BM01QT05DT KT pdf BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Tự động Điều Khiển Nhiệt Độ Tháp Giải Nhiệt Sử Dụng Biến Tần NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HOÁ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TS LÊ QUANG ĐỨC Sinh viên thực hiện MSSV Lớp Lâm Chí Trung 1711050102 17DTDA1 Nguyễn Hoàng Sơn 1711050202 17DTDA1 TP Hồ Chí Minh, tháng 9 năm 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Tự động Điều Khiển Nhiệt Độ Tháp Giải Nhiệt Sử Dụng.
Tính cấp thiết của đề tài
Với nhu cầu sản xuất ngày càng tăng, việc cải thiện năng suất là rất cần thiết Hệ thống máy móc hoạt động liên tục với cường độ cao sẽ sinh ra nhiệt, điều này có thể làm giảm tuổi thọ của máy móc và dẫn đến giảm năng suất làm việc.
Tình hình nghiên cứu
Môi trường và vấn đề nóng lên toàn cầu đang thu hút sự chú ý của toàn thế giới, dẫn đến nhu cầu cấp thiết về việc sử dụng năng lượng một cách tiết kiệm và hiệu quả.
Mục đích nghiên cứu
Nhằm đưa ra giải pháp để tiết kiệm chi phí, năng lượng và giúp cho việc giám sát, báo cáo, thống kê rõ ràng và dễ dàng hơn.
Nhiệm vụ nghiên cứu
Tìm hiểu thực tế
✓ Tóm tắt các vấn dề kỹ thuật, kinh tế, vận hành chính trong hệ thống tháp giải nhiệt
✓ Tóm tắt giải pháp không sử dụng với giải pháp sử dụng biến tần điều khiển quạt dùng cho việc điều khiển nhiệt độ tháp giải nhiệt
✓ So sánh, đánh giá ưu điểm, nhược điểm về tiêu thụ điện năng của hai giải pháp trên.
Đề xuất giải pháp sử dụng trong đồ án tốt nghiệp
✓ Mô tả cấu hình của giải pháp lựa chọn, các thiết bị chính giải pháp lựa chọn
✓ Mô tả các chức năng điều khiển, bảo vệ, giám sát, report.
Thiết kế và thi công mô hình hệ thống điều khiển nhiệt độ tháp giải nhiệt, sử dụng biến tần, PLC, Scada
sử dụng biến tần, PLC, Scada
✓ Hệ thống mô phỏng tháp giải nhiệt gồm bồn, đường ống, tháp giải nhiệt
✓ Một quạt làm máy điều khiển bằng biến tần chế độ PID, 1 bơm
✓ Cảm biến nhiệt độ nước, relay mức nước bồn, tủ điều khiển, PLC, Scada
✓ Chế độ chạy tự động: Điều khiển tự động quạt bảo đảm ổn định nhiệt độ nước cấp
✓ Các chế độ chạy máy manual, chạy thử hệ thống
✓ Các tính năng bảo vệ: Bơm, động cơ, biến tần, sự cố nguồn điện, nguồn nước
Quản lý và giám sát hoạt động của hệ thống thông qua SCADA cho phép cài đặt và điều chỉnh các thông số quan trọng như trạng thái, điện áp, tốc độ, công suất tiêu thụ của biến tần, cũng như theo dõi các sự cố xảy ra.
✓ Report: Lập báo cáo hàng tháng trên Scada về số giờ chạy hàng ngày, công suất tiêu thụ điện, điện năng tiêu thụ, tổng số sự cố.
Phương pháp nghiên cứu
• Tham khảo tài liệu trên internet và hướng dẫn trên youtube về cách lập trình siemens
• Sử dụng phần mềm TIA PortalV15 để lập trình PLC Siemens S7_1200
• Phần mềm SCADA WinCC để giám sát
• Phần mềm DSE Lite lập trình cho biến tấn AC10.
Các kết quả đạt được của đề tài
✓ Vận hành hệ thống một cách tự dộng, chạy được 2 chế độ: Auto và Manual
✓ Giám sát và điều chỉnh được hầu hết các trạng thái hoạt động: nhiệt độ nước, điện áp, tốc độ, công suất tiêu thụ biến tần, sự cố…
✓ Giảm mức độ tiêu thụ điện của động cơ, giúp tiết kiệm điện hơn
✓ Có hệ thống bảo vệ sự cố nguồn điện, nguồn nước, báo tràn báo cạn
Kết cấu của đồ án tốt nghiệp
Chương 1: Giới thiệu đề tài
• Tóm tắt và tổng hợp các đặc tính kỹ thuật, nguyên lý hoạt động của tháp giải nhiệt
• Những nhiệm vụ cần thực hiện trong đề tại
Chương 2: Tổng quan giải pháp
• Nêu giải pháp không sử dụng với giải pháp sử dụng biến tần điều khiển quạt dùng cho việc điều khiển nhiệt độ tháp giải nhiệt
• So sánh đánh giá những ưu điểm, nhược điểm về tiêu thụ điện năng của hai giải pháp
Chương 3: Phương pháp giải quyết
• Mô tả cấu hình và nguyên lý hoạt động của phương án lựa chọn, nêu lý do tại sao chọn phương án này
• Giải thích nguyên lý hoạt động của Manual Mode và Auto Mode
• Mô tả các chức năng điều khiển, bảo vệ, giám sát của hệ thống
Chương 4: Thiết kế thí nghiệm, mô hình
• Thiết kế bản vẽ điện, vẽ lưu đồ thuật toán
• Tính toán chọn các thiết bị cơ khí và thiết bị điều khiển
Chương 5: Thi công thí nghiệm, mô hình
• Thiết kế hệ thống thấp giải nhiệt và chương trình mô phỏng
• Viết phần mềm điều khiển và giám sát hệ thống
• Chạy thử với các thiết bị điều khiển thật và chỉnh sửa
• Chạy thử với mô hình mô phỏng
Chương 6: Đánh giả kết quả, kết luận
• Những kết quả đạt được của đồ án tốt nghiệp, những đóng góp mang tính cải tiến , tính mới
TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƯỢNG CÔNG NGHỆ
1.1.1.Sơ lượt về hệ thống tháp giải nhiệt
Hình 1 1: Cấu tạo tháp giải nhiệt
Tháp giải nhiệt là thiết bị hiệu quả giúp giảm nhiệt độ của dòng nước bằng cách trích nhiệt và thải ra khí quyển thông qua quá trình bay hơi Nhờ vào cơ chế này, nước được làm mát đáng kể, mang lại hiệu suất cao hơn so với các thiết bị chỉ sử dụng không khí để loại bỏ nhiệt Việc sử dụng tháp giải nhiệt không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao hiệu quả làm mát.
1.1.2.Vai trò của hệ thống tháp giải nhiệt
Hiện nay, những chiếc tháp giải nhiệt mang trong mình nhiều ưu điểm nên được sử dụng ngày càng phổ biến
Tháp giải nhiệt đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì hiệu suất ổn định cho quá trình vận hành của máy móc Ở các khu công nghiệp, hệ thống máy móc hoạt động liên tục, dẫn đến việc nhiệt độ cao là điều không thể tránh khỏi Do đó, việc sử dụng tháp giải nhiệt là cần thiết để đảm bảo máy móc hoạt động hiệu quả và bền bỉ.
Nếu tình trạng dầu máy biến chất thường xuyên xảy ra, sẽ dẫn đến tăng độ ma sát giữa các chi tiết, gây hỏng hóc cho máy móc và làm gián đoạn quá trình vận hành, sản xuất Vì vậy, tháp làm mát đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng và hiệu suất của quá trình vận hành.
Hình 1 2: Sơ đồ hệ thống giải nhiệt dầu cho máy CNC
Tháp giúp gia tăng tuổi thọ của hệ thống máy móc, giảm thiểu sự cố, từ đó tiết kiệm chi phí cho việc sửa chữa và bảo trì máy.
Một số chức năng cụ thể của tháp giải nhiệt trong một số ngành nghề cụ thể như sau:
Ngành điện lạnh sử dụng tháp giải nhiệt cho hệ thống làm lạnh nước, phục vụ nhu cầu cho hệ thống điều hòa không khí, sản xuất nước đá và đông lạnh.
• Ngành nhựa: cho khả năng đảm bảo quá trình vận hành của máy ép nhựa, quá trình sản xuất bao bì,…
• Giải nhiệt cho các lò phản ứng của ngành công nghiệp hóa chất
• Làm nguội phôi thép, nhôm trong ngành luyện kim
• Làm mát máy phát điện, động cơ trong các nhà máy điện
• Hỗ trợ chế biến, bảo quản, cấp đông cho công nghiệp chế biến thủy hải sản
1.1.2.1.Hệ thống máy ép đùn nhựa
Hình 1 3: Hệ thống máy ép đùn nhựa
Mô hình hoạt động như sau:
• Bơm hút nước từ bồn nước lạnh, bơm vào bình bay hơi chiller
• Nước đầu ra bình bay hơi chiller chạy tuần hoàn vào bồn nước lạnh thành một chu kì nước lạnh kín
• Bơm hút nước từ bồn nước đã được làm lạnh (vì chiller chạy làm lạnh nước khoảng 15 phút), sau đó bơm vào khuôn máy ép nhựa
• Nước đầu ra từ khuôn máy ép nhựa sẻ làm lạnh khuôn và tuần hoàn trở lại bồn nước lạnh
• Và vòng tuần hoàn còn lại hút nước từ tháp giải nhiệt, bơm vào bình ngưng chiller Đầu ra tuần hoàn lại tháp giải nhiệt
1.1.3.Phương pháp làm giảm nhiệt độ của tháp giải nhiệt
Làm tăng diện tích tiếp xúc của nước khi chảy trên tấm giải nhiệt để giảm nhiệt độ nước
Sự bay hơi chiếm phần lớn và quan trọng nhất trong toàn bộ quá trình truyền nhiệt Nước bay hơi sẽ được giữ lại một phần ở tấm giải nhiệt
Hiệu quả của quá trình bay hơi phụ thuộc vào:
• Nhiệt độ, tốc độ gió
• Các yếu tố bên ngoài
Hình 1 4: Quá trình bay hơi
1.1.4.Phân loại tháp giải nhiệt
Trên thị trường hiện nay, có nhiều loại tháp giải nhiệt đa dạng, và chúng có thể được phân loại dựa trên các tiêu chí khác nhau.
Dựa vào công suất, khả năng làm mát của thép mà chúng ta có thể chia thành 2 loại:
Tháp giải nhiệt mini là thiết bị làm mát có công suất từ 5 RT đến 20 RT, phù hợp cho các khu công nghiệp quy mô nhỏ Với kích thước nhỏ gọn, những model này mang lại hiệu quả làm mát tối ưu cho các hệ thống cần giải nhiệt trong không gian hạn chế.
Tháp giải nhiệt công nghiệp có khả năng làm lạnh lên đến hàng trăm tấn, thậm chí một số model có thể đạt tới 1000RT Chính vì vậy, những thiết bị này thường được sử dụng trong các khu công nghiệp quy mô lớn với hệ thống máy móc phức tạp.
1.1.4.2.Theo hình dáng thiết kế
Dựa vào hình dáng thiết kế mà những chiếc tháp giải nhiệt sẽ được phân chia thành
Hình 1 5: Tháp giải nhiệt vuông và tròn
Tháp giải nhiệt tròn có thiết kế hình trụ tròn với các đường nét thép mềm mại và uyển chuyển Những mẫu tháp này thích hợp cho các hoạt động độc lập, nhưng khả năng tổ hợp liên kết không cao do đặc thù hình dáng của chúng.
Tháp giải nhiệt vuông có thiết kế hình khối chủ đạo với các đường nét dứt khoát, vuông vắn Điều này giúp tháp dễ dàng liên kết thành các tổ hợp làm mát, tối ưu hóa diện tích sử dụng một cách hiệu quả.
1.1.4.3.Theo nguyên lý vận hành
Dựa theo cách thức vận hành mà chúng ta cũng có thể chia tháp làm mát thành 2 loại khác nhau
Tháp giải nhiệt đối lưu tự nhiên
• Không sử dụng các thiết bị cơ học để làm thoát nhiệt ra ngoài
• Chúng hoạt động dựa trên điều kiện của khí quyển
• Chúng có thể chia làm 2 loại: tự nhiên và toán học
Hình 1 6: Tháp giải nhiệt đối lưu tự nhiên
Tháp giải nhiệt đối lưu cơ học được xác định bởi quạt tạo ra luồng không khí được chia làm 2 loại: o Tháp giải nhiệt đối lưu cưỡng bức
Quạt được sử dụng ở đáy tháp để đẩy luồng không khí ra
Hình 1 7: Tháp giải nhiệt đối lưu cưỡng bức o Tháp giải nhiệt đối lưu cảm ứng
Quạt được sử dụng ở đỉnh để hút không khí ra
Hình 1 8: Tháp giải nhiệt đối lưu cảm ứng
1.1.4.4.Theo cơ chế tuần hoàn nước
Theo như cơ chế tuần hoàn nước thì những chiếc tháp làm mát này sẽ được phân chia thành 3 loại khác biệt
Tháp giải nhiệt không tuần hoàn sử dụng nguồn nước không tái tuần hoàn, do đó, nước được sử dụng có giá thành thấp, thường lấy từ các nguồn như sông, hồ.
Tháp giải nhiệt tuần hoàn hở hoạt động bằng cách bù đắp lượng nước bị bay hơi bằng một lượng nước tương đương, dẫn đến sự biến thiên liên tục về chất lượng nước.
Tháp làm mát tuần hoàn kín giữ lại một phần nước trong quá trình làm mát, không loại bỏ nguồn nước ra ngoài Loại tháp này được thiết kế để duy trì một lượng nước cố định trong hệ thống ống dẫn, giúp tối ưu hóa hiệu suất làm mát và tiết kiệm nước.
1.1.5.Nguyên lý hoạt động của tháp giải nhiệt
Tháp giải nhiệt nước hoạt động theo nguyên lý luồng khí trực tiếp, với không khí di chuyển thẳng đứng xuống bồn nước Luồng khí này tiếp xúc với bề mặt của màng tháp, trong khi nước chảy xuống dưới nhờ trọng lực Quá trình này cho phép không khí lưu thông qua màng giải nhiệt và hòa quyện với không khí bên ngoài, tối ưu hóa hiệu quả làm mát.
Hình 1 9: Trình tự hoạt động của hệ thống tháp giải nhiệt
Nước nóng được phun thành tia và rơi xuống bề mặt tấm giải nhiệt, giúp lan tỏa nước ra diện tích rộng hơn, từ đó nâng cao hiệu quả làm mát.
Những nhiệm vụ cần thực hiện trong đồ án tốt nghiệp
• Tóm tắt các vấn dề kỹ thuật, kinh tế, vận hành chính trong hệ thống tháp giải nhiệt
• Tóm tắt giải pháp không sử dụng với giải pháp sử dụng biến tần điều khiển bơm dùng cho việc điều khiển nhiệt độ tháp giải nhiệt
• So sánh, đánh giá ưu điểm, nhược điểm về tiêu thụ điện năng của hai giải pháp trên
1.2.2.Đề xuất giải pháp sử dụng trong đồ án tốt nghiệp
• Mô tả cấu hình của giải pháp lựa chọn, các thiết bị chính của giải pháp lựa chọn
• Mô tả các chức năng điều khiển, bảo vệ, giám sát, report
1.2.3.Thiết kế và thi công mô hình hệ thống điều khiển nhiệt độ tháp giải nhiệt, sử dụng biến tần, PLC, Scada
• Hệ thống mô phỏng tháp giải nhiệt gồm bồn, đường ống, tháp giải nhiệt
• Một quạt làm máy điều khiển bằng biến tần chế độ PID, 1 bơm
• Cảm biến nhiệt độ nước, relay mức nước bồn, tủ điều khiển, PLC, Scada
• Chế độ chạy tự động: Điều khiển tự động quạt bảo đảm ổn định nhiệt độ nước cấp
• Các chế độ chạy máy manual, chạy thử hệ thống
• Các tính năng bảo vệ: Bơm, động cơ, biến tần, sự cố nguồn điện, nguồn nước
Quản lý và giám sát hoạt động hệ thống thông qua SCADA là rất quan trọng, giúp theo dõi các thông số chính như trạng thái, điện áp, tốc độ, công suất tiêu thụ của biến tần, cũng như phát hiện và xử lý sự cố kịp thời.
• Report: Lập báo cáo hàng tháng trên Scada về số giờ chạy hàng ngày, công suất tiêu thụ điện, điện năng tiêu thụ, tổng số sự cố
Tổng quan
Tháp giải nhiệt đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghiệp và thương mại, với sự lựa chọn cấu hình phù hợp tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng và chi phí đầu tư Việc áp dụng biến tần để kiểm soát tốc độ động cơ quạt không chỉ nâng cao hiệu suất hệ thống mà còn tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí bảo trì, đặc biệt hiệu quả cho các hệ thống lớn với nhiều tháp giải nhiệt.
2.1.1.Giải pháp không sử dụng biến tần
Hình 2 1: Giải pháp không sử dụng biến tần
Nhiệt độ nước làm mát tại tháp giải nhiệt thường dao động từ 32-37°C Trong các hệ thống không sử dụng biến tần, motor quạt giải nhiệt hoạt động liên tục ở tốc độ tối đa 50Hz, ngay cả khi nhiệt độ nước không cao Điều này không chỉ dẫn đến việc tiêu tốn điện năng mà còn làm giảm tuổi thọ của motor, dễ gây hư hỏng.
2.1.2.Giải pháp sử dụng biến tần
Khác với phương pháp giải nhiệt vòng hở, quạt trong hệ thống vòng kín có thể được điều chỉnh tốc độ nhờ cảm biến nhiệt độ (T1) tại đầu ra của tháp Ở môi trường có nhiệt độ thấp, quạt hoạt động với tốc độ chậm, chỉ cần cung cấp một lượng không khí tối thiểu Ngược lại, khi nhiệt độ môi trường tăng cao, quạt sẽ tăng cường lưu lượng không khí, hoạt động với công suất tối đa để đáp ứng nhu cầu làm mát.
Hình 2 2: Giải pháp sử dụng biến tần điều khiển quạt
2.1.2.1.Sử dụng biến tần điều khiển tốc độ quạt
Biến tần là thiết bị quan trọng trong việc điều chỉnh tốc độ quạt gió, giúp duy trì lượng gió cần thiết cho việc giải nhiệt của tháp Nó có khả năng tăng tốc độ quạt lên trên 60Hz khi cần thiết và được trang bị bộ điều khiển hiệu quả để giữ nhiệt độ nước ổn định sau quá trình giải nhiệt Trong hệ thống sử dụng biến tần, cảm biến nhiệt độ gửi tín hiệu về bộ điều khiển, từ đó tín hiệu analog được truyền đến biến tần để điều chỉnh tốc độ motor, đảm bảo nhiệt độ nước đạt yêu cầu Quá trình này diễn ra êm ái, giúp quạt quay nhanh hoặc chậm tùy theo tín hiệu nhiệt độ, từ đó giảm thiểu lãng phí điện năng.
Khi nhiệt độ môi trường giảm xuống mức thấp trong thời gian dài, biến tần sẽ tự động chuyển sang chế độ ngủ, giúp ngừng hoạt động của motor quạt và tiết kiệm đáng kể điện năng.
2.1.3.So sánh, đánh giá ưu nhược điểm của hai giải pháp
2.1.3.1.Giải pháp không sử dụng biến tần Ưu điểm
Hệ thống này là giải pháp phổ biến nhất, nổi bật với khả năng mở rộng về công suất và cấu hình đa dạng Đặc biệt, chi phí đầu tư ban đầu hợp lý cùng với hiệu quả năng lượng cao là những ưu điểm chính của nó.
Nhược điểm của hệ thống không sử dụng biến tần là motor quạt giải nhiệt hoạt động liên tục và luôn chạy ở tốc độ tối đa 50Hz, ngay cả khi nhiệt độ nước không cao Điều này dẫn đến việc tiêu tốn điện năng và làm giảm tuổi thọ của motor.
2.1.3.2.Giải pháp có sử dụng biến tần Ưu điểm:
Khi động cơ 3 pha hoạt động với điện lưới ở tần số 50Hz, nó đạt công suất tối đa 100% tại cốt ra Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, một phần công suất không được sử dụng hết và gây lãng phí Việc lắp biến tần giúp điều chỉnh tần số ngõ ra ở mức phù hợp, đảm bảo đủ công suất cần thiết Phần trăm công suất không sử dụng được điều chỉnh bởi biến tần cũng chính là lượng điện năng tiêu thụ được tiết kiệm.
Bảng 2 1: Những đặt diểm và lợi ích của việc sử dụng biến tần Đặc điểm Lợi ích
Tốc độ thay đổi -Lưu lượng gió phù hợp với nhu cầu thực tế
-Năng lượng quạt ít hơn 60% so với hệ thống tốc độ quạt không đổi
-Kiểm soát nhiệt độ chính xác
Hiệu quả cao -Giảm lượng nước bù vào cần thiết
-Công suất tiêu thụ của quạt phù hợp ở mọi tốc độ ở mức hiệu quả nhất
-Tạo điều kiện thuận lợi cho lập kế hoạch bảo trì Khởi động mềm -Giảm sự dao động điện áp do nhu cầu cao
-Tăng tuổi thọ của quạt
2.1.4.Phương pháp tiết kiệm điện của biến tần
Tốc độ đồng bộ (chưa tính đến độ trượt s) của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha được tính: n = 60f/p (vòng/phút) Trong đó:
➢ f – tần số lưới điện 50Hz (một số quốc gia trên thế giới có tần số 60Hz);
➢ p – số cặp cực từ trên stato động cơ
Bằng cách áp dụng công thức tính (n), biến tần được sử dụng để điều chỉnh tần số (f) tại nguồn cấp cho động cơ, từ đó thay đổi tốc độ động cơ nhằm đạt được giá trị mong muốn.
Thông số động cơ gồm công suất định mức Pđm = P1 = 30kW và số vòng quay định mức n1 = 2.960 vg/ph Khi điều chỉnh giảm tốc độ quạt xuống mức n2 = 2.500 vg/ph, công suất tiêu thụ sẽ giảm tương ứng.
Công suất tiêu thụ điện (kw) tỉ lệ với bậc 3 của tốc độ: P1/P2 = (n1/n2) 3
Nếu máy vận hành ở chế độ ít tải trong thời gian t h/ngày, điện năng có thể tiết kiệm được so với không dùng biến tần:
Để tính toán lượng điện năng tiết kiệm khi sử dụng biến tần, ta áp dụng công thức tổng quát: DA = (30 x 15) – (18 x 15) = 180KWH/ngày Việc này giúp xác định chính xác lượng điện năng tiết kiệm được.
• DA = Ađm – Abt (KWH/ngày)
➢ Ađm = Pđm x t là điện năng tiêu thụ khi không dùng biến tần (Kwh/ngày)
➢ Abt = % Pđm x % t là điện năng tiêu thụ khi động cơ điện điều khiển bằng biến tần (KWH/ngày)
➢ t là thời gian máy hoạt động trong ngày (h/ngày)
Trong ví dụ này, động cơ có thể hoạt động liên tục trong 15 giờ mỗi ngày, nhưng khi làm việc với các tốc độ khác nhau trong những khoảng thời gian khác nhau như t1 = 75% x 15, t2 = 60% x 15, t3 = 40% x 15, lượng điện tiết kiệm được sẽ cao hơn đáng kể.
Mô tả cấu hình và nguyên lý hoạt động
3.1.1.Lựa chọn phương án thiết kế
Hình 3 1: Mô hình lựa chọn cho thiết kế đồ án
Phương pháp thiết kế được lựa chọn phù hợp với ngành tự động hóa, áp dụng các kiến thức đã học Hệ thống được tối giản hóa các thiết bị nhằm tập trung vào phần điều khiển và các chức năng hoạt động chính.
Giải pháp sử dụng PLC để truyền thông với biến tần nhằm điều khiển động cơ quạt và giám sát qua SCADA là rất quan trọng Việc nắm vững kiến thức về PLC, biến tần, truyền thông và giám sát điều khiển SCADA không chỉ giúp hiểu rõ về các thiết bị này mà còn tạo điều kiện thuận lợi cho công việc trong ngành công nghiệp sau này.
PLC Siemens S7-1200: Là thiết bị điều khiển chính và giám sát hệ thông, truyền thông RS485 với biến tần để điều khiển và giám sát hệ thống trên SCADA
Biến tần AC10 giúp điều khiển tốc độ động cơ quạt và bảo vệ động cơ quạt tháp giải nhiệt Với việc sử dụng hàm PID, biến tần có thể hoạt động ở chế độ tự động Người dùng có thể lập trình và giám sát các thông số động cơ quạt thông qua phần mềm DSELite kết hợp với PLC.
Cảm biến nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong việc giám sát và xử lý tín hiệu analog từ biến tần và PLC, giúp hệ thống chạy tự động hiệu quả Động cơ 3 phase được lắp đặt trên đỉnh tháp giải nhiệt để hút hơi nóng ra ngoài, tăng cường quá trình trao đổi nhiệt Động cơ này được điều khiển bởi biến tần AC10, hoạt động ở chế độ manual với một tốc độ cố định Khi chuyển sang chế độ auto, quạt sẽ tăng tốc độ vòng quay khi nhiệt độ nước đầu ra vượt quá nhiệt độ setpoint; chênh lệch nhiệt độ càng lớn, quạt quay càng nhanh Ngược lại, khi nhiệt độ thấp hơn mức setpoint, tốc độ quạt sẽ giảm Đồng thời, động cơ bơm 1 phase với công suất nhỏ cũng hoạt động để bơm nước đến các thiết bị cần làm mát và đưa nước vào tháp giải nhiệt.
Hình 3 2: Nguyên lý hoạt động của Manual Mode
Hình 3 3: Nguyên lý hoạt động Auto Mode Ổn định nhiệt độ
Khi nhiệt độ phản hồi từ cảm biến nhiệt vượt quá mức setpoint, tần số đầu ra của PID sẽ tăng, giúp tăng tốc độ quạt để cải thiện quá trình trao đổi nhiệt, nhằm đưa nhiệt độ nước đầu ra trở về mức setpoint Ngược lại, nếu nhiệt độ dưới mức setpoint, tần số PID sẽ giảm để điều chỉnh tốc độ quạt.
Khi nhiệt độ nước đầu ra thấp hơn mức setpoint, tốc độ quạt sẽ giảm Khi nhiệt độ giảm đến mức cài đặt, tần số quạt sẽ giữ nguyên và bắt đầu đếm thời gian chờ để chuyển sang chế độ ngủ đông Nếu trong quá trình đếm, tần số quạt không tăng, quạt sẽ ngừng hoạt động sau khi hết thời gian Ngược lại, nếu nhiệt độ nước tăng lên và tần số PID output lớn hơn tần số cài đặt, quạt sẽ hoạt động trở lại.
Bảng 3 1: Bảng trình bày chức năng điều khiển
Chức năng Ý nghĩa Phương thức điều khiển
1 Manual Chạy, dừng Điều khiển chạy dừng động cơ chạy thử hệ thống
Truyền tốc độ Cài đặt tần số mục tiêu cho biến tần
Nhập giá trị tần số mục tiêu trên SCADA
2 Auto Tăng giảm tốc độ PID điều khiển tăng giảm tốc độ quạt bảo đảm nhiệt độ nước cấp
Nhập giá trị nhiệt độ setpoint, P, I, D
Ngủ đông Quạt ngừng hoạt động tiết kiệm điện năng
Nhập tần số chạy nhỏ nhất kích hoạt ngủ đông, thời gian chờ chuyển sang ngủ đông
Bảng 3 2: Bảng trình bày các chức năng bảo vệ
STT Chức năng bảo vệ Ý nghĩa Đơn vị thực hiện
1 Bảo vệ động cơ bơm Bảo vệ động cơ bơm khi có sự cố nguồn điện xảy ra
Khi xảy ra sự cố với động cơ quạt, biến tần sẽ ngừng hoạt động và thông báo lỗi về hệ thống SCADA Đèn báo lỗi màu vàng trên bảng điều khiển điện sẽ nhấp nháy, cho biết tình trạng bất thường của thiết bị.
3 Bảo vệ biến tần Ngắt mạch điện khi có sự cố xảy ra
3.1.3.3.Chức năng quản lý, giám sát
Bảng 3 3: Bảng trình bày chức năng quản lý và giám sát
STT Chức năng giám sát Ý nghĩa Thiết bị giám sát
Giám sát chạy dừng của hệ thống Đèn báo trên bảng tủ điện, màn hình HMI
2 Chế độ hoạt động Giám sát chế độ hoạt động Manual hoặc Auto Đèn báo trên bảng tủ điện, màn hình HMI
3 Nhiệt độ đầu ra tháp giải nhiệt
Theo dõi nhiệt độ nước sau khi xử lý
Màn hình bộ điều khiển nhiệt độ trên bảng tủ điện, màn hình HMI
4 Tốc độ động cơ Theo dõi tần số chạy động cơ
Màn hình biến tần, màn hình HMI
5 Điện năng tiêu thụ motor quạt
Giám sát điện năng tiêu thụ của motor quạt
Màn hình biến tần, màn hình HMI
6 Điện năng tiêu thụ trung bình motor quạt
Giám sát điện năng tiêu thụ motor quạt trong khoảng thời gian cài đặt
7 Điện năng tiêu thụ của biến tần
Theo dõi điện năng tiêu thụ của biến tần
8 Công suất tiêu thụ của biến tần
Theo dõi công suất tiêu thụ điện của biến tần
Giám sát nhiệt độ đầu ra của tháp so với nhiệt độ setpoint là một ứng dụng quan trọng của PID, giúp điều chỉnh và tối ưu hóa quá trình Đồng thời, việc theo dõi sự tăng giảm tần số động cơ so với tần số PID output thông qua đồ thị cũng đóng vai trò thiết yếu trong việc đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định và chính xác.
10 Sự cố Giám sát sự cố biến tần, motor quạt, tên lỗi Đèn vàng báo trên bảng tủ điện, màn hình HMI
3.1.3.4.Các tín hiệu điều khiển
Bảng 3 4: Bảng liệt kê các tín hiệu điều khiển
STT Thiết bị, tên Chức năng Địa chỉ
1 Cảm biến nhiệt độ Đo nhiệt độ nước đầu ra AI1 biến tần
2 Nút Start Chạy hệ thống DI0.0 PLC
3 Nút Stop Dừng hệ thông DI0.1 PLC
4 Nút Mode Auto Chuyển sang chế độ chạy tự động DI0.2 PLC
5 Nút Fault Reset Reset lỗi DI0.3 PLC
6 Đèn xanh lá Báo trạng thái hoạt động DQ0.0 PLC
7 Đèn xanh dương Báo chế độ hoạt động DQ0.1 PLC
8 Đèn vàng Báo lỗi DQ0.2 PLC
Thiết kế
4.1.1.1.Sơ đồ đấu nối mạch động lực
Sơ Đồ 4 1: Sơ đồ đấu nối mạch động lực
4.1.1.2.Sơ đồ đấu nối mạch điều khiển
Sơ Đồ 4 2: Sơ đồ đấu nối mạch điều khiển ngõ vào
Sơ Đồ 4 3: Sơ đồ đấu nối mạch điều khiển ngõ ra PLC
4.1.2.Lưu đồ thuật toán PLC
4.1.2.1.Lưu đồ thuật toán hệ thống hoạt động
Lưu Đồ 4 1: Lưu đồ thuật toán hệ thống hoạt động
4.1.2.2.Lưu đồ bảo vệ hệ thống
Lưu Đồ 4 2: Lưu đồ bảo vệ hệ thống
Tính chọn thiết bị
4.2.1.Chọn thiết bị cơ khí
4.2.1.1.Tháp giải nhiệt model 8RT
Tháp giải nhiệt model 8RT là giải pháp lý tưởng cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ, nhờ thiết kế mini và vật liệu nhựa composite nhẹ, thuận tiện cho việc vận chuyển Với giá thành hợp lý và dung tích nước thấp, sản phẩm này rất phù hợp cho việc thực hiện các đồ án.
Hình 4 1: Tháp giải nhiệt model 8RT
Hình 4 2: Chức năng các đường ống
[2] Lỗ thoát nước, chống cạn
[3] Đường nước vào chưa được xử lý nhiệt
[5] Đường nước ra sau khi xử lý nhiệt
Bảng 4 1: Bảng thông số kích thước tháp giải nhiệt Đường kính lỗ quạt hút 60 cm Đường kính bễ chứa của tháp 83cm
Chiều cao tổng tháp (bao gồm gắn động cơ) 157 cm
Chiều cao đế tháp 27cm
Chất liệu Nhựa Composite FRP và sợi thủy tinh
Hình 4 3: Bên trong tháp giải nhiệt Bảng 4 2: Bảng thông số đường ống khả năng hoạt động tháp giải nhiệt
Chiều dài ống dẫn nước nóng lên vòi phun 87cm Đường kính vòi phun nước nóng 27 cm (4 vòi)
Số vòng cuộn tấm giải nhiệt 20 vòng (2 cuộn) Đường kớnh ống dẫn nước vào 40 “ ứ
Lưu lượng dòng chảy 104 L/phút
Khả năng làm mát 31200 KCAL/HR
4.2.1.2.Motor quạt tháp giải nhiệt
Lựa chọn tháp giải nhiệt nhỏ nên động cơ đi chung công suất thấp, giúp cho việc lựa chọn biến tần có công suất thấp tiết kiệm chi phí
Hình 4 4: Động cơ và cánh quạt của tháp giải nhiệt Động cơ
Bảng 4 3: Bảng thông số động cơ quạt
Số cặp cực 6 pole Đường kính trục 20 mm
Bảng 4 4: Bảng thông số cánh quạt Đường kính cánh quạt 45 cm
Chất liệu nhựa tổng hợp
Máy bơm nước Shining SHP-370CE
Những ưu điểm khi lựa chọn:
• Phù hợp với lưu lượng dòng chảy của tháp (104 L/phút)
• Động cơ khỏe, vận hành ổn định
• Tiết kiệm tới 20% điện năng so với các máy bơm thông thường khác
• Thiết kế nhỏ gọn và bằng vật liệu cao cấp, bền bỉ
Hình 4 5: Động cơ bơm nước Shining SHP-370CE
Bảng 4 5: Bảng thông số động cơ bơm nước
Lưu lượng nước 100 lít/phút Đường kính họng xả 25 mm Đường kính họng hút 25 mm Độ hút sâu 8 m
Tốc độ vòng quay 2.900 vòng/phút
Lõi mô tơ Dây đồng
Kích thước sản phẩm 15cm x 26cm x 11cm
Sản xuất tại Việt Nam
• Chịu được các loại dung dịch axit, dung dịch kiềm
• Áp suất làm việc và nhiệt độ làm việc cho phép lên đến 45 °C, phù hợp với yêu cầu đưa ra của đồ án
Bao gồm: Ống nối ren
• Ống nối tăng ren ngoài 21/34 x2
• Ống nối giảm ren ngoài 49/34 x2
• Ống nối ren ngoài 34/34 và đầu bít
Hình 4 8: Ống nối giảm ren ngoài 49/34
Hình 4 9: Ống nối ren ngoài 34/34
40 Ống nước trơn: Ống nước phi 34 (6m)
Hình 4 10: Ống nước trơn phi 34
Trình tự nối ống bao gồm các bước như sau: Đầu tiên, ống nối giảm ren ngoài 49/34 được nối vào đầu in/out của tháp, sau đó đầu còn lại nối vào ống nối giảm từ 34 xuống 27 ren ngoài, với đầu 27 ren ngoài được kết nối trực tiếp vào 2 đầu máy bơm nước để tạo thành một vòng tuần hoàn Tiếp theo, ống nối tăng ren ngoài 21/34 được nối vào phao và lỗ chống tràn của tháp, trong khi đầu còn lại của ống nối phao gắn trực tiếp vào nguồn nước Đối với lỗ chống tràn, cần nối một đoạn ống phi 34 để ngăn chặn tình trạng tràn nước Cuối cùng, ống nối ren ngoài 34/34 và đầu bít được sử dụng để nối đầu chống cạn, chỉ áp dụng trong trường hợp vệ sinh bồn, với ống ren ngoài 34/34 nối vào tháp và đầu còn lại gắn đầu bít phi 34.
Vẽ mô phỏng trên AutoCAD ước lượng kích thước chọn tủ điện
Hình 4 11: Bản vẽ mô phỏng tủ điện AutoCAD
Lựa chọn tủ điện kích thước 40x50x20cm Biến tần Frame 1 chiều cao 135 mm do đó chọn tủ điện có chiều cao 20 cm
Hình 4 12: Tủ điện sắt 40x50x20cm
Vỏ tủ điện sắt được thiết kế để bảo vệ hiệu quả các thiết bị điện bên trong, đảm bảo chúng hoạt động tối ưu và an toàn cho người sử dụng trong môi trường gia đình.
Bảng 4 6: Bảng thông số kỹ thuật tủ điện
Chất liệu Sắt Độ dày ~ 0.3 – 0.4
Cánh cửa Cửa thường Đế bên trong Đế sắt
Màu sắc Màu xám, sơn tĩnh điện
Kích thước (cm) (Dài x Rộng x Cao) 40 x 50 x 20
4.2.2.Chọn thiết bị điều khiển
• Thiết bị mượn được bên ngoài, tiết kiệm chi phí thực hiện đồ án
• Thỏa các điều kiện của đề tài đồ án
• Ngoài kiến thức lập trình PLC Misubishi được biết thêm phương pháp lập trình PLC Siemens tạo cơ hội thuận lợi cho sau này
Modul truyền thông RS485 CM1241:
Modul CM1241 để giao tiếp truyền thông với biến tần
Thiết bị chính để điều khiển, được tích hợp sẵn với 14 ngõ vào DI 24V DC, ngõ ra DO 24V DC, 2 ngõ Analog AI tín hiệu 0-10V DC
Thiết bị mượn được bên ngoài, tiết kiệm chi phí thực hiện đồ án
Biến tần PARKER AC10 cung cấp giải pháp điều khiển tốc độ và moment xoắn cho động cơ với chi phí hợp lý Sản phẩm nổi bật với khả năng cài đặt đơn giản, hoạt động tin cậy và chế độ điều khiển Sensorless flux vector control Ngoài ra, biến tần này còn tích hợp vòng kín và V/Hz, cùng với cổng giao tiếp RS, mang lại sự tiện lợi cho người sử dụng.
485, điều khiển được động cơ 3 phase không đoòng bộ và động cơ 3 phase đồng bộ - PMAC Motor
The PARKER AC10 inverter comes equipped with built-in MACROs for various applications, including PID Control, Preset Speed Control, and Raise/Lower functions It supports logic and value calculations similar to PLCs and allows parameter settings via a keypad or the DSE Lite programming software.
Lựa chọn biến tần Frame 2 có thiết kế nhỏ gọn thuận tiện lắp đặt vào tủ điện và vận chuyển
Tính chọn biến tần: o Động cơ quạt tải nhẹ
Công suất biến tần (Pbt) = 110% x công suất động cơ (Pdc)
= 110% x 186 = 205 W => Chọn biến tần có công suất 0.4 KW
Hình 4 15: Catalog chọn công suất biến tần
Bảng 4 7: Bảng thông số kỹ thuật biến tần
4.2.2.3.Bộ điều khiển nhiệt độ 12V XH_W2050
Lựa chọn cảm biến nhiệt độ:
• Giá thành rẽ, độ tin cậy cao
• Điện áp ngõ ra 10V phù hợp với điều kiện ngõ vào analog PLC
• Có màn hình giám sát nhiệt,có nhiều chức năng cài đặt
Hình 4 16: Bộ điều khiển nhiệt độ 12V XH_W2050
Bảng 4 8: Bảng chức năng cài đặt của bộ điều khiển nhiệt độ
Mã Chức năng Thiết lập Mặc định
F4 Báo động nhiệt độ cao -49 ~ 110 o C OFF
F6 Lưu dữ liệu OFF/ON off
Bảng 4 9: Bảng thông số kỹ thuật của bộ điều khiển nhiệt độ Điện áp sử dụng 12VDC Điện áp đầu ra 0~5VDC hoặc 0~10VDC
Kích thước màn hình Màn hình 0.56 inch
Cấp nguồn 24V cho PLC, cảm biến, các nút nhấn và đèn báo
Hình 4 17: Nguồn tổ ong 24V 3A Bảng 4 10: Bảng thông số kỹ thuật của nguồn tổ ong Điện áp vào AC 100-240V 50/60Hz Điện áp ra DC 24V
Công suất tối đa 72 kw
Kích thước sản phẩm (L x W x H) 159 x 100 x 43 mm
Tính chọn MCB bảo vệ biến tần:
Idm của CB = (1.2-1.5) x Idm của biến tần = (1.2-1.5) x 10 = (12-15) A
Bảng 4 11: Bảng thông số kỹ thuật của MCB 2P 16A Sino Vanlock
Dòng điện danh định 16A Điện áp danh định 230/400 V
Khả năng ngắn mạch danh định 4,5 KA
Bề rộng một cực 18mm
4.2.2.6.CB bảo vệ động cơ bơm
Tính chọn MCB bảo vệ động cơ bơm:
• Idm động cơ bơm = Pdm x 6 = 370 x 6 = 2.22 A
• Idm CB = Idm động cơ x 2 = 2.22 x 2 = 4.44 A
Chọn CB cóc Panasonic 6A BS11106TV
Hình 4 19: CB cóc Panasomic 6A BS11106TV
Bảng 4 12: Bảng thông số kỹ thuật của CB có Panasonic 6A BS11106TV
Dòng cắt ngắn mạch định mức 1KA
Hình 4 20: Nút nhấn nhả xanh phi 22
Hình 4 21: Nút nhấn nhả đỏ phi 22
4.2.2.8.Đèn báo Đèn báo hoạt động Đèn báo trạng thái hoạt động phi 22
Hình 4 22: Dèn báo xanh lá phi 22 Đèn báo sự cố Đèn vàng sẽ chớp tắt khi có sự cố xảy ra phi 22
Hình 4 23: Đèn báo vàng phi 22
Giá thành thiết bị
Bảng 4 13: Bảng giá các trang thiết bị sử dụng
STT Tên vật tư Đơn vị Số lượng Đơn giá Thành tiền
Vật tư cho tủ điện, thiết bị điện
3 Đầu cos pin dẹp 1.25 màu đỏ Bịch 100 32.000 đ 32.000 đ
4 100 đầu cos chữ Y(chìa) phủ nhựa SV 3.5 màu xanh
5 100 đầu cos chữ Y( chỉa) phủ nhựa SV 3.5 màu đỏ
6 Ống xoắn quấn dây điện màu trắng 10 ly
7 Ống xoắn quấn dây điện màu trắng 8 ly
8 Thanh ray nhôm 1 mét Cái 1 22.000 đ 22.000 đ
13 Nút Nhấn Nhả Xanh 22mm Cái 1 34.000 đ 34.000 đ
14 Đèn báo pha màu xanh
15 Đèn báo pha màu vàng
16 Bộ điều khiển nhiệt độ
17 Dây điện Cadivi CV 1.0 Mét 10 3.000 đ 30.000 đ
18 Dây điện Cadivi CV 0.5 Mét 10 2.500 đ 25.000 đ
Vật tư cho tháp giải nhiệt
20 Hệ thống tháp giải nhiệt Cái 1 7.800.000 đ 7.800.000 đ
21 Ống nối tăng ren ngoài
22 Ống nối giảm ren ngoài
23 Ống nối ren ngoài 34/34 và đầu bít
24 Ống nhựa Bình Minh phi 34
Thiết kế mô hình và chương trình mô phỏng
5.1.1.Thiết kế mô hình mô phỏng
Thiết kế mô hình mô phỏng quy trình hoạt động giải nhiệt nước
Hình 5 1: Mô phỏng hoạt động hệ thống tháp giải nhiệt
Tạo 1 danh sách hình ảnh chuyển động mô phỏng động cơ quạt hoạt động
Hình 5 2: Danh sách hình ảnh chuyển động cánh quạt
Tạo ảnh danh sách ảnh động cột hơi bốc lên khi quạt giải nhiệt hoạt động
• Ở chế độ hoạt động auto 1 cột khói tượng trưng cho nhiệt độ setpoint cao hơn nhiệt độ nước đầu ra động cơ giảm dần tốc độ
• 2 cột khói tượng trưng cho động cơ tăng tốc độ giải nhiệt khi nhiệt độ setpoint thấp hơn nhiệt độ nước đầu ra
Hình 5 3: Danh sách hình ảnh chuyển động cột khói
5.1.2.Thi công lắp tủ điện và đấu nối thiết bị
5.1.2.1.Lắp thiết bị lên tủ điện
Hình 5 4: Lắp thiết bị lên tủ điện
Hình 5 6: Đấu dây tủ điện
Hình 5 7: Hoàn thiện tủ điện
5.1.3.Viết chương trình mô phỏng
Viết chương trình start stop động cơ bơm nước mô phỏng
Hình 5 8: Chương trình chạy dừng động cơ bơm
Nhập nhiệt dộ mô phỏng cho sensor
Hình 5 9: Nhập giá trị nhiệt độ mô phỏng
Tạo khối count up đếm giá trị cho hình ảnh động cột khói và motor quạt
Hình 5 10: Chương trình đếm tham số mô phỏng quạt quay
Khi nhiệt độ setpoint thấp hơn nhiệt độ nước ra, hiện tượng đám khói thứ hai sẽ xuất hiện, đồng thời hình ảnh minh họa cho động cơ quạt tăng tốc giải nhiệt cũng sẽ được kích hoạt.
Hình 5 11: Chương trình mô phỏng ảnh cột khói 2 chuyển động
Viết một chương trình giả lập chế độ ngủ, trong đó nếu nhiệt độ setpoint cao hơn 20 độ C so với nhiệt độ nước hiện tại, hệ thống sẽ bắt đầu đếm thời gian để chuyển sang chế độ ngủ.
Hình 5 12: Chia nhiệt độ setpoint cho nhiệt độ mô phỏng
Cài đặt thời gian delay chuyển sang sleep mode tại “thoigiandelay” Khi khối CTU
“delaysleepmode” đến count bằng thời gian delay cài đặt “sleepmodemophong” sẽ on mở tiếp điểm quay cánh quạt động cơ ngừng hoạt động chuyển sang chế độ ngủ
Hình 5 13: Chương trình mô phỏng chạy Sleep Mode
Viết phần mềm điều khiển và giám sát
5.2.1.Viết phần mềm điều khiển
5.2.1.1.Tạo Data_block khai báo biến
Bảng 5 1: Bảng khai báo biến và kiễu dữ liệu cho các địa chỉ
Cài đặt các thông số động cơ cho biến tần
Cài đặt các thông số động cơ và thời gian tăng giảm tốc cho biến tần
Hình 5 14: Địa chỉ và tham số cài đặt thông số động cơ
Cài đặt các thông số truyền thông cho biến tần:
Hình 5 15: Bảng địa chỉ và tham số cài đặt chức năng Mosbus
Cấu hình phần cứng PLC gồm CPU 1214 C DC/DC/RLY và modul RS485 CM1241
Hình 5 16: Cấu hình phần cứng PLC
Cài đặt thông số khối khai báo tương tự các tham số cài đặt biến tần
• REQ: Đầu tín hiệu để quét khối Chọn FristScan chỉ khai bảo 1 lần khi chạy
• PORT: Địa chỉ truyền thông Chọn local sẽ tự động nhảy ra địa chỉ 272
• BAUD: Tốc độ truyền Chọn tương tự biến tần 9600
• PARITY: Chọn kiểm tra chẵn lẽ Chọn tương tự biến tần là 0
Viết chương trình điều khiển chạy dừng cho biến tần
Hình 5 18: Chương trình chạy dừng Manual Mode Để truyền thông với biến tần ra lệnh chạy hoặc dừng, ta tạo 1 khối MB_MASTER
• MB_ADDR: Là địa chỉ thứ tự biến tần cần ra lệnh
• MODE: 1 là truyền dữ liệu qua biến tần, 0 là đọc dữ liệu về PLC tại DATA_PIR
• DATA_ADDR: địa chỉ để truyền dữ liệu 2000 là hệ HEX chuyển về hệ DEC là 8192 sau đó cộng thêm 40001
Hình 5 19: Hướng dẫn chuyển đổi địa chỉ truyền thông
Hình 5 20: Dịa chỉ và tham số truyền thông chạy dừng động cơ
Tại DATA_PIR, khi truyền tham số 1 vào biến tần, động cơ sẽ hoạt động theo tốc độ đã được cài đặt Nếu truyền tham số 3, động cơ sẽ giảm tốc độ theo thời gian đã được thiết lập.
Khi ra lệnh cho biến tần chạy mà không cung cấp tần số mục tiêu, động cơ sẽ không hoạt động Việc truyền thông giữa PLC và phần mềm lập trình biến tần DSELite là cần thiết để đảm bảo hiệu suất hoạt động.
Hình 5 21: Khối truyền tốc độ
• DATA_ADDR: 403329 là địa chỉ FD00 của khối Value Func 1 của phần mềm DSELite của biến tần
Hình 5 22: Chương trình tốc độ DSELite
Hình 5 23: Địa chỉ truyền thông INPUT A Để nhập được tần số mong muốn vào địa chỉ 403329 của khối chức Value Func 1 cần thực hiện 1 số phép toán
• FK04 sẽ tính theo phần trăm 100.00 % của tần số giới hạn lớn nhất (f111)
Hình 5 24: Khối hoạt động biến tấn
Hình 5 25: Địa chỉ truyền thông chân Remote Setpoint
• Đặt tần số chạy motor lớn nhất tại F111 là 50Hz
Giả sử tần số muốn chạy là 10Hz ta được phương trình:
• 0.2 là 20% Theo địa chỉ FK04 sẽ là 2000
Vậy cần phải đưa tham số 2000 vào FK04 để có thể chạy ở 10Hz
Giả sử muốn nhập trức tiếp 10Hz vào MW39 để truyền thông qua địa chỉ khối Reference trên phần mềm DSELite, ta được phương trình:
Vậy muốn nhập tần sô mong muốn ta sẽ nhân số đó với 200 Tạo khối CALCULATE để ghi phương trình tính toán
Hình 5 26: khối toán nhân tần số với 200
Viết chương trình chuyển đổi chế độ chạy sang Auto Sử dụng khối thuật toán PID của phần mềm DSELite trên biến biến tần
Hình 5 27: Chương trình nút nhấn chuyển Auto Mode
Khi kích hoạt ENABLE PID (FK24) với tham số 1 (TRUE), khối PID sẽ xuất tần số hoạt động tại OUTPUT (FK10) Ngược lại, nếu tham số là 0 (FALSE), ngõ ra sẽ được đặt về 0.
Hình 5 28: Khối PID trên phần mềm DSELite
Để thiết lập truyền thông chân Enable PID, khi ở chế độ Manual, cần gửi tham số 0 vào địa chỉ 405145 để ngõ ra bằng 0 Trong khi đó, ở chế độ Auto, khi khối PID hoạt động, cần truyền tham số 1 vào địa chỉ FK24 để tần số ngõ ra tương ứng với tần số xử lý thuật toán PID.
Hình 5 30: Chương trình truyền tham số kích hoạt PID cho biến tần
Ngõ ra khối PID sẽ vào khối Value Func 1 Lúc này mode Manual ngưng hoạt động tốc độ động cơ sẽ được lấy từ (FD01) INPUT B
Hình 5 31: Chương trình đầu ra khối PID
5.2.1.5.Phương trình hoạt động PID Điều chỉnh PID:
P: là phương pháp điều chỉnh tỉ lệ Giá trị càng lớn thì đáp ứng càng nhanh do đó sai số càng lớn Một giá trị độ lợi tỉ lệ quá lớn sẽ dẫn đến quá trình mất ổn định và dao động
I: là tích phân của sai lệch theo thời gian lấy mẫu Điều chỉnh tích phân là điều chỉnh để tạo ra các tín hiệu điều chỉnh sao cho độ sai lệch giảm về 0, từ đó cho ta biết tổng sai số tức thời theo thời gian hay sai số tích lũy trong quá khứ
D: là vi phân của sai lệch Diều chỉnh D được sử dụng để làm giảm biên độ vọt lố được tạo ra bởi tích phân và tăng cường độ ổn định của bộ điều khiển hỗn hợp Phép vi phân của một tín hiệu sẽ khuếch đại nhiễu và do đó khâu này sẽ nhạy hơn đối với nhiễu sai số, có thể khiến quá trình trở nên mất ổn định
Hình 5 32: Sơ đồ hoạt động khối PID
Tạo các khối truyền thông tham số P, I, D đến địa chỉ khối PID phần mềm DSELite
Hình 5 33: Địa chỉ truyền thông P, I, D
Hình 5 34: Khối truyền tham số P
Hình 5 35: Khối truyền tham số I
Hình 5 36: Khối truyền tham số D
5.2.1.6.Đọc và giám sát nhiệt độ
Dây tín hiệu từ sensor được kết nối với AI1 của biến tần, cho phép tín hiệu được lấy ra từ khối Analog Input 1 trong phần mềm DSELite Bằng cách điều chỉnh nhiệt độ tối thiểu trên bộ điều khiển nhiệt độ XH_W2050 và thiết lập F400 ở mức 0% INPUT, đầu ra điện áp 0-10V sẽ tương ứng với dải nhiệt độ từ 0 đến 100 độ C.
Hình 5 37: Chương trình đọc SetPoint và Feedback cho khối PID
The temperature received from the sensor serves as feedback to compare with the setpoint temperature The PID controller will adjust accordingly to ensure that the feedback temperature matches the configured setpoint temperature.
Khi hệ thống hoạt động, nếu nhiệt độ trả về là 31°C và nhiệt độ cài đặt là 35°C, bạn cần nối nhiệt độ trả về từ cảm biến (31°C) vào FEEDBACK và nhiệt độ cài đặt (35°C) vào SETPOINT.
Theo nguyên tắc hoạt động của PID, khi nhiệt độ FEEDBACK dưới 35 độ (SETPOINT), đầu ra PID sẽ tăng tần số chạy động cơ để điều chỉnh FEEDBACK về mức SETPOINT Tuy nhiên, nếu nhiệt độ đầu ra thấp hơn yêu cầu, cần giảm tốc độ quạt làm mát để tăng nhiệt độ nước đạt mức yêu cầu.
Để đảm bảo yêu cầu đề tài, cần kết nối nhiệt độ từ cảm biến với SETPOINT và nhiệt độ yêu cầu với FEEDBACK Đồng thời, đọc nhiệt độ từ biến tần về PLC để giám sát trên SCADA.
Hình 5 38: Khối đọc nhiệt độ từ biến tần về plc Để đọc nhiệt độ từ biến tần về plc, thực hiện truyền thông tại địa chỉ F331
• MODE: Đặt tham số 0 sẽ là đọc về, 1 là ghi dữ liệu đi
Hình 5 39: Địa chỉ truyền thông đọc analog vào biến tần
Theo hướng dẫn F331 là Hight-order byte, do đó sẽ tách ra:
• F331: Là hệ hex giữ nguyên
• F331: Là hệ dec chuyển về hệ hex sẽ là 1F
Chuyển đổi 31F hệ hex về dec sẽ là 799 Sau đó cộng thêm 40001 sẽ được
Hình 5 40: Hướng dẫn chuyển đổi địa chỉ truyền thông cho plc
5.2.1.7.Chế độ ngủ đông tiết kiệm điện năng Đọc tần số chạy động cơ từ biến tần về plc để giám sát và lập trình cho chế độ sleep
Hình 5 41: Chương trình đọc tần số chạy động cơ quạt Địa chỉ 1000 hệ hex chuyển về hệ dec là 4096, sau đó cộng thêm 40001
Tần số đọc về giả sử 50Hz sẽ là 50.00, do đó sử dụng khối toán chia chia cho 100
Hình 5 42: Địa chỉ truyền thông đọc tần số
So sánh tần số chạy động cơ với tần số cài đặt để đếm thời gian chuyển sang chế độ ngủ tiết kiệm điện
Khi tần số hoạt động bằng hoặc nhỏ hơn tần số cài đặt, quá trình đếm thời gian sẽ bắt đầu Nếu thời gian đạt đến giá trị delay (Tag_46) và bằng với thời gian cài đặt để chuyển sang chế độ ngủ (thoigiandelay), thì Tag_48 sẽ được kích hoạt.
Hình 5 43: Chương trình thời gian delay cho Sleep Mode
Tag_48 on sẽ move 3 vào địa chỉ truyền thông để dừng động cơ
Hình 5 44: Move giá trị dừng động cơ chuyển sang Sleep Mode
Hình 5 45: Chương trình nút nhấn Fault Reset
Khi có lỗi xảy ra hệ thống sẽ ngưng hoạt động Nhấn nút Fault_reset I0.3 để chạy lại hệ thống
Hình 5 46: Địa chỉ truyền thông kích hoạt reset lỗi
Nhấn nút Fault reset move giá trị 1 (TRUE) truyền thông vào địa chỉ 405170 khối Sequencing Logic trên biến tần
5.2.2.Viết phần mềm giám sát
Hình 5 47: Tổng quan giao diện HMI
5.2.2.1.Tạo WinCC Runtime thiết kế HMI
Tạo thêm WinCC Runtime Advanced
Hình 5 48: Tạo WinCC RT Advanced
Thêm card IE general (PROFINET) để kết nối PLC
Hình 5 49: Thêm card IE general (PROFINET)
Thay đổi địa chỉ IP WinCC khác với IP PLC
Hình 5 50: Thay đổi địa chỉ IP WinCC
Kết nối PN/IE và HMI_Connection
Hình 5 51: Kết nối PN/IE
Tạo 1 file Creen trong HMI_RT_1 (WinCC RT Advanced) để thiết kế HMI
Hình 5 52: Tạo màn hình lập trình HMI bằng WinCC
5.2.2.2.Thiết kế nút nhấn và đèn báo trạng thái
Thiết kế nút nhấn Start, Stop và Button Auto, cùng với các đèn trạng thái, bằng cách kéo các đối tượng hình chữ nhật để tạo nút nhấn và hình tròn để làm đèn báo, sau đó tiến hành cài đặt.
Hình 5 53: Tạo nút nhấn điều khiển và đèn giám sát trên HMI
Tạo các sự kiện nhấn và nhả cho nút nhấn SetBit là nhấn, ResetBit là nhả cho Start, Stop, Automation
Hình 5 54: Cài đặt sự kiện nhấn nhả cho nút Start, Stop, Automation
Tạo màu cho trạng thái nhấn nhả của nút nhấn Kiểu dữ liệu nút nhấn là bool, bit
1 là nhấn và bit 0 là nhả
Hình 5 55: Cài đặt màu sắc trặng thái cho nút nhấn
Tương tự với nút nhấn nhưng đèn báo chỉ để hiện thị do đó chỉ cài đặt màu sắc để giám sát
Hình 5 56: Cài đặt màu sắc trặng thái cho đèn báo
5.2.2.3.Thiêt kế cài đặt và giám sát Dormanc Mode
Thiết kế các vùng dữ liệu tham số ghi và đọc:
Các vùng dữ liệu ghi bao gồm Setpoint nhiệt độ yêu cầu, hệ số P I D để điều chỉnh độ phản ứng của giá trị đầu ra PID, tần số bắt đầu đếm thời gian delay chuyển sang chế độ ngủ và thời gian delay trong chế độ ngủ.
• Các vùng dữ liệu đọc gồm Feedback là nhiệt độ sensor trả về , PIDoutput là tần số output sau khi xử lý PID, thời gian đếm delay sleepmode
Hình 5 57: Tạo thanh ghi tham số và giám sát cho Auto Mode
Cài đặt giới hạn đầu ra của PID output là 100%
Hình 5 58: Địa chỉ giới hạn % đầu ra PIDoutput của khối PID Đọc giá trị PID output từ địa chỉ khối PID phần mềm DSELite về PLC tại địa chỉ
Hình 5 59: Địa chỉ truyền thông đọc giá trị PIDoutput
Giá trị đọc về là số nguyên chuyển sang số thực để thực hiện tính toán chuyển Từ phần trăm về tần số để dễ quan sát
Kết quả đạt được
• Chế độ chạy Manual: Điều khiển chạy dừng bằng nút nhấn, chạy thử hệ thống
Chế độ chạy Auto giúp hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ để duy trì nhiệt độ ổn định Khi nhiệt độ nước thấp hơn mức yêu cầu, hệ thống sẽ chuyển sang chế độ ngủ để tiết kiệm điện năng.
• Thử nghiệm bảo vệ biến tần và động cơ quạt khi có sự cố xảy ra
• Cài đặt chỉnh định thông số hệ thống , giám sát hệ thống thông số hoạt động, thời gian hoạt động, sự cố thông qua Scada.
Chưa đạt được
Do tình hình dịch Covid phức tạp, việc thi công mô hình thực tế bị trì hoãn, mặc dù đã mua thiết bị điều khiển và tháp giải nhiệt Chương trình đã được thử nghiệm trên thiết bị điều khiển và động cơ quạt, nhưng do chưa lắp đặt mô hình hệ thống tháp giải nhiệt thực tế, nên không nhận được phản hồi nhiệt độ Việc mô phỏng và điều chỉnh tham số P, I, D của hệ thống PID đã được thực hiện bằng cách kết nối máy tính với biến tần AC10P qua cổng USB và sử dụng phần mềm DSELite, nhưng chưa thể thử nghiệm trên mô hình thực tế Hơn nữa, chưa có bản danh sách theo dõi thời gian hoạt động, điện năng và công suất tiêu thụ hàng tháng, và các chức năng truyền thông trong mô hình mô phỏng vẫn chưa hoạt động.
Hướng phát triển
Mô hình này cho phép ứng dụng thực tế với chức năng giám sát để thu thập số liệu cần thiết cho nhiều tháp giải nhiệt Để nâng cao hiệu quả, cần kết hợp các thiết bị và cảm biến ngoại vi để đo đạc hoạt động của tháp, từ đó cải thiện khả năng nắm bắt số liệu và tính hiệu quả Nghiên cứu ứng dụng biến tần để tiết kiệm năng lượng sẽ giúp doanh nghiệp theo dõi hiệu suất làm mát và giảm điện tiêu thụ, từ đó tăng lợi nhuận và sử dụng năng lượng hợp lý.
