Thiết kế mô hình hệ thống điều khiển và giám sát mức chất lỏng trong bể chứa ở khu dân cư dùng PLC s7 1200

TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN MỨC

Giới thiệu bài toán điều khiển mức

Tự động hoá đang trở thành xu hướng chính trong ngành công nghiệp hiện đại, giúp giảm bớt sức lao động chân tay trong sản xuất Sự ứng dụng thành công của các thành tựu trong lí thuyết điều khiển tối ưu, công nghệ thông tin, công nghệ máy tính và công nghệ điện điện tử đã thúc đẩy sự phát triển của thiết bị điều khiển lập trình PLC.

Công nghệ tự động giám sát và điều khiển mức chất lỏng đang được nhiều công ty và nhà máy áp dụng để thay thế phương pháp thủ công Công nghệ này giúp kiểm soát và điều khiển lưu lượng chất lỏng, bơm và xả một cách tin cậy mà không cần sự can thiệp của con người Nó được ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải, lọc hóa dầu, nhà máy nước, nhà máy thủy điện, hệ thống làm mát nhiệt điện, hệ thống làm mát điện hạt nhân, và các bề nước, tháp nước tự động.

Các phương pháp đo mức chất lỏng

Phương pháp đo mức là một phương pháp đơn giản và hiệu quả để đo lường mức chất lỏng trong bình chứa Mỗi phương pháp đo mức có thể được áp dụng tùy thuộc vào điều kiện cụ thể và tính chất vật lý, hóa học của chất lỏng cần đo Việc lựa chọn phương pháp và thiết bị đo phù hợp là rất quan trọng, dựa trên yêu cầu thực tế của từng bài toán Hiện nay, các thiết bị cảm biến được sử dụng rộng rãi trong cả công nghiệp và đời sống, mỗi loại cảm biến có cách thức đo và ưu điểm riêng cho từng ứng dụng cụ thể.

Một số loại cảm biến phổ biến đo mức chất lỏng

Cảm biến là thiết bị quan trọng trong việc đo lường và cảm nhận các đại lượng vật lý, chuyển đổi tín hiệu không điện thành tín hiệu điện Chúng thường xuyên gửi thông tin về hệ thống điều khiển, với khả năng đo lường liên tục hoặc theo điểm Dưới đây là một số loại cảm biến phổ biến được sử dụng trong việc điều khiển mức chất lỏng và trong ngành công nghiệp.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Ngọc Hiếu Người hướng dẫn: ThS Phan Thị Thanh Vân 3

1.3.1 Cảm biến tiệm cận điện dung

Cảm biến tiệm cận điện dung là thiết bị dạng que điện cực dài, được cắm trực tiếp vào chất lỏng để đo mức và báo mức chất lỏng Có hai phương pháp đo chính: đo on/off, hay còn gọi là báo đầy, báo cạn chất lỏng ở hai mức cụ thể, thường được sử dụng để điều khiển bơm (tắt bơm khi bể đầy và mở bơm khi bể cạn) Phương pháp đo liên tục cho phép giám sát dung tích chất lỏng trong bồn chứa, giúp xác định chính xác lượng nước hiện có và mức nước đang ở chiều cao nào.

Hình ảnh 1 1Cảm biến điện dung đo on/off

Thiết kế mô hình hệ thống điều khiển và giám sát mức chất lỏng trong bể chứa ở khu dân cư dùng PLC S7-1200

Hình ảnh 1 2 Cảm biến điện dung đo mức chất lỏng

Cảm biến báo mức nước bằng điện dung hoạt động dựa trên cơ chế phát tần số ổn định trong suốt quá trình làm việc Khi chất lỏng hoặc chất rắn chạm vào đầu dò với một lượng nhất định, tần số phát ra sẽ bị thay đổi Tùy thuộc vào phương pháp đo lường liên tục hay báo đầy, báo cạn, bộ phận xử lý sẽ cung cấp tín hiệu tương ứng.

Cảm biến điện dung đo mức liên tục cung cấp tín hiệu chính xác theo mức chất lỏng trong thùng chứa, vì chúng luôn tiếp xúc trực tiếp với vật chất Trong khi đó, các cảm biến báo đầy và báo cạn có kích thước ngắn hơn, chỉ hoạt động tại một vị trí nhất định và báo hiệu khi vật liệu chạm vào đầu dò của chúng.

+ Độ chính xác cao, dễ lắp đặt

+ Chịu được nhiệt độ và áp suất cao

+ Lắp đặt đơn giản, chỉ cần thiết kế ren và gắn vào thành bồn chứa

+ Dùng được trong nhiều môi trường: xăng, dầu, chất rắn, nước,…

+ Điện dung có loại dây cáp nối dài đo tối đa 40m với độ chính xác khá cao + Thông số kỹ thuật:

• Loại cable sử dụng: PVC 2x0,34 mm 2

• Tín hiệu output: PNP, NAMUR

• Nhiệt độ môi trường hoạt động: -25°C – +105°C

• Nhiệt độ phần chân ren chịu được: -25°C – +105°C

• Áp suất tối đa chịu được: 5 MPa (50 bar)

• Có phiên bản Xi và NT dành cho môi trường nhiệt độ và áp suất cao Max nhiệt độ 150 độ C

• Xuất xứ: được sản xuất trực tiếp tại Cộng hòa Séc

Cảm biến đo mức liên tục thường cung cấp tín hiệu đầu ra như 4-20mA, 0-10V hoặc ModBUS RTU, trong khi cảm biến đo mức on/off lại sử dụng tín hiệu PNP hoặc NAMUR.

Cảm biến siêu âm là thiết bị đo mức chất lỏng không cần tiếp xúc, mang lại sự an toàn cao trong các môi trường có nguy cơ cháy nổ, như trong việc đo mức xăng và dầu.

Mặc dù phương pháp đo mức không tiếp xúc, nhưng độ chính xác của cảm biến vẫn rất cao, với sai số chỉ 0,15% trên toàn dải đo.

Cảm biến siêu âm đo mức hoạt động bằng cách phát một chùm sóng siêu âm từ nắp bồn chứa xuống bề mặt chất lỏng Khi sóng gặp bề mặt chất lỏng, chúng sẽ phản xạ trở lại cảm biến, biến cảm biến thành bộ thu sóng.

Sau khi thu nhận sóng siêu âm, bộ phận xử lý trong cảm biến sẽ xác định khoảng cách từ cảm biến đến bề mặt chất lỏng bằng cách dựa vào vận tốc sóng siêu âm và thời gian phản xạ của sóng.

Lấy chiều cao bồn chứa trừ đi khoảng cách này, cảm biến sẽ tính ra được chiều cao mức chất lỏng trong bồn

+ Phương pháp đo không tiếp xúc mà vẫn đảm bảo độ chính xác cao với sai số 0,15%

+ Cảm biến có màn hình hiển thị rõ ràng, giúp quan sát mức chất lỏng tốt hơn + Tín hiệu output có thể là 4-20mA / 0-10V / Modbus RTU

+ Có thể thay đổi được khoảng cách dễ dàng bằng cách chỉnh trực tiếp trên màn hình

+ Cảm biến siêu âm thích hợp gắn trong những bồn chứa có chiều rộng vì nếu bồn hẹp thì sóng siêu âm sẽ bị cản bởi thành bồn

+ Khả năng chịu được nhiệt độ và áp suất không cao, nhiệt độ cao nhất là 70 độ C, áp suất cao nhất là 1 bar

Mỗi loại cảm biến siêu âm đều có một khoảng cách được gọi là vùng mù, đây là khoảng cách từ bộ phát của cảm biến đến điểm dưới cùng mà cảm biến không thể phát hiện được.

Hình ảnh 1 4 Vùng mù của cảm biến siêu âm

1.3.3 Cảm biến mức phao điện từ

Phao cảm biến mức nước, hay còn gọi là phao điện, là thiết bị chuyên dụng để đo lưu lượng nước trong các bể chứa, bồn chứa và hồ chứa Thiết bị này giúp truyền kết quả đo về bộ phận điều khiển, đảm bảo máy bơm nước không bị cháy khi chạy không tải và ngăn ngừa tình trạng tràn nước Tín hiệu của phao cảm biến có thể là on/off hoặc 4-20mA Phần thân của cảm biến được chế tạo từ nhiều chất liệu khác nhau như inox, PVC và PP, mang lại độ bền và độ chính xác cao trong quá trình sử dụng.

Hình ảnh 1 5 Cảm biến dạng phao đo on/off

Hình ảnh 1 6 Cảm biến dạng phao tuyến tính

Nguyên tắc hoạt động của hệ thống on/off là khi mức dung môi thấp, phao cạn (on) sẽ kích hoạt rơle đóng công tắc để bật motor bơm Quá trình này tiếp tục cho đến khi dung môi trong bồn đạt mức cao (hoặc đầy), lúc này phao báo đầy (off) sẽ ngắt rơle và tắt motor bơm, ngưng hoạt động.

Cảm biến mức tuyến tính hoạt động dựa trên sự thay đổi điện trở, với tín hiệu đầu ra là 4-20mA Cụ thể, tại mức nước thấp nhất, cảm biến cung cấp tín hiệu 4mA, trong khi ở mức nước cao nhất, tín hiệu đạt 20mA Hai mức tín hiệu này thường được sử dụng để điều khiển rơle, đóng hoặc ngắt motor bơm dung môi và nước, nhằm báo hiệu tình trạng đầy hoặc cạn cho các ứng dụng.

Mực nước ảnh hưởng đến trạng thái hoạt động của phao, quyết định việc mở hoặc đóng Khi có sự thay đổi, tín hiệu điện sẽ được gửi đến bộ giám sát hoặc động cơ để cảnh báo và kiểm soát mức nước hiệu quả.

+ Phao báo mức đã được phát minh từ rất lâu, nên được ứng dụng rộng rãi và rất phổ biến từ đời sống đến công nghiệp

+ Giá thành phải nói là rẻ so với các loại cảm biến khác, nên được dùng nhiều + Cơ cấu đơn giản, dễ sử dụng, thay thế

+ Lắp đặt đơn giản, dễ dàng

+ Độ sai số nằm trong khoảng chấp nhận được với các ứng dụng không cần độ chính xác cao

+ Công nghệ cũ, lạc hậu, lỗi thời

+ Không dùng cho ứng dụng cần độ chính xác cao được

+ Khó bảo trì, nếu hư hỏng hoặc sai số thì chỉ có thay mới

+ Thiếu độ nhạy, hay độ nhạy không cao do sử dụng cơ cấu cơ là chủ yếu

+ Độ bền kém, khi sử dụng trong môi trường khắc nghiệt

Tùy vào từng trường hợp, môi trường và nhiệt độ khác nhau, việc lựa chọn loại cảm biến mực nước phù hợp là rất quan trọng Cảm biến này có ưu điểm là hoạt động hiệu quả trong các không gian hẹp và có khả năng chịu nhiệt độ cao.

Vai trò của bài toán điều khiển mức chất lỏng trong thực tế

Bài toán điều khiển mức đóng vai trò quan trọng trong việc đo lường mức độ của nhiều loại vật liệu, bao gồm chất rắn, chất lỏng, chất sệt và mặt cách ly Trong số đó, việc điều khiển mức chất lỏng được ứng dụng rộng rãi trong thực tế, đáp ứng nhu cầu quản lý và giám sát hiệu quả trong các ngành công nghiệp khác nhau.

Sản xuất nông nghiệp đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát mức nước cho thủy điện và hệ thống cấp thoát nước phục vụ trồng cây Đồng thời, việc điều khiển mực nước trong các bể, hồ nuôi trồng thủy hải sản cũng rất cần thiết, đặc biệt là đối với các công ty chế biến thủy hải sản.

Trong ngành công nghiệp, việc sản xuất rượu bia và các loại chất lỏng đóng chai đóng vai trò quan trọng, đồng thời cần xác định mức chất lỏng trong các bình chứa, bồn và tháp Ngoài ra, các ứng dụng này còn được sử dụng trong ngành dệt may, xử lý nước thải, phát điện và vận hành nồi hơi.

Phương án thiết kế

Sau khi nghiên cứu tài liệu về tự động hóa và các mô hình giám sát mức chất lỏng trong khu chung cư, nhóm đã quyết định áp dụng công nghệ giám sát mức chất lỏng cho đề tài "Thiết kế mô hình hệ thống và giám sát mức chất lỏng trong bể chứa ở khu chung cư sử dụng PLC S7-1200".

Nhóm đã chọn phương án thiết kế này do tính dễ lắp đặt và thi công, cùng với chi phí lắp đặt thấp hơn so với các phương án khác Các phương án thay thế thường đòi hỏi nhiều thiết bị và vật liệu khó tìm, với giá thành cao Mô hình cơ bản này không chỉ phù hợp với nguyên lý ứng dụng thực tế mà còn đảm bảo tính thẩm mỹ và sự gọn gàng.

Mô hình nhóm chi được thiết kế với mục đích học hỏi và mô phỏng hệ thống giám sát mức chất lỏng trong thực tế Các thiết bị trong mô hình này chủ yếu phục vụ cho việc học tập và nghiên cứu, chưa thể áp dụng trực tiếp vào thực tiễn.

Phương pháp thiết kế mô hình giám sát mức chất lỏng trong khu chung cư gồm các phần chính như sau

+ Sử dụng các thanh nhóm định hình để cố định phần khung của bể chứa và cảm biến

+ Sử dụng các vít để cố định các thiết bị trên mô hình

+ Sử dụng các ổng nhựa để kết nối các phần bơm của mô hình

+ Sử dụng nguồn điện 220v ,nguồn tổ ong 24v và 12v

+ Phần xử lí tín hiệu và điều khiển của hệ thống

+ Sử dụng PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC để lập trình điều khiển quá trình hoạt động của mô hình

+ Cảm biến siêu âm: dùng để đo mức nước trong bể chứa và đồng thời hiện thị thông qua LED 7 đoạn

+ Phao điện: dùng để đo mức nước cao thấp và chống cháy bơm,và chống tràn + Van: dùng để xả nước khi các bể đạt mức cao

+ Nguồn 12v: dùng để điều khiển máy bơm

+ Nguồn 24v: là nguồn chính dùng để cấp nguồn cho toàn bộ các thiết bị điện của toàn bộ hệ thống

Toàn bộ các thiết bị điện của hệ điều khiển và giám sát mức chất lỏng được bố trí và lắp đặt trong tủ điện có kích thước 300x400x200 cm

GIỚI THIỆU VỀ PLC S7-1200

Tổng quan về PLC

PLC (Bộ điều khiển logic lập trình) là thiết bị điều khiển có khả năng lập trình, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua ngôn ngữ lập trình Người dùng có thể lập trình PLC để thực hiện nhiều trình tự và sự kiện khác nhau PLC hoạt động bằng cách quét các trạng thái I/O, với mỗi chu trình quét được gọi là scan Thiết bị này được sử dụng để thay thế các mạch relay cồng kềnh và phức tạp trong thực tế.

2.1.2 Cấu trúc cơ bản của PLC

+ CPU: thực hiện chương trình và chứa dữ liệu cho điều khiển các quá trình tự động

+ Nguồn cấp điện (Power supply)

+ Các đầu vào/ra hệ thống (Inputs/Outputs)

+ Các cổng truyền thông (Communications Port)

+ Các đèn trạng thái (Status light)

2.1.3 Module vào/ra của PLC được phân loại

+ Tương tự (Continuous/Analog Signals)

+ Tín hiệu ra từ các loại cảm biến: số và tương tự

+ Khóa chuyển mạch (Switch): đóng mở cơ khí Tín hiệu logic

+ Potentiometer: đo vị trí góc dùng điện trở Tín hiệu liên tục

+ Relay: DC và AC Thời gian đáp ứng ≥ 10ms Ứng dụng khi yêu cầu dùng lớn hoặc điện trở tải rất nhỏ

+ Triac: AC Thời gian đáp ứng < 1ms

Hình ảnh 2 1 Sơ đồ các loại mạch điện đầu ra PLC

Vùng chứa chương trình ứng dụng: chia thành 3 miền

- OB1 (Organisation Block): chứa chương trình tổ chức, chương trình chính

Subroutine là một chương trình con được cấu trúc dưới dạng hàm, sử dụng biến hình thức để trao đổi dữ liệu Chương trình này sẽ được thực thi khi có lệnh gọi trong OB1.

Ngắt là một hàm có khả năng trao đổi dữ liệu với bất kỳ khối dữ liệu nào khác Chương trình sẽ được thực hiện khi sự kiện ngắt xảy ra.

Vùng chứa tham số của hệ điều hành: I, Q, M, T, C Vùng chứa các khối dữ liệu

DB (Data Block): miền chứa dữ liệu được tổ chức thành khối

L (Local Data Block) là miền dữ liệu địa phương, nơi các khối chương trình ứng dụng tổ chức và sử dụng để quản lý các biến tức thời cũng như trao đổi dữ liệu với các khối chương trình khác.

Hình ảnh 2 2 Cấu trúc bộ nhớ PLC

2.1.5 Chu kỳ quét và thời gian quét PLC

Hình ảnh 2 3 Vòng quét CPU PLC + Đọc các đầu vào (Reading the inputs)

+ Thực hiện chương trình (Executing the program)

+ Thực hiện các yêu cầu truyền thông (Processing any communications requests)

+ Thực hiện tự chuẩn đoán (Executing the CPU self-test diagnostics)

+ Truyền dữ liệu ra (Writing to the outputs)

- Bộ đệm I/O (I, Q) không liên quan đến các cổng I/O analog Các lệnh truy nhập đến cổng tương tự phải truy nhập trực tiếp từ cổng I/O vật lí:

+ Các thanh ghi vào/ra ảo

+ Lấy mẫu tất cả các đầu vào và cố định các giá trị đó

+ Cho phép xử lí nhanh hơn

- Bộ đệm ảo có tính linh hoạt (truy nhập theo các bit, byte, word, double word) + Thời gian vòng quét không cố định (Scan time)

+ Scan time quyết định tính thời gian thực của chương trình

+ Các chương trình ngắt không phụ thuộc vào Scan time Chương trình ngắt phải gọn nhẹ để nâng cao tính thời gian thực cho hệ thống

2.1.6 Ngôn ngữ lập trình PLC

Ladder Logic (LAD): là phương pháp lập trình hình thang, thích hợp trong ngành điện công nghiệp

Ladder Logic (LAD) and Statement List (STL) are two programming languages used in industrial automation STL resembles Assembly language with its line-by-line coding approach, making it suitable for computing applications.

Hình ảnh 2 5 Ngôn ngữ lập trình Statement List (STL)

Function Block (FBD): là phương pháp lập trình theo sơ đồ khối, thích hợp cho ngành điện tử số

Hình ảnh 2 6 Ngôn ngữ lập trình Function Block (FBD)

Các chương trình cho S7 – 1200 phải luôn có một chương trình chính (Main Program)

Nếu có sử dụng chương trình con (Subroutine) và chương trình xử lí ngắt (Interrupt) thì được viết tiếp sau chương trình chính

Hình ảnh 2 7Tổ chức chương trình PLC

2.1.8 Ưu điểm và nhược điểm của PLC

+ Khả năng lập trình mở

+ Gọn nhẹ, dễ dành tích hợp vào các hệ thống

+ Chi phí lắp đặt thấp, giá thành phù hợp

+ Người sử dụng không cần có kiến thức sâu về mạch điện tử như vi điều khiển vẫn có thể khai thác dễ dàng

Được thiết kế cho môi trường công nghiệp, sản phẩm này có khả năng chống nhiễu, chịu ẩm và hóa chất Điện áp làm việc và khả năng ghép nối hoàn toàn tương thích với tiêu chuẩn công nghiệp.

+ Được thiết kế để có thể kết nối với nhau tạo thành mạng công nghiệp hoặc kết nối với Internet dễ dàng

+ Phần mềm lập trình có giao diện và ngôn ngữ đồ họa dễ nhớ, dễ học

+ Có các phần mềm giao diện giám sát trên máy tính được thiết kế chuyên nghiệp giao tiếp truyền thông hoàn toàn ẩn với người sử dụng

+ Giá thành phần cứng cao, một số hãng phải mua thêm phần mềm để lập trình + Đòi hỏi người sử dụng phải có trình độ chuyên môn nhất định

2.1.9 Ứng dụng và các hãng sản xuất PLC

PLC được sử dụng phổ biến trong cả lĩnh vực dân dụng và công nghiệp Từ thiết bị máy móc đến dây chuyền sản xuất, PLC đóng vai trò quan trọng và không thể thiếu trong các tủ điều khiển.

PLC thường được đặt ở trung tâm điều khiển, tùy thuộc vào quy mô dự án

Trong hệ thống SCADA, đặc biệt là trong DCS, các module thu thập dữ liệu từ xa được sử dụng để ghi nhận các tín hiệu I/O và thực hiện điều khiển tại cấp trường.

Hiện nay, sự phát triển của công nghiệp yêu cầu các bộ PLC phải liên tục nâng cấp và cải thiện khả năng truyền thông giữa các bộ điều khiển, từ cấp trên xuống cấp trường và giữa các PLC Do đó, các chuẩn truyền thông công nghiệp ngày càng phong phú và xuất hiện nhiều tiêu chuẩn mới, tiên tiến hơn.

Các hãng sản xuất PLC thông dụng ở thị trường Việt Nam: Siemens, Mitsubishi, Delta, Keyence,

Giới thiệu về PLC S7-1200

Hình ảnh 2 8 PLC S7-1200 Năm 2009, Siemens ra dòng sản phẩm S7 - 1200 dùng để thay thế cho S7 - 200

So với S7 - 200 thì S7 - 1200 có những tính năng nổi trội:

S7-1200 là dòng bộ điều khiển logic lập trình (PLC) lý tưởng cho nhiều ứng dụng tự động hóa Với thiết kế nhỏ gọn, chi phí hợp lý và bộ lệnh mạnh mẽ, S7-1200 cung cấp giải pháp tối ưu cho các nhu cầu tự động hóa hiện đại.

S7 - 1200 là một thiết bị tích hợp bao gồm microprocessor, nguồn cung cấp và các đầu vào/ra (DI/DO) Nó được trang bị nhiều tính năng bảo mật nhằm bảo vệ quyền truy cập vào CPU và chương trình điều khiển.

S7 - 1200 được trang bị cổng PROFINET, hỗ trợ các chuẩn Ethernet và TCP/IP, cho phép kết nối linh hoạt Ngoài ra, bạn có thể mở rộng khả năng truyền thông bằng cách sử dụng các module kết nối RS485 hoặc RS232.

Phần mềm Step 7 Basic được sử dụng để lập trình cho S7-1200, hỗ trợ ba ngôn ngữ lập trình chính là FBD, LAD và SCL Phần mềm này được tích hợp sẵn trong TIA Portal của Siemens, giúp tối ưu hóa quá trình lập trình và quản lý hệ thống tự động hóa.

Để thực hiện một dự án với S7-1200, bạn chỉ cần cài đặt TIA Portal, vì phần mềm này tích hợp cả môi trường lập trình cho PLC và thiết kế giao diện HMI.

Việc phân loại S7-1200 dựa vào loại CPU mà nó trang bị Các loại PLC thông dụng: CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1214C

Thông thường S7-200 được phân ra làm 2 loại chính:

Ngõ vào: Kích hoạt mức 1 ở cấp điện áp +24VDC (từ 15VDC – 30VDC) Ngõ ra: Relay

+ Dùng ngõ ra Relay Do đó có thể sử dụng ngõ ra ở nhiều cấp điện áp khác nhau

(có thể sử dụng ngõ ra 0V, 24V, 220V…)

Mặc dù có nhiều ưu điểm, nhưng nhược điểm của thiết bị này là thời gian đáp ứng chậm do sử dụng ngõ ra Relay, điều này không phù hợp cho các ứng dụng biến điệu độ rộng xung hoặc yêu cầu tốc độ đầu ra cao.

 Loại cấp điện áp 24VDC:

Ngõ vào: Kích hoạt mức 1 ở cấp điện áp +24VDC( từ 15VDC – 30VDC) Ngõ ra: transistor

+ Dùng ngõ ra transistor Do đó có thể sử dụng ngõ ra này để biến điệu độ rộng xung, Output tốc độ cao…

Một nhược điểm của loại transistor này là chỉ hỗ trợ một cấp điện áp duy nhất là 24VDC, điều này gây khó khăn trong các ứng dụng yêu cầu nhiều cấp điện áp khác nhau Để khắc phục vấn đề này, cần sử dụng một Relay 24VDC làm đệm.

Bảng 2 1 Các đặc điểm cơ bản của S7-1200 Đặc trưng CPU 1211C CPU 1212C CPU 1214C

Tốc độ xử lý ảnh 1024 bytes

Module giao tiếp 3 (left-side expansion)

Bộ đếm tốc độ cao trạng thái đơn trang thái đôi

Thẻ nhớ Simatic (tùy chọn)

Thời gian lưu trữ khi mất điện 240H 240H 240H

Tốc độ thực thi phép toán số thực

Tốc độ thi hành 0.1us 0.1us 0.1us

Hình ảnh 2 9 Hình dạng bên ngoài của PLC

1 - Chế độ hoạt động của các ngõ I/O;

2 - Chế độ hoạt động của PLC

- Các đèn báo trên CPU:

+ STOP/RUN (cam/xanh): CPU ngừng/đang thực hiện chương trình đã nạp vào bộ nhớ

+ ERROR (màu đỏ): màu đỏ ERROR báo hiệu việc thực hiện chương trình đã xảy ra lỗi

+ MAINT (Maintenance): led cháy báo hiệu việc có thẻ nhớ được gắn vào hay không

+ LINK: Màu xanh báo hiệu việc kết nối với tính thành công

+ Rx/Tx: Đèn vàng nhấp nháy báo hiệu tín hiệu được truyền

Đèn xanh Ix.x tại cổng vào cho biết trạng thái hiện tại của cổng này, phản ánh tín hiệu theo giá trị của công tắc.

Đèn xanh ở cổng Qx.x (đèn xanh) cho biết trạng thái tức thời của cổng này Nó báo hiệu trạng thái tín hiệu dựa trên giá trị logic của cổng Qx.x.

Cũng giống như các PLC cùng họ khác, PLC S7-1200 gồm 4 bộ phận cơ bản: bộ xử lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao tiếp xuất/nhập

Hình ảnh 2 10 Cấu trúc bên trong PLC

Bộ xử lý trung tâm (CPU) hay còn gọi là bộ xử lý, đảm nhiệm vai trò quan trọng trong việc biên dịch các tín hiệu đầu vào và thực hiện các hoạt động điều khiển dựa trên chương trình được lưu trữ trong bộ nhớ của PLC Nó cũng truyền đạt các quyết định dưới dạng tín hiệu đến các thiết bị xuất.

Bộ nguồn có vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi điện áp AC thành điện áp DC 24V, cung cấp năng lượng cần thiết cho bộ xử lý và các mạch điện trong các module giao tiếp nhập và xuất hoạt động hiệu quả.

Bộ nhớ là nơi lưu trữ chương trình được sử dụng cho các hoạt động điều khiển dưới sự kiểm soát của bộ vi xử lý

Các thành phần nhập và xuất (input/output) đóng vai trò quan trọng trong việc truyền nhận thông tin giữa bộ nhớ và các thiết bị ngoại vi Tín hiệu nhập có thể được thu thập từ các công tắc, bộ cảm biến, trong khi thiết bị xuất có thể bao gồm cuộn dây của bộ khởi động động cơ và các van solenoid.

Chương trình điều khiển được nạp vào bộ nhớ nhờ sự trợ giúp của bộ lập trình hay bằng máy vi tính

Chúng ta có thể cung cấp nguồn 24VDC hay 100 – 230VAC cho PLC:

Nguồn cung cấp cho PLC là 100 – 230VAC với tần số từ 47Hz – 63Hz Điện áp có thể thay đổi trong khoảng từ 85V – 264V Ở 264V dòng điện tiêu thụ là 20A

Nguồn cung cấp là 24VDC Điện áp có thể thay đổi trong khoảng 20.4V - 28.8V Ở 28.8V dòng điện tiêu thụ là 12A

Các ngõ vào của PLC hoạt động với điện thế tiêu biểu 24VDC, trong đó ngõ ra ở mức 0 khi công tắc hở hoặc điện áp ≤ 5VDC, và ở mức 1 khi công tắc đóng hoặc điện áp ≥ 15VDC Thời gian chuyển trạng thái giữa các mức này là yếu tố quan trọng cần lưu ý.

“0” tối thiểu là 0.1us để PLC nhận biết được

Các ngõ ra của thiết bị có thể là 5VDC đến 30VDC hoặc 5VAC đến 250VAC Tùy thuộc vào nhu cầu thực tế, người dùng có thể kết nối nguồn khác nhau để phù hợp với ứng dụng cụ thể.

Hình ảnh 2 11 Các module mở rộng

PLC S7-1200 có khả năng mở rộng với tối đa 8 module tín hiệu đa dạng và 1 mạch tín hiệu cho bộ xử lý Bên cạnh đó, người dùng có thể cài đặt thêm 3 module giao tiếp thông qua các giao thức truyền thông.

Bảng 2 2Thông số các Module

Module Ngõ vào Ngõ ra Ngõ vào / ra

Analog 4 x Analog 2 x Analog 4 x Analog/2 x Analog

Module giao tiếp (CM): RS485, RS232

2.2.6 Phương pháp lập trình điều khiể n

Kết luận chương

Nhóm chúng em quyết định sử dụng PLC S7-1200 để điều khiển mô hình, nhờ vào những ưu điểm nổi bật của nó Phần mềm TIA Portal sẽ được sử dụng để lập trình, với giao diện thân thiện và dễ nhớ, cùng ngôn ngữ LAD theo dạng hình thang dễ học PLC cũng được trang bị cổng Analog Input, phù hợp cho việc đọc tín hiệu từ cảm biến.

GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM TIA PORTAL

Tổng quan về phần mềm TIA Portal

Ban Tự động hóa Công nghiệp Siemens đã ra mắt phần mềm tự động hóa đầu tiên trong ngành công nghiệp, mang tên Totally Integrated Automation Portal (TIA Portal) Phần mềm này cung cấp một môi trường duy nhất cho tất cả các tác vụ trong quy trình tự động hóa, giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu sự phức tạp trong quản lý hệ thống.

Phần mềm lập trình này cho phép người dùng nhanh chóng phát triển và tích hợp các hệ thống tự động hóa, giúp tiết kiệm thời gian trong việc xây dựng ứng dụng từ các phần mềm riêng lẻ.

TIA Portal là phần mềm chủ chốt để tích hợp các phần mềm lập trình của Siemens, cho phép chia sẻ cơ sở dữ liệu và tạo sự thống nhất trong giao diện Tất cả các thiết bị như bộ điều khiển PLC, màn hình HMI và bộ truyền động của Siemens đều được lập trình và cấu hình trên TIA Portal, giúp giảm thời gian thiết lập truyền thông giữa các thiết bị.

3.1.1 Các bước thiết kế một chương trình

Hình ảnh 3 1 Các bước thiết kế chương trình

3.1.2 Giao diện chính phần mềm SIMATIC TIA Portal

Phần mềm SIMATIC TIA Portal chạy hệ điều hành Windows, phần mềm làm nhiệm vụ trung gian giữa người lập trình và PLC

Hình ảnh 3 2 Giao diện chính phần mềm SIMATIC TIA Portal

3.1.3 T ạo một Project mới và giao diện soạn thảo chương trình chính Để tạo một project mới ta thực hiện theo các bước sau: Từ giao diện chính của phần mềm, chọn Start/Create new project/Create/Create a PLC program/Main

Lúc này vùng soạn thảo chương trình dưới dạng Ladder

Hình ảnh 3 3 Vùng soạn thảo chương trình

3.1.4 Các thanh công cụ thường dùng

Hình ảnh 3 4 Thanh công cụ

3.1.5 Các phần tử tập lệnh thường dùng

Hình ảnh 3 5 Các lệnh chuyển đổi, timer

Hình ảnh 3 6 Các lệnh logic,so sánh

Hình ảnh 3 7 Các lệnh counter, toán học

3.1.6 N ạp chương trình cho PLC Để nạp chương trình xuống PLC chúng ta thực hiện các bước sau:

To set up a PLC, start by selecting "Add new device" from the main editing interface and choose the type of PLC Next, select "online access" to obtain the IP address needed to connect the PLC to your computer.

Để chọn PLC ở chế độ STOP, bạn cần vào menu chính và chọn Online/STOP hoặc nhấp chuột trái vào biểu tượng trên thanh công cụ Sau đó, một hộp thoại xác nhận sẽ xuất hiện, bạn chỉ cần chọn Yes để xác nhận chế độ STOP cho PLC.

Từ menu chính chọn Online/Download to device hoặc click trái chuột lên biểu tượng từ thanh công cụ để nạp chương trình xuống PLC

Hình ảnh 3 8 Nạp chương trình cho PLC

3.1.7 Giao tiếp giữa máy tính và PLC

Do PLC có hỗ trợ sẵn dây cáp nối với máy tính nên ta chỉ cần nối PLC với máy tính PC qua dây cáp:

Hình ảnh 3 9 Kết nối máy tính và PLC

Giới thiệu về WinCC

WINCC, viết tắt của Windows Control Center, là phần mềm giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu cho hệ thống tự động hoá trong sản xuất Để đáp ứng yêu cầu điều khiển của hệ thống SCADA, việc sử dụng bộ điều khiển lập trình riêng lẻ cần được kết hợp với các bộ hiển thị HMI (Giao Diện Người Máy).

Trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp, WINCC là phần mềm HMI chuyên dụng của Siemens, giúp quản lý, thu thập dữ liệu và điều khiển quy trình sản xuất WinCC cung cấp giao diện đồ họa trực quan, cho phép người vận hành dễ dàng theo dõi và điều khiển các hoạt động sản xuất.

WinCC cung cấp cho người vận hành khả năng theo dõi hoạt động sản xuất thông qua hình ảnh đồ họa trên màn hình máy tính, đồng thời cho phép thực hiện các thao tác điều khiển trực tiếp đối với quy trình sản xuất.

Với WinCC, người dùng có khả năng trao đổi dữ liệu trực tiếp với nhiều PLC từ các hãng khác nhau như Mitsubishi, Allen Bradley, và Siemens thông qua cổng COM chuẩn RS-232 của máy tính kết nối với chuẩn RS-485 của PLC WinCC cũng hỗ trợ thiết kế giao diện điều khiển Người - Máy (HMI) và mạng SCADA hiệu quả.

Nhà thiết kế đồ họa trong chương trình WinCC cho phép thực hiện các chức năng mô phỏng và tương tác dễ dàng với các đối tượng đồ họa, bao gồm Windows, I/O và các thuộc tính động.

Alarm Logging là quá trình hiển thị thông báo và cảnh báo trong khi hệ thống hoạt động, cho phép nhận diện thông tin từ các quy trình, hiển thị, hồi đáp và lưu trữ chúng Ngoài ra, Alarm Logging còn hỗ trợ phát hiện nguyên nhân của các lỗi xảy ra trong hệ thống.

Tag Logging: Thu thập, lưu trữ và xuất ra dưới nhiều dạng khác nhau từ các quá trình đang thực thi

Report Designer: Tạo ra các thông báo, kết quả Và các thông báo này được lưu dưới dạng nhật ký sự kiện

User Achivers cho phép người dùng lưu trữ dữ liệu từ ứng dụng và trao đổi thông tin với các thiết bị khác Trong WinCC, người dùng có thể soạn thảo, lưu trữ và sử dụng các công thức và ứng dụng trong hệ thống một cách hiệu quả.

Ngoài ra, WinCC còn kết hợp với Visual C++, Visual Basic tạo ra một hệ thống tinh vi và phù hợp cho từng hệ thống tự động hóa chuyên biệt

WinCC cung cấp giao diện Người và Máy (HMI) giúp kết nối con người với thiết bị thông qua hình ảnh, số liệu và sơ đồ Hệ thống tự động hóa này cho phép người dùng vận hành và theo dõi từ xa, đồng thời cung cấp tính năng cảnh báo và báo động khi xảy ra sự cố.

WinCC là chương trình thiết kế giao diện Người Máy Nó thực sự cần thiết cho các hệ thống tự động hóa cao và hiện đại

3.2.2 Giao diện làm việc WinCC

Hình ảnh 3 10 Giao diện WinCC

Working area: Mỗi đối tượng có một vùng soạn thảo của chính nó, được gọi là vùng làm việc

Property window: Đối tượng đơn có thể tìm thấy trong khung project, vùng soạn thảo được mở sau khi double click

Tools window: Nơi chứa tất cả các đối tượng có thể đặt trên màn hình

Thuộc tính window: Chỉ biểu diễn tuỳ thuộc vào thuộc tính của đối tượng được chọn

Output window: Chỉ ra các tin nhắn chuẩn đoán, ví dụ lỗi khi biên dịch project Connection, hay screen màn hình hiển thị đối tượng,

Hình ảnh 3 11 Màn hình khi kết nối WinCC và PLC

Thiết lập dự án WinCC cơ bản

3.3.1 T ạo project cho dự án

Mở phần mềm TIA Portal (version V14)

+ Bước 1: chọn Create New Project

+ Bước 2: Điền thông tin trong tab create new project : tên dự án, chọn địa chỉ lưu file, chọn version, tên người sở hữu, comment

Hình ảnh 3 12 Tạo mới một Project

3.3.2 Thêm thiết bị cho Project

Add controller: Phần mềm TIA Portal v14 hỗ trợ các bộ điều khiển của siemens như SIMATIC S7 300, S7 400, S7 1200, S7 1500, SIMATIC ET 200 CPU với đầy đủ các dòng CPU khác nhau

Hình ảnh 3 13 Thêm thiết bị PLC cho Project Chọn Add PC systems

Chọn Tab SIMATIC HMI application -> WinCC RT Professional

Hình ảnh 3 14Tạo WinCC cho Project Add module truyền thông cổng Profinet/Etherne t

Hình ảnh 3 15 Thêm module truyền thông

3.3.3 K ết nối giữa PLC và PC systems Ở Tab Devices & Networks tiếp tục nhấn chọn tab Network View Để kết nối ethernet ở tab Network: dùng chuột kích một cổng Ethernet của PLC kéo thả qua cổng Ethernet của PC systems như sau:

Hình ảnh 3 16 Kết nối PLC và PC systems Để kết nối Profibus ở tab Connections: cũng tương tự như kết nối Ethernet

Hình ảnh 3 17 Kết nối Profibus

3.3.4 T ạo giao diện cho WinCC

Mở cửa sổ màn hình tạo giao diện cho WinCC: trong tab PC Sation nhấn chọn HMI_RT (wincc_rt_professional) tiếp tục chọn tab Screens -> Add new screen

Hình ảnh 3 18 Giao diện của WinCC

- Các options chính để tạo giao diện.

Tạo một đối tượng trong màn hình giao diện ta kích chuột vào đối tượng giữ và kéo đối tượng vào vùng màn hình giao diện

+ Basic objects: các đối tượng cơ bản

+ Graphics: Các đối tượng đồ họa mô phỏng tương đối đầy đủ cho các hệ thống dây chuyền hiện nay như động cơ, van, ống, bồn chứa, sensor,

Trong hệ thống SCADA, WinCC sử dụng các Tag để truyền thông số giữa các thiết bị phần cứng PLC như cảm biến và hệ thống vận hành Các Tag này có vai trò quan trọng trong việc đồng bộ hóa dữ liệu giữa thiết bị PLC và các thành phần điều khiển trong WinCC, bao gồm cả giao diện đồ họa điều khiển Tag chứa các giá trị thực như mức nước trong thùng và trạng thái của các van (đóng/mở), cũng như các giá trị tính toán cục bộ hoặc mô phỏng trong WinCC.

Mở và tạo các HMI tags: Trong tab PC station [SIMATIC PC station] -> chọn tab RUN RT [wincc RT Professional] -> chọn HMI tags

Show all tags: hiển thị tất cả các tags có trong HMI tags

Tạo bảng tags mới trong HMI tags: chọn Add new tag table

+ Name: tạo tên cho các thiết bị phần cứng

+ Tag table: chọn bảng lưu cho từng tag

+ Data type: chọn kiểu dữ liệu cho từng tag (bool, int, dword, read,…)

+ Connection: chọn đường liên kết giữa từng tag HMI với PLC

+ PLC name: chọn PLC để tag HMI liên kết

+ PLC tags: chọn từng tag PLC liên kết với từng tag HMI

+ Address: chọn địa chỉ cho từng tag

+ Access mode: chọn chế độ truy cập

+ Logged/Synchronization: chọn ghi nhật ký/chọn đồng bộ hóa

+ Source comment: nguồn bình luận

+ Comment: bình luận cho từng tag

3.3.6 Hiệu chỉnh giao diện và các đối tượng trong giao diệ n Để hiệu chỉnh từng đối tượng trong giao diện ta thực hiện như sau:

Để chỉnh sửa đối tượng, bạn cần kích chọn đối tượng đó và nhấn chuột phải chọn "Properties" hoặc sử dụng tổ hợp phím Alt + Enter Trong bảng "Object Properties", bạn sẽ thấy các thông số liên quan đến đối tượng như màu sắc, hình thức hiển thị, kích thước và vị trí Ngoài ra, bảng này cũng cho phép bạn liên kết đến các Tag, thông báo hiển thị, hoặc kết nối với một hàm viết bằng C-Action hoặc VBS, kèm theo các giá trị thời gian để cập nhật thông số cho đối tượng.

Hình ảnh 3 19 Hiệu chỉnh giao diện và các đối tượng Tab Properties dùng để hiệu chỉnh: kích cỡ, kích thước, màu sắc, bảo vệ, cho đối tượng

Hình ảnh 3 20 hiệu chỉnh: kích cỡ, kích thước, màu sắc, bảo vệ

Tab Animations để tạo tag liên kết giữa HMI và PLC, các đặc tính, trưng bày, chuyển động cho đối tượng

Hình ảnh 3.21 mô tả các hoạt động của Tab Animations Để điều khiển các đối tượng đồ họa, người xây dựng hệ thống có thể sử dụng ngôn ngữ lập trình ANSI-C hoặc VBS để tạo ra các hàm độc lập, hoặc thông qua các sự kiện kích hoạt từ các đối tượng đồ họa và các Tag.

Hiển thị các giá trị của quá trình

Hiển thị các thông số mực nước cần bơm, mực nước thực tế

Các đèn báo On, Off, Auto, E-Stop

Hiển thị mô phỏng bể chứa chất lỏng và mức chất lỏng

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT MỨC CHẤT LỎNG TRONG BỂ CHỨA Ở KHU DÂN CƯ DÙNG PLC S7-1200

Yêu cầu công nghệ của hệ thống

Mô hình này chú trọng đến yếu tố an toàn môi trường và toàn cầu, với nút E-Stop nhằm đảm bảo an toàn cho hệ thống và con người trong trường hợp sự cố xảy ra Đồng thời, mô hình cũng phù hợp với xu hướng cung cấp nước tại các thành phố lớn hiện nay, đảm bảo hoạt động chính diễn ra ổn định.

Mô hình hoạt động theo 2 chế độ:

- Chế độ tự động (Auto)

- Chế độ điều khiển bằng tay (Manual)

Các chế độ này được lựa chọn bằng công tắc

 Chế độ điều khiển bằng tay : Khóa điều khiển sang vị trí MANUAL

+ Nhấn nút BƠM 1: động cơ BƠM 1 hoạt động, đèn BƠM 1 sáng

+ Nhấn nút VAN 1: van điện từ mở ra, đèn VAN 1 sáng

+ Nhấn nút VAN 2: van điện từ mở ra, đèn VAN 2 sáng

+ Nhấn nút E-STOP: cả hệ thống ngừng hoạt động Cụ thể van điện từ đóng lại, động cơ bơm ngừng bơm, đèn báo E-STOP nhấp nháy

Nếu nước dự trữ còn thì đèn NƯỚC DỰ TRỮ sáng, ngược lại nếu hết nước dự trữ, đèn NƯỚC DỰ TRỮ sẽ nhấp nháy

Quá trình điều khiển và giám sát được thực hiện trên WinCC, nơi người dùng có thể tương tác với các nút điều khiển Khi tác động vào các nút này, hệ thống sẽ hoạt động tương tự như khi nhấn nút cơ.

 Chế độ tự động: Khóa điều khiển sang vị trí AUTO

+ Van điện từ 1, 2 đóng động cơ BƠM 1,2,3 dừng, đèn VAN 1, 2 & đèn BƠM 1,2,3 tắt

Hệ thống kiểm tra mức nước trong bồn dự trữ sử dụng tín hiệu từ cảm biến phao gửi về PLC để điều khiển hoạt động Khi mức nước trong bồn đạt ngưỡng thấp 8cm, PLC sẽ ngừng hoạt động của động cơ BƠM 1, tắt đèn BƠM 1 và làm cho đèn báo NƯỚC DỰ TRỮ sáng nhấp nháy.

Khi mức nước trong bồn dự trữ vượt ngưỡng thấp (> 8cm), PLC sẽ kiểm tra trạng thái mức nước trong bồn chứa tổng (bể trên) thông qua tín hiệu từ cảm biến siêu âm.

1 gửi về PLC để điều khiển hệ thống như sau:

+ Nếu mức nước ở bồn chứa tổng đạt ngưỡng cao (18 cm) thì PLC điều khiển dừng động cơ BƠM 1, đèn BƠM 1 tắt

Khi mức nước trong bồn chứa tổng xuống dưới ngưỡng 6cm, PLC sẽ kích hoạt động cơ BƠM 1, làm cho đèn BƠM 1 sáng lên Đồng thời, BƠM 2 và BƠM 3 sẽ ngừng hoạt động, và đèn của chúng cũng sẽ tắt.

+ Tín hiệu cảm biến mức nước ở bồn chứa tổng tương ứng 6cm – 14cm (30 – 70%) thì động cơ BƠM 1 hoạt động 100 % công suất

+ Tín hiệu cảm biến mức nước ở bồn chứa tổng tương ứng 14cm – 18cm (70 – 100%) thì động cơ BƠM 1 hoạt động 50% công suất

Khi mức nước trong bồn chứa tổng vượt ngưỡng thấp (> 6cm), PLC sẽ kiểm tra trạng thái mức nước trong bồn chứa 1 và 2 thông qua tín hiệu từ cảm biến siêu âm 2 và 3 Tín hiệu này được gửi về PLC để điều khiển hệ thống một cách hiệu quả.

+ Nếu mức nước ở bồn chứa 1, 2 đạt ngưỡng thấp (4cm) thì PLC điều khiển động cơ BƠM 2, 3 hoạt động, đèn BƠM 2, 3 sáng Trong quá trình bơm nước:

+ Tín hiệu cảm biến mức nước ở bồn chứa 1, 2 tương ứng 4cm – 12cm (33,33 – 50%) thì động cơ BƠM 2, 3 hoạt động 100 % công suất

+ Tín hiệu cảm biến mức nước ở bồn chứa 1, 2 tương ứng 12cm – 16cm (50 – 100%) thì động cơ BƠM 2, 3 hoạt động 50% công suất

Khi mức nước trong bồn chứa 1 và 2 đạt ngưỡng cao (16 cm), PLC sẽ ngừng hoạt động của động cơ BƠM 2 và 3, đồng thời tắt đèn BƠM 2 và 3 Van điện từ 1 và 2 sẽ mở ra, làm sáng đèn VAN 1 và 2, cho phép nước trong bồn chứa 1 và 2 được xả ra cho đến khi mức nước giảm xuống ngưỡng thấp (4 cm) Khi đó, van điện từ 1 và 2 sẽ đóng lại, tắt đèn VAN 1 và 2, và quá trình hoạt động của hệ thống sẽ tiếp tục lặp lại.

Sơ đồ khối hệ thống

Hình ảnh 4.1 Sơ đồ khối hệ thống

+ Khối nguồn: có chức năng cung cấp điện cho khối điều khiển, khối đầu vào, khối chấp hành, khối cách ly

+ Khối điều khiển:có chức năng nhận tín hiệu từ khối đầu vào và xử lý để điều khiển khối chấp hành

+ Khối đầu vào:có chức năng đưa tính hiệu từ cảm biến để đưa vào khối điều khiển xử lý

+ Khối chấp hành: có chức năng thực hiện các công việc mà khối điều khiển phân công

+ Khối cách ly: có chức năng cách li giữa khối điều khiển và khối chấp hành, để đảm bảo an toàn cho hai khối này.

Lựa chọn thiết bị trong hệ thống

Các loại nguồn được sử dụng trong mô hình gồm: 24 VDC, 12 VDC

Hình ảnh 4 2 Khối nguồn Thông số kĩ thuật:

• Điện áp đầu vào: 220VAC

• Điện áp đầu ra: 24VDC – 2A, 12VDC – 2A

Khối đầu vào bao gồm các thành phần chính như cảm biến siêu âm, cảm biến mức nước dạng phao, nút nhấn thả (On, Off), nút nhấn dừng khẩn cấp (E – Stop) và công tắc chuyển chế độ.

Sử dụng Arduino để lập trình và đo khoảng cách bằng cảm biến siêu âm, sau đó xuất tín hiệu Analog (0 – 5V) cho PLC đọc và giám sát Đồ án này ứng dụng cảm biến siêu âm nhằm đo mức nước trong bồn chứa.

Hình ảnh 4 3 Cảm biến siêu âm HC-SR04 và Arduino Nano Thông số kĩ thuật cảm biến siêu âm:

• Điện áp hoạt động: 5VDC

• Chân tín hiệu: Echo, Trigger

• Tần số phát sóng: 40Khz

• Khoảng cách đo được: 2 – 450cm (điều kiện bình thường: 2 – 100cm)

• Sai số: 0.3cm (khoảng cách càng gần, bề mặt vật thể càng phẳng sai số càng nhỏ)

• Kích thước: 43mm x 20mm x 17mm

Thông số kĩ thuật Arduino:

• Điện áp cấp: 5VDC cổng USB hoặc 6-9VDC chân Vin

• Mức điện áp giao tiếp GPIO: 5VDC

• Số chân Digital: 14 chân, trong đó có 6 chân PWM

 Cảm biến mức nước dạng phao:

Cảm biến mức nước dạng phao On/Off được sử dụng để PLC xác định mức nước trong bồn chứa Khi bồn hết nước, PLC sẽ ngăn chặn động cơ bơm hoạt động, và khi bồn còn nước, động cơ bơm sẽ được phép hoạt động Điều này giúp bảo vệ động cơ bơm khỏi hư hỏng do hoạt động khi không có nước.

Hình ảnh 4 4 Cảm biến mức nước dạng phao loại On/Off Thông số kĩ thuật:

• Chất liệu: Thép không gỉ

Hiển thị trạng thái làm việc của các thiết bị trong mô hình

Hình ảnh 4 5 Đèn báo Thông số kĩ thuật:

Sinh viên Nguyễn Ngọc Hiếu, dưới sự hướng dẫn của ThS Phan Thị Thanh Vân, đã thực hiện kiểm tra hoạt động của động cơ bơm nước bằng cách sử dụng chế độ điều khiển bằng tay (Manual) với hai nút nhấn On/Off.

Hình ảnh 4 6 Nút nhấn thả có đèn báo Thông số kĩ thuật:

• Điện áp định mức: 660VAC/15VDC

 Nút nhấn dừng khẩn cấp:

Trong quá trình vận hành các chế độ, nếu gặp rủi ro hoặc sự cố, hãy nhấn nút dừng khẩn cấp để ngừng toàn bộ hoạt động của mô hình Sau khi đã kiểm tra xong, xoay nút nhấn theo chiều kim đồng hồ để khôi phục hoạt động trở lại.

Hình ảnh 4 7 Nút nhấn dừng khẩn cấp Thông số kĩ thuật:

• Điện áp định mức: 220VAC – 4.5A/15VDC – 0.6A

 Công tắc chuyển chế độ:

Mô hình hệ thống điều khiển và giám sát mức chất lỏng trong bể chứa khu dân cư sử dụng PLC S7-1200 cho phép chuyển đổi dễ dàng giữa chế độ tự động và chế độ điều khiển bằng tay chỉ bằng cách xoay công tắc chọn chế độ theo ý muốn.

Hình ảnh 4 8 Công tắc chuyển đổi chế độ Thông số kĩ thuật:

• Điện áp định mức: 220VAC – 4.5A/15VDC – 0.6A

Sử dụng PLC S7 – 1200 đển lập trình, điều khiển và giám sát mô hình này

Sử dụng các Relay trung gian để cách li giữa khối điều khiển và khối chấp hành, để đảm bảo an toàn cho hai khối này

Hình ảnh 4 10 Relay trung gian

• Điện áp cuộn dây: 24VDC

• Dòng điện định mức của tiếp điểm: 5A

• Điện áp định mức tiếp điểm: 240VAC/28VDC

Khối chấp hành bao gồm: động cơ bơm nước, van điện từ

Sử dụng động cơ 12 VDC để bơm nước từ bồn dự trữ lên bồn chứa nước

Hình ảnh 4 11 Động cơ bơm nước Thông số kĩ thuật:

• Dòng điện định mức tối đa: 1000 mA

• Tốc độ dòng chảy tối đa: 800 L/H

• Độ cao bơm nước tối đa: 5m

• Nhiệt độ nước tối đa: 100°C

Sử dụng van điện 24 VDC để đóng ngắt dòng nước

Hình ảnh 4 12 Van điện từ Thông số kĩ thuật:

• Loại van: Van điện từ một chiều

• Điện áp định mức: DC24V

• Dòng điện định mức: 220 mA

• Sử dụng chất lỏng: Nước (0 - 55°C)

• Sử dụng áp lực nước: 0.02-0.8Mpa

Sơ đồ tổng quan toàn hệ thống

Hình ảnh 4 13 Sơ đồ tổng quan hệ thống

Sơ đồ nối dây điều khiển của PLC

Bảng 4 1 Bảng phân công đầu vào đầu ra

Tên Địa chỉ Ghi chú

Phao %I0.2 Cảm biến mức dạng phao on/off

Bơm 3 %I0.3 Nút nhấn bật bơm 3

Van 2 %I0.6 Nút nhấn mở Van 2

Van 1 %I0.7 Nút nhấn mở Van 1

Mô hình hệ thống điều khiển và giám sát mức chất lỏng trong bể chứa tại khu dân cư sử dụng PLC S7-1200 bao gồm các thành phần quan trọng như đèn E-Stop (%Q0.0) và đèn báo E-Stop, đèn Auto (%Q0.1) cùng đèn báo Auto, đèn nước dự trữ (%Q0.2) với đèn báo nước dự trữ, đèn Van 1 (%Q0.3) và đèn báo Van 1 mở, đèn Van 2 (%Q0.4) cùng đèn báo Van 2 mở Hệ thống cũng có đèn Bơm 1 (%Q0.5) và đèn báo Bơm 1 hoạt động, đèn Bơm 2 (%Q0.6) với đèn báo Bơm 2 hoạt động, đèn Bơm 3 (%Q0.7) và đèn báo Bơm 3 hoạt động Cuối cùng, hệ thống có đèn Start (%Q1.0) và đèn báo Start, đèn Stop (%Q1.1) cùng đèn báo Stop, đảm bảo việc giám sát và điều khiển hiệu quả.

Cảm biến siêu âm 1 %IW64 Đầu vào Analog cảm biến siêu âm

 Bản vẽ thiết kế tủ điện

Hình ảnh 4 14 Hình vẽ thiết kế tủ điện

Sơ đồ đấu dây của tủ điện

Hình ảnh 4 15 Sơ đồ đi dây tủ điện

Xây dựng chương trình điều khiển trên PLC S7 – 1200

Hình ảnh 4 16 Giản đồ thời gian

Giản đồ thời gian cho biết quá trình hoạt động của các thiệt bị trong mô hình hệ thống ở hai chế độ Manual và Auto

 Lưu đồ chọn chế độ

Chọn chế độ: Start=1: mức có tích cực; Start=0: mức Không tích cực

Hình ảnh 4 17 Lưu đồ chọn chế độ

Khi sử dụng lưu đồ Manual, việc nhấn nút cho động cơ bơm 1, 2, 3 và van 1, 2 sẽ kích hoạt hoạt động của các động cơ và van tương ứng, đồng thời các đèn báo sẽ sáng lên Ngược lại, nếu không nhấn đúng, các thiết bị này sẽ không hoạt động.

MNBDT: Mức nước bể dự trữ,

MNBCT: Mức nước bể chứa tổng;

MNBC1,2: Mức nước bể chứa 1,2

Hình ảnh 4 18 Lưu đồ Auto

4.7.3 Chương trình điều khiển: Đề tài: “Thiết kế mô hình hệ thống điều khiển và giám sát mức chất lỏng trong bể chứa ở khu dân cư dùng PLC S7-1200” được lập trình điều khiển bằng PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC trên phần mềm Tia portal V16 Chương trình điều khiển gồm có chương trình Main Trong chương trình Main gồm có các chương trình con như: chương trình Khởi động, chương trình Manual, chương trình Auto

Xây dựng giao diện điều khiển trên WinCC

4.8.1 Các đối tượng đồ h ọa trong project

Các đèn báo sẽ phát sáng với các màu sắc khác nhau khi có sự tác động, giúp người giám sát dễ dàng nhận biết tình trạng hoạt động của hệ thống.

- E_STOP: đèn hiển thị thông báo màu đỏ khi nút nhấn khẩn cấp bị tác động

- AUTO: đèn hiển thị màu xanh khi chuyển switch sang chế độ auto và ngược lại chế độ manual thì đèn auto sẽ tắt

- NƯỚC DỰ TRỮ: khi bồn dữ trữ có nước thì đèn báo hiển thị liên tục màu vàng và khi bồn hết nước đèn nhấp nháy màu vàng

- BƠM và VAN: đèn sẽ hiển thị màu xanh khi van và bơm được bật và trở lại trạng thái bàn đầu khi tắt

Hình ảnh 4 19 Các đèn báo trong WinCC

Chế độ AUTO và MANUAL là hai tùy chọn hoạt động của hệ thống Khi chọn chế độ AUTO, hệ thống sẽ hoạt động tự động, trong khi chế độ MANUAL yêu cầu người dùng điều khiển bằng tay.

Trong chế độ MANUAL, người dùng có thể điều khiển hệ thống bằng các nút BƠM_1, BƠM_2, BƠM_3, VAN_1 và VAN_2 để bật tắt bơm và van Đặc biệt, để đảm bảo an toàn, nút E_STOP được thiết kế để dừng khẩn cấp hệ thống khi gặp sự cố.

Hình ảnh 4 20 Các nút điều khiển trong WinCC

 Các dạng ống nước và các Van:

Các ống nước và van điện từ sẽ chuyển thành màu xanh thông báo khi có nước chảy qua và trở lại như ban đầu khi không có nước

Hình ảnh 4 21 Ảnh các ống nước và van nước

 Các cảm biến được dùng:

Hệ thống sử dụng hai loại cảm biến: cảm biến siêu âm ở bể nước điều khiển để đo và hiển thị mức nước, và cảm biến phao ở bể dự trữ để phát hiện tình trạng có nước hoặc không có nước.

Hình ảnh 4 22 Các bể nước

 Động cơ bơm nước và bể chứa nước:

- Động cơ: sẽ chuyển sang màu xanh để hiển thị thông báo khi động cơ được bật và trở về như hiện trạng ban đầu khi tắt động cơ

- Bể nước: mức nước sẽ dịch chuyển lên xuống để hiển thị mức nước hiện tại trong bể chứa

Hình ảnh 4 23 Động cơ và bể nước

4.8.2 Giao diện tổng quan màn hình WinCC

Hình ảnh 4 24 Giao diện hoàn chỉnh của mô hình trong WinCC

Mô phỏng hệ thống

Hình ảnh 4 25 Mô phỏng hệ thống

Hình ảnh 4 26 Giao diện wincc

Vận hành mô hình hệ thống thực tế và đánh giá thực nghiệm

Hình ảnh 4 27 Mô hình thực tế Sau khi hoàn thiện mô hình và chạy thử mô hình, nhóm chúng em xin tự đánh giá về mô hình:

+ Mô hình đã hoạt động giống như yêu cầu đã đặt ra, hoạt động ổn định

+ Điều khiển được các chế độ, WinCC ổn định

+ Hiển thị chính xác các trạng thái đèn báo

+ Cảm biến siêu âm còn có độ nhạy khá cao dẫn đến sai số lớn khi thực hiện chương trình đọc giá trị từ cảm biến.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Ngọc Hiếu Người hướng dẫn: ThS Phan Thị Thanh Vân 65 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC HIỆN CỦA ĐỀ TÀI

Nhờ sự hỗ trợ nhiệt tình của cô Phan Thị Thanh Vân và nỗ lực không ngừng của cả nhóm, chúng em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp mang tên “Thiết kế mô hình hệ thống và giám sát mức chất lỏng trong bể chứa ở khu chung cư sử dụng PLC S7-1200”.

Thiết kế mô hình trên phần mềm kết hợp với việc chạy thực tế đã giúp sinh viên nắm vững kiến thức chung về hệ thống điều khiển và giám sát mức chất lỏng trong khu chung cư Việc thực hiện trên mô hình không chỉ tiện lợi mà còn giúp sinh viên chủ động tiếp cận, làm quen với nguyên lý hoạt động và dễ dàng khắc phục sự cố Mô hình còn chú trọng đến yếu tố môi trường và toàn cầu hoá, đảm bảo vận hành tự động, ổn định và không gây ảnh hưởng đến môi trường xung quanh Đặc biệt, nhóm cũng quan tâm đến vấn đề an toàn bằng cách sử dụng nút dừng khẩn cấp để ngắt toàn bộ hệ thống khi xảy ra sự cố bất ngờ.

+ Hoàn thành đồ án và những vấn đề giáo viên hướng dẫn đưa ra đúng hạn

+ Thiết kế và lắp đặt thành công mô hình

+ Lập trình chạy đúng yêu cầu đặt ra

+ Tìm hiểu được cách sử dụng PLC S7-1200

+ Mô hình hệ thống hoạt động ổn định và chính xác

+ Giao diện điều khiển và giám sát bên wincc chính xác

 Hướng phát triển đề tài

+ Cần thêm bơm nước phụ

+ Lắp đặt thêm cảm biến áp suất trong các ống dẫn chất lỏng

+ Giám sát mức nước và đo lưu lượng đi qua van

[1] Công ty TNHH Công nghệ Đo lường BFF Cảm biến đo mức chất lỏng https://congnghedoluong.com/cam-bien-do-muc-chat-long/

[2] Công ty TNHH Kĩ thuật Tự động Hưng Phát TOP cảm biến mực nước không tiếp xúc https://huphaco.vn/top-cam-bien-muc-nuoc-khong-tiep-xuc/

[3] Tài liệu PLC Siemens S7 1200 tiếng Việt https://plctech.com.vn/tai-lieu-plc-siemens-s7-1200-tieng-viet/

[4] Trần Văn Hiếu TỰ ĐỘNG HOÁ PLC S7 – 1200 VỚI TIA PORTAL, NXB Khoa học và Kĩ thuật

[5] Tài liệu WinCC https://plctech.com.vn/tai-lieu-wincc/

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Ngọc Hiếu Người hướng dẫn: ThS Phan Thị Thanh Vân

Tiêu đề	Thiết Kế Mô Hình Hệ Thống Điều Khiển Và Giám Sát Mức Chất Lỏng Trong Bể Chứa Ở Khu Dân Cư Dùng PLC S7 1200
Tác giả	Nguyễn Ngọc Hiếu, Bùi Hữu Nhã
Người hướng dẫn	ThS. Phan Thị Thanh Vân
Trường học	Đại học Đà Nẵng
Chuyên ngành	Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Thể loại	Đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2022
Thành phố	Đà Nẵng

Định dạng
Số trang	90
Dung lượng	4,11 MB