hiệu từ PLC để điều khiên biến tần

MM440.

- Cảm biến áp suất Sensys 0~3.5 bar ngõ ra 4-20mA đo áp suất đường ống

và chuyển đổi để đưa về CPU của S7-200.

Ta dùng cổng truyền thông RS485 để kết nối giữa PLC và máy tính.

Nhưng do cổng truyền thông của máy tính là RS232 lên do đó cần

phải có một bộ chuyển đổi từ chuẩn RS-232 sang chuẩn RS-485 của PLC.

4.2.Sơ đồ thuật toán

Xét mô hình sử dụng biến tần để điều khiển trạm bơm gồm 2 bơm như sau:


Nguyên lý làm việc của hệ thống:

Với mô hình sử dụng biến tần để điều khiển trạm bơm gồm 2 bơm như

trên, để 2 bơm hoạt động theo một áp lực đặt nhất định (X bar) thì ta sẽ

điều khiển hệ thống bơm theo kiểu Chính/phụ dùng biến tần tức là ở đây

sẽ chọn bơm số 1 là bơm Chính, bơm số 2 và là bơm phụ.

Khi khởi động hệ thống lên thì máy bơm 1được điều khiển bằng biến

tần sẽ được khởi động chạy cho tới khi đạt được áp suất đặt, khi áp

suất trong đường ống đã bằng áp suất đặt thì biến tần sẽ giữ ổn định tốc độ

của máy bơm này. Trường hợp tải thay đổi tức là áp suất thay đổi, tùy theo

tải tăng hay giảm thì Biến tần sẽ điều khiển máy bơm chạy nhay hay chạy

chậm.

Khi tải tăng tức là áp suất sẽ giảm, lúc này muốn ổn định áp suất thì

Biến tần sẽ điều khiển máy bơm chạy nhanh hơn ( tức là tăng tần số của

máy bơm 1) cho tới khi đạt được áp suất đặt.

Ngược lại, khi tải giảm thì Biến tần sẽ giảm tần số của máy bơm xuống

cho tới khi đạt được áp suất đặt.


Nếu khi bơm Chính đạt tốc độ tối đa 50Hz mà không đáp ứng đủ áp lực

đặt thì hệ thống điều khiển tiến hành khởi động bơm Phụ chạy với tốc độ

tối đa 50Hz. Khi đó, bơm Chính sẽ tự động điều chỉnh tốc độ liên tục để

đảm bảo duy trì đúng áp suất đặt.

Khi áp suất đặt thấp hơn áp suất thực tế thì quá trình sẽ diễn ra theo trình

tự ngược lại: bơm Chính giảm dần tốc độ cho đến khi xuống đến tốc độ tối

thiểu 0Hz mà áp suất vẫn cao thì hệ thống điều khiển sẽ tắt bơm Phụ. khi

đó chỉ chạy duy nhất bơm chính để đáp ứng yêu cầu.

4.3.Sơ đồ đấu dây

4.4. Lập trình trên S7-200

Chương trình chính


Hình 3.5: Sơ đồ thuật toán điều khiển

Sau khi đưa tín hiệu từ cảm biến áp suất về ngõ vào AIW0 của EM235, viết

chương trình điều khiển PID để xuất tín hiệu ra ngõ ra EM235 là AQW0 để

điều khiển biến tần. EM235 xuất giá trị ±10VDC được đưa vào ngõ vào

analog của biến tần.

Chương trình con cài đặt bộ PID


Định ngõ vào ra

Địa chỉ Kí hiệu Chức năngI0.0 Start Mở nguồn cho hệ thống

I0.1 Stops Tắt nguồn hệ thống

AIW0 AIW0 Đầu vào Analog

Q0.0 Đèn Run Đèn báo hệ thống đang hoạt động

Q0.1 Đèn Stop Đèn báo hệ thống đang dừng

Q0.2 Biến tần Công tắc tơ điều khiển biến tần khởi động

Q0.3 Bơm phụ Công tắc tơ điều khiển bơm phụ hoạt động

AQW0 AIQ0 Đầu ra Anolog điều khiển biến tần

Địa chỉ các thông số cho bộ PID

VD100 Giá trị đặt PV (nằm trong khoảng 0 – 1)VD104 Giá trị Setpoint SPn (nằm trong khoảng 0 – 1)


VD108Ngõ ra Mn (Giá trị sau khi đã tính toán, trong khoảng 0 –

1)VD112 Độ khuếch đại Kc VD116 Thời gian lấy mẫu Ts (s)VD120 Hằng số tích phân Ki VD124 Hằng số vi phân Kd

Viết chương trình

Điều khiển PID cho Biến tần để ổn định áp suất đặt, bộ PID sẽ điều khiển

tín hiệu ngõ ra bám sát tín hiệu setpoint vì thế mà ta có được sự chính xác

trong các bài toán điều khiển tự động.

Để thiết lập các thông số cho bộ PID khi chương trình hoạt động thì vòng

quét đầu tiên ta thiết lập bit SM0.1 để cho phép quét vòng đầu tiên của

chương trình, khi đó chương trình sẽ gọi chương trình con ra và bắt đầu chạy

PID.

Chương trình ngắt Timer0: Cứ 100ms thì chương trình sẽ tự động nhảy vào

thực hiện chương trình ngắt Timer0, khi ngắt Timer0 xảy ra thì chương trình

khác sẽ dừng và PLC chỉ thực hiện công việc được lập trình trong ngắt Timer,

sau khi đã thực hiện xong chương trình ngắt thì sẽ quay trở lại nơi mà bị dừng

khi xảy ra ngắt.

Trong đề tài này thì chương trình ngắt sẽ thực hiện công việc là đọc tín

hiệu analog từ cảm biến áp suất với đầu ra dòng 0 - 20mA. Module EM 235

sẽ đọc tín hiệu analog này và ta có thể quan sát thông qua vùng nhớ AIW0. Vì

PLC chỉ xử lý trên số thực nên AIW0 sẽ được chuyển sang số thực để thực

hiện các phép tính, cũng như scale về giá trị từ 0 – 1 để đưa vào giá trị đặt

PV.

Nguyên tắc cơ bản của 1 chế độ ngắt cũng giống như việc gọi 1 chương

trình con, sự khác nhau ở đây là chương trình con được gọi một cách chủ

động bằng lệnh CALL, còn xử lý ngắt được gọi bị động bằng tín hiệu báo


ngắt, hệ thống sẽ tổ chức gọi và thực hiện chương trình con tương ứng với tín

hiệu báo ngắt đó, hay nói cách khác hệ thống sẽ tổ chức xử lý tín hiệu báo

ngắt đó. Chương trình con này gọi là chương trình xử lý ngắt.

Tín hiệu báo ngắt Timer0 được phát ra đều đặn theo chu kỳ thời gian và

được xác định bởi giá trị của SMB34. Ngắt Timer0 SMB34 là sự kiện ngắt

thứ 10.

Bảng symbol

Chương trình chính


Chương trình con


Chương trình ngắt Timer0



4.5. Cài đặt thông số cho biến tần

Sau khi đưa tín hiệu PLC vào biến tần. Ta tiến hành cài đặt một số

thông số của nó, điều khiển tốc độ máy bơm nước 1, nhằm ổn định

áp suất trên đường ống.

Đưa tín hiệu tương tự AQW0 vào đầu vào analog số 1 (+), chân số 3

của Biến tần.

Cài đặt thông số cho biến tần điều chỉnh tốc độ máy bơm.

• P0300 = 1( Động cơ không đồng bộ)

• P0304 = điện áp định mức động cơ (V).

• P0305 = dòng điện định mức động cơ (A)

• P0307= công suất định mức động cơ( kW hoặc hp). Nếu P0100=0

hoặc 2 là kW, nếu P0100=1 là hp

• P0308 =hệ số cos ϕ định mức của động cơ.

• P0309= hiệu suất định mức động cơ (%)

• P0310= tần số định mức động cơ ( Hz).

• P0311= tốc độ định mức động cơ (V/ph)

• P1000 =2(lựa chọn điểm đặt tần số :điểm đặt tương tự)


• P1080 = 0 Hz(tần số nhỏ nhất)

• P1082 = 50 Hz( tần số lớn nhất)

• P1120 = 10s (thời gian tăng tốc)

• P1121 = 10s (thời gian giảm tốc)

• P0756 = 0( đầu vào tương tự ADC kiểu điện áp đơn cực từ 0–

10V)

4.6. S7-200 PC Access

PC Access là một OPC Server dành riêng cho PLC Simatic S7-200.

PC Access có thể làm việc với bất kỳ chuẩn OPC Client như : Excel

Client, Protool/Pro Client, Visual Basic Client. S7-200 PC Access giúp

cho việc thiết lập và xác định cấu hình của mạng làm việc một cách dễ

dàng và đơn giản.

Những tiện ích của PC ACCESS :

- Xây dựng một OPC Test Client.

- Có thể đưa Excel Client vào để có thể quan sát được những bảng tính.

- Cung cấp giao diện chuẩn cho bất kỳ OPC Client.

- Tích hợp bảng biểu tượng Micro/Win bao gồm biểu tượng nhận xét.

- Làm đơn giản giao diện người dùng (User Interface) giúp cho việc cài

đặt và xác định cấu hình nhanh chóng.

- Time Stamp cho biết thời gian mỗi tag được cập nhật

- Sự cải tiến trong việc chọn lựa. Chẳng hạn như việc thông báo giới

hạn trên (Hight) và dưới (Low).

- Có thể làm việc với tất cả các kiểu dữ liệu của PLC S7-200.

- Không hạn chế số lượng Item được đọc hay viết.

- PC Access cung cấp phương thức để những bộ điều khiển nhỏ có thể

cải tiến về :


• Các thao tác.

• Sự phục vụ.

- Sự bảo dưỡng các máy móc, những chương trình ứng dụng và khả

năng thực hiện dễ dàng .

Sự cải tiến này làm cho việc truy cập dữ liệu, điều khiển và giám sát được

thực hiện một cách dễ dàng.

4.7.Thiết kế mô hình giám sát trên Wincc 7.0

a. Giới thiệu về WinCC:

- WinCC là giao diện giữa người và máy móc trong thiết kế tự động :

WinCC là hệ thống trung tâm về công nghệ và kỹ thuật được dùng để

điều hành các nhiệm vụ của màn hình hiển thị và hệ thống điều khiển

trong tự động hóa sản xuất và quá trình. Hệ thống này cung cấp các modul

chức năng thích ứng trong công nghiệp về: hiển thị hình ảnh, thông điệp,

lưu trữ và báo cáo. Giao diện điều khiển mạnh, việc truy cập hình ảnh

nhanh chóng, và chức năng lưu trữ an toàn của nó đảm bảo tính hữu dụng

cao.

b. Trình tự tạo một Project:

- Khởi động WinCC:

+ Nhấn nút Start -> Simatic -> WinCC -> Windows Control Center

Tạo một Project:

Chọn new project


Chọn Single_User Project

Gõ tên Project vào project name:


Màn hình WinCCExplorer xuất hiện

Chọn tag management → internal tags để lập biết nội


Tag biến nội cho bơm chính, chuột phải vào màn hinh chọn new tag

Trong khung name viết BOMCHINH, data chọn signed bit value → OK. Làm

tương tự với biến DIEUKHIENCAMBIEN. Với biến BOMPHU,


DENBAOCHAY, DENBAODUNG, nhưng với các biến này mục data type

chọn binary tag

Tạo một Graphic mới

Nhấp chuột phải Graphic Design →New picture → Rename để đổi tên

Màn hình soạn thảo của Graphics Designer:


Tạo nút ấn trong Object Palette chọn windows object kéo và thả Button ra

màn hình thiết kế, nhập tên START ô TEXT

nhấn OK sẽ kết thúc thiết lập.

Làm tương tự ta được nút STOP


Tạo ĐEN cho hệ thống:

Trong Object Palette →Standard Object→Circle

Double click vào Circle ta sẽ có được 1 vòng tròn trên màn hình thiết kế

Tạo hiệu ứng đổi màu cho đèn→Double click vào đèn hộp thoại Object

properties xuất hiện

Trong mục properties→Chọn như hình vẽ


Lấy động cơ vào view→library→global library→simens HMI symbolkibary

→motors→kéo thả động cơ ra màn hinh

Sau khi lấy các thiết bị xong ta được màn hình


Thiết lập thuộc tính cho đối tương

Cho nút ấn START chuột phải vào nút START→properties→

chọn Events→click vào Mouse→C-action chọn như hình vẽ


+ Xuất hiện hộp thoại Edit Action: Nhấp chọn đường dẫn Internal

Function→ Tag→ Set→ rồi Double Click vào Set TagBit.

+ Xuất hiện hộp thoại Assigning Parameters:

Click vào Tag_Name →Chọn Tag selection→chọn tag muốn cài đặt


Chọn value là 1 nếu nút nhấn được nhấn

Làm tương tự với nút START với BOMCHINH và DENBAODUNG với đèn

báo dùng thì chọn giá trị là 0

Làm tương tự vơi nút STOP: DENBAOCHAY, BOMCHINH,BOMPHU chọn

giá trị 0, DENBAODUNG giá trị 1.

BÀI TẬP LỚN Page 53

Tạo thuộc tính cho BOMCHINH chuột phải →propreties→properties→control

preperties, rồi làm như hình vẽ

Làm tương tự với BOMPHU, DENBAOCHAY, DENBAODUNG.


GIAO DIỆN WINCC KHI HOẠT ĐÔNG


CHƯƠNG V: KẾT LUẬN

5.1.Kết luận nội dung đề tài

- Đề tài này đã giúp chúng em hiểu thêm được về cấu tạo, nguyên lý hoạt

động, ứng dụng … của:

Biến tần

PLC

Cảm biến áp suất

Động cơ không đồng bộ ba pha

mà chúng em đã được học trên lớp

- Hiểu thêm một số phần mêm: wincc,…

- Hiểu được nguyên tắc lập trình điều khiển áp suất trên đường ống dùng lập

trình PLC.

-Đưa ra được lưu đồ giải thuật và sơ đồ khối.

5.2.Các hạn chế

- Chưa có điều kiện được đi quan sát thực tiễn ở các trạm bơn nươc thực nên

không có kiến thức thực tế.

5.3.Biện pháp khắc phục

- Cần tìm hiểu kĩ về biến tần, PLC, cảm biến,… Trong thực tế.

- Cần tìm hiểu thêm các phần mềm.

Tìm hiểu kĩ hoạt động của các trạm bơm thực tế.


Tài liệu tham khảo

1.Điều khiển lập trình plc và mạng – Lê Văn Tiến Dũng-Đại học kĩ thuật Công Nghệ thành phố HCM -2003

2.Giáo Trình Đo Lường Điện và Cảm Biến Đo Lường

Nguyễn Văn Hòa, Bùi Đăng Thảnh, Hoàng Sỹ Hồng – NXB Giáo Dục

3 . G i á o T r ì n h C ấ p T h o á t N ư ớ c

KS. Đỗ Trọng Miên - KS. Vũ Đình Dịu – NXB Xây Dựng

4. Nguyên tắc xây dựng dự án trên Wincc - Nguyễn Kim Ánh trường ĐH Bách khoa Đà Nẵng

5.Các tài liệu trên mạng internet


BÀI TẬP LỚN- he thu thap

Documents