Thiết kế hệ thống điều khiển duy trì áp suất ứng dụng trong cung cấp nước sạch

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP DUY TRÌ ÁP SUẤT NƯỚC ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC SẠCH NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TS LÊ QUANG ĐỨC Sinh viên thực hiện MSSV Lớp Nguyễn Tấn Định 1711050091 17DTDA1 Nguyễn Trường Duy 1711050002 17DTDA1 Nguyễn Như Hiếu 1711050063 17DTDA1 Tp Hồ Chí Minh, tháng năm ii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, chúng em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, đóng gó.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP DUY TRÌ ÁP SUẤT NƯỚC ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC SẠCH NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: TS LÊ QUANG ĐỨC Sinh viên thực hiện: MSSV: Lớp: Nguyễn Tấn Định 1711050091 17DTDA1 Nguyễn Trường Duy 1711050002 17DTDA1 Nguyễn Như Hiếu 1711050063 17DTDA1 Tp Hồ Chí Minh, tháng năm LỜI CẢM ƠN Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, chúng em nhận nhiều giúp đỡ, đóng góp ý kiến bảo nhiệt tình thầy cơ, gia đình bạn bè Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Lê Quang Đức, người tận tình hướng dẫn, bảo chúng em suốt quá trình làm khoá luận Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trường Đại học Cơng nghệ Tp.HCM (HUTECH) nói chung, các thầy Viện Kỹ Thuật HUTECH nói riêng dạy dỗ cho chúng em kiến thức các môn đại cương các môn chuyên ngành, giúp chúng em có sở lý thuyết vững vàng tạo điều kiện giúp đỡ em suốt quá trình học tập Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình bạn bè, ln tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em suốt quá trình học tập hồn thành khoá luận tốt nghiệp Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 202… (Ký tên ghi rõ họ tên) ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG vii DANH MỤC HÌNH ẢNH viii LỜI MỞ ĐẦU Chương GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Lý chọn đề tài 1.2 Tổng quan hệ thống 1.2.1 Sơ lược hệ thống cung cấp nước 1.2.2 Vai trị việc trì áp suất cung cấp nước 1.3 Nguyên lý hoạt động hệ thống bơm trì áp tòa nhà Chương TỔNG QUAN GIẢI PHÁP 2.1 Tổng quan 2.1.1 Giải pháp không sử dụng biến tần 2.1.2 Giải pháp sử dụng biến tần 10 2.1.3 So sánh ưu nhước điểm hai giải pháp 10 Chương PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT 14 3.1 Giải pháp thiết kế hệ thống 14 3.1.1 Sơ đồ khối phương pháp thiết kế hệ thống 14 3.1.2 Phương pháp thiết kê hệ thống trì áp suất cung cấp nước 14 3.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống 16 3.3 Chức bảo vệ hệ thống 17 3.3.1 Bảo vệ CB 17 3.3.2 Bảo vệ biến tần 17 3.3.3 Bảo vệ cảm biến mực nước 18 3.4 Chức quản lý giám sát hệ thống 18 Chương THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM, MƠ HÌNH 21 iii 4.1 Tổng quan q trình thiết kế thí nghiệm mơ hình 21 4.2 Xây dụng tủ điều khiển 22 4.2.1 Thống kê ngõ vào ngõ 22 4.2.2 Thiết kế vẽ mạch điều khiển 23 4.2.3 Thiết kế vẽ mạch động lực 27 4.2.4 Thiết kế vẽ bố trí thiết bị tủ điện 28 4.2.5 Chọn thiết bị đấu nối tủ điện 30 4.3 Lập trình điều khiển tự động hệ thống cấp nước 35 4.3.1 Thành lập nguyên lý điều khiển hệ thống 35 4.3.2 Thành lập lưu đồ giải thuật cho hệ thống 36 4.4 Chọn thiết bị điều khiển 42 4.4.1 Chọn PLC S7-1200 AC/DC/RLY 42 4.4.2 Chọn nodule Analog SM 1232 2AO 43 4.4.3 Chọn biến tần 44 Biến tần pha 220V pha 220V FR-120U 44 4.4.4 Cảm biến áp suất nước 46 4.4.5 Cảm biến mức nước 46 4.5 Thiết kế giao diện Scada WinCC 48 4.5.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống 48 4.5.2 Lập trình giao diện Scdada WinCC 49 4.6 Chọn thiết bị phần cứng 52 4.6.1 Bồn chứa nước cho hệ thống 52 4.6.2 Ống nhựa PVC, phụ kiện keo dán, cao su non 53 4.6.3 Chọn Bơm cho hệ thống 55 Chương THI CƠNG THÍ NGHIỆM MƠ HÌNH 57 5.1 Viết chương trình cho PLC S7-1200 AC/DC/RL 57 5.1.1 Hướng dẫn sử dụng phần mềm TiaportoV16 57 5.1.2 Viết chương trình phần mềm TiaportoV16 63 5.2 Lập trình giao diện Scada WinCC 70 5.2.1 Lập trình giao diện 70 5.2.2 Lập trình giao diện đờ thị 79 5.2.3 Lập trình giao diện báo cáo 82 iv 5.3 Mô thực nghiệm PLC WinCC 83 5.3.1 Giao diện mô PLC WinCC 83 5.3.2 Mô hệ thống chế độ Auto với các ngưỡng áp suất 85 5.3.3 Mô hệ thống chế độ Man 92 5.3.4 Mô PID cho hệ thống 95 Chương ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ, KẾT LUẬN 98 6.1 Đánh giá kết 98 6.1.1 Những vấn đề đạt 98 6.1.2 Những vấn đề hạn chế 98 6.2 Kết luận 99 6.2.1 Kết luận đề tài 99 6.2.2 Hướng phát triển đề tài 99 v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT PLC: Programmable Logic Controller TIA Portal: Totally Integrated Automation Portal PID: Proporrtional Integral Derivative SCADA: Suppervisory Control And Data Acquisition WinCC: Windown Control Center HMI: Human Machine Interface CB: Circuit Breaker DI: Digital Input DO: Digital Output AI: Analog Input AO: Analog Output vi DANH MỤC CÁC BẢNG Chương 3: Bảng 1: Các chức phần mềm WinCC 20 Chương 4: Bảng 1: Thống kê ngõ vào ngõ 22 Bảng 2: Bảng thông số PLC 43 Bảng 3: Bảng thông số kỹ thuật biến tần 44 vii DANH MỤC HÌNH ẢNH Chương 1: Hình 1: Trạm bơm cung cấp nước tầng mái Hình 2: Sơ đờ cấp nước tịa nhà chung cư Hình 3: Sơ đờ bơm cấp nước lên tầng mái Hình 4: Sơ đờ bơm cấp nước từ tầng mái đến hộ cư dân Hình 5: Sơ đờ hoạt động hệ thống trì áp lực nước chung cư Chương 2: Hình 1: Sơ đờ giải pháp khơng sử dụng biến tần Hình 2: Sơ đờ giải pháp sử dụng biến tần 10 Hình 3: Hình ảnh họa việc tiết kiệm điện biến tần 12 Chương 3: Hình 1: Sơ đồ khối phương pháp thiết kế hệ thống 14 Hình 2: Sơ đồ khối nguyên lý hoạt động hệ thống 16 Chương 4: Hình 1: Sơ đờ khối cơng tác thi cơng mơ hình 21 Hình 2: Sơ đờ mạch điều khiển 23 Hình 3: Sơ đờ mạch cấp nguồn 24 Hình 4: Sơ đồ mạch ngõ vào Digital Analog 25 Hình 5: Sơ đồ mạch ngõ PLC 25 Hình 6: Sơ đồ mạch ngõ Analog 26 Hình 7: Sơ đờ mạch động lực 27 Hình 8: Sơ đờ bố trí mặt ngồi tủ điện 28 Hình 9: Sơ đờ bố trí mặt bên tủ điện 29 Hình 10: CB cấp nguồn cho hệ thống 30 Hình 11: Máng cáp 25x25 31 Hình 12: Relay trung gian 31 Hình 13: Contactor Simens 32 Hình 14: Tủ điện 33 Hình 15: Đèn báo nguồn 33 Hình 16: Dây dẫn điện 34 Hình 17: Switch vị trí 35 Hình 18: Lưu đờ chương trình chính 37 Hình 19: Lưu đờ chương trình Auto 38 Hình 20: Lưu đờ chương trình Man 39 Hình 21: Lưu đồ mạch điện tủ 40 Hình 22: Lưu đồ bảo vệ mạch điện 41 Hình 23: PLC S7-1200 AC/DC/RLY 42 Hình 24: Module SM 1232 2AO 43 Hình 25: Hình ảnh thực tế biến tần pha 220V pha 220V FR-120U 45 viii Hình 26: Cảm biến áp suất nước 46 Hình 27: Cảm biến mực nước 46 Hình 28: Sơ đồ nguyên lý hệ thống 48 Hình 29: Phần mềm WinCC Scada 49 Hình 30: Tạo project WinCC 50 Hình 31: Chọn phiên WinCC 50 Hình 32: Chọn cấu hình card mạng 51 Hình 33: Giao diện hoàn thành 51 Hình 34: Bồn nước cấp hệ thống 52 Hình 35: Ống nhựa PVC 53 Hình 36: Phụ kiện co ống 53 Hình 37: Đầu ren nối vào bình 54 Hình 38: Keo dán ống 54 Hình 39: Cao su non 54 Hình 40: Bơm nước pha GP-129JXK 55 Hình 41: Bơm nước TECO G-31-50 2P 1HP 0.75KW 56 Chương 5: Hình 1: Tạo project cho dự án 57 Hình 2: Tạo PLC cho dự án 57 Hình 3: Chọn PLC mơ hình 58 Hình 4: Đặt địa IP cho PLC 59 Hình 5: Tạo module mở rộng Analog cho PLC 59 Hình 6: Mơ chương trình PLC 60 Hình 7: Nạp chương trình vào PLC 61 Hình 8: PLC ảo 62 Hình 9: Monitor trạng thái chương trình 62 Hình 10: Các khối hàm 63 Hình 11: Khối hàm Main 63 Hình 12: Chương trình Man bơm số 64 Hình 13: Chương trình Man bơm số 65 Hình 14: Chương trình hiển thị Auto Man WinCC 66 Hình 15: Chương trình Scale cảm biến 66 Hình 16: Chương trình gọi bơm 67 Hình 17: Chương trình PID 69 Hình 18: Thiết lập khối PID 70 Hình 19: Khối datablock 70 Hình 20: Tạo cho giao diện 71 Hình 21: Tạo chữ viết giao diện 71 Hình 22: Tạo màu chữ viết 72 Hình 23: Đưa hình ảnh ngồi vào giao diện 72 Hình 24: Tạo hiệu ứng cảnh báo 73 Hình 25: Link point vào hiệu ứng 74 Hình 26: Thư viện chương trình WinCC 75 ix Hình 27: Giao diện vẽ bơm 75 Hình 28: Hiển thị thông số lên giao diện 76 Hình 29: Tạo nút nhấn giao diện 77 Hình 30: Tạo nút Auto Man 78 Hình 31: Tạo Historical data 79 Hình 32: Tạo Data logs 79 Hình 33: Tạo Trend 80 Hình 34: Đưa point vào giao diện Trend 81 Hình 35: Tạo Report 82 Hình 36: Đưa point vào giao diện Report 83 Hình 37: Giao diện mô PLC 83 Hình 38: Giao diện mô WinCC 84 Hình 39: Giao diện WinCC 85 Hình 40: Bảng trạng thái 86 Hình 41: Thông số áp suất 86 Hình 42: Thông số áp suất cài đặt 86 Hình 43: Chọn Auto nhấn vào Start 86 Hình 44: Bảng trạng thái ngõ vào ngõ PLC 87 Hình 45: Giao diện hiển thị chạy bơm 87 Hình 46: Giám sát chương trình ngưỡng thấp 88 Hình 47: Giao diện khơng báo ngưỡng thấp 89 Hình 48: Giám sát chương trình ngưỡng lớn ngưỡng thấp 89 Hình 49: Giao diện hiển thị tắt bơm báo ngưỡng cao 90 Hình 50: Giám sát chương trình ngưỡng cao 91 Hình 51: PLC mơ tự động tắt bơm số 92 Hình 52: Chạy Man bơm số 92 Hình 53: Giám sát chương trình Man bơm số 93 Hình 54: PLC mơ chạy bơm số 93 Hình 55: Chạy Man bơm số 94 Hình 56: Giám sát chương trình Man bơm số 94 Hình 57: PLC mô chạy bơm số 95 Hình 58: PLC mô PID áp suất nhỏ cài đặt chụp lần 95 Hình 59: PLC mơ PID áp suất nhỏ cài đặt chụp lần 96 Hình 60: PLC mơ PID áp suất lớn cài đặt chụp lần 96 Hình 61: Hình ảnh đồ thị tiến giá trị cài đặt 97 Hình 62: Hình ảnh đờ thị lớn giá trị cài đặt 97 x Ở phần ngõ PLC ta thấy lúc bơm chạy Hình 44: Bảng trạng thái ngõ vào ngõ PLC Phần giao diện hiển thị màu xanh biểu thị hệ thống chạy Hình 45: Giao diện hiển thị chạy bơm 87 Nhìn vào chương trình PLC ta thấy được: Hình 46: Giám sát chương trình ngưỡng thấp Tiếp theo mô giá trị áp suất lớn giá trị cài đặt min, bơm chạy giá trị áp suất tăng lên Lúc bảng trạng thái khơng cịn báo ngưỡng thấp Áp suất lúc 0.4 bar lớn giá trị cài đặt 0.3 bar 88 Hình 47: Giao diện khơng báo ngưỡng thấp Nhìn vào chương trình PLC ta thấy được: Hình 48: Giám sát chương trình ngưỡng lớn ngưỡng thấp 89 Tiếp theo mô giá trị áp suất lớn giá trị cài đặt max, bơm chạy giá trị áp suất tăng lên Lúc bảng trạng thái báo ngưỡng cao dừng bơm số ( trường hợp người dụng đóng các van lại) Áp suất lúc 1,1 bar lớn giá trị cài đặt bar Nhìn vào chương trình PLC ta thấy được: Hình 49: Giao diện hiển thị tắt bơm báo ngưỡng cao 90 Hình 50: Giám sát chương trình ngưỡng cao 91 Hình 51: PLC mơ tự động tắt bơm số 5.3.3 Mô hệ thống chế độ Man Ta chọn chế độ Man nhân vào nút chạy bơm số 1, hệ thống chạy bơm số hình: Hình 52: Chạy Man bơm số 92 Nhìn vào chương trình PLC ta thấy được: Hình 53: Giám sát chương trình Man bơm số Hình 54: PLC mô chạy bơm số 93 Ta chọn chế độ Man nhân vào nút chạy bơm số 2, hệ thống chạy bơm số hình: Hình 55: Chạy Man bơm số Nhìn vào chương trình PLC ta thấy được: Hình 56: Giám sát chương trình Man bơm số 94 Hình 57: PLC mơ chạy bơm số 5.3.4 Mơ PID cho hệ thống Ta thấy giá trị áp suất nhỏ áp suất cài đặt tần số tăng dần lên 50Hz Hình 58: PLC mơ PID áp suất nhỏ cài đặt chụp lần 95 Một thời gian sau áp suất tiếp tục không tăng lên lỡn ngưỡng cài đặt ta thấy hình lúc tần số 50Hz Hình 59: PLC mô PID áp suất nhỏ cài đặt chụp lần Tiếp theo ta cho áp suất lớn giá trị cài đặt, tần số bắt đầu giảm xuống hình ta thấy lúc 25 Hz Hình 60: PLC mơ PID áp suất lớn cài đặt chụp lần 96 Hình 61: Hình ảnh đồ thị tiến giá trị cài đặt Hình 62: Hình ảnh đồ thị lớn giá trị cài đặt 97 Chương ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ, KẾT LUẬN 6.1 Đánh giá kết 6.1.1 Những vấn đề đạt Nghiên cứu thiết kế hệ thống trì áp suất ứng dụng cung cấp nước ý nghĩa thực tiễn cơng nghệ Tìm hiểu sơ lược PLC S7-1200 Cụ thể phần cứng CPU 1212C AC/DC/RLY Phần mềm lập trình, phần mềm lập trình điều khiển hệ thống Tìm hiểu sử dụng Tia portal V16 để thiết kế hình ảnh để điều khiển giám sát hệ thống Cụ thể cài đặt giám sát thông số áp suất, đo, điều khiển cảnh báo lưu lượng nước Nắm vững vận dụng kiến thức học lập trình PLC, vi điều khiển để áp dụng vào đề tài tốt nghiệp 6.1.2 Những vấn đề cịn hạn chế Trong quá trình thực đề tài em gặp nhiều khó khăn việc tìm ng̀n tài liệu (vì ng̀n tài liệu chủ yếu tiếng anh nên hạn chế với sinh viên kỹ thuật), nguồn vật tư để chế tạo mô hình, điều quan trọng chúng em thiếu kinh nghiệm thực tế Với kiến thực hạn chế kinh nghiệm non thời gian có hạn nên em chưa hoàn thiện đề tài cách hoàn thiện chưa tận dụng hết khả biến tần PLC (chưa dùng phần tử nhiệt để bảo vệ động cơ, chưa dùng thời gian thực để điều khiển hệ thống), chưa thiết kế phần giám sát điều khiển hệ thống thông qua PC 98 6.2 Kết luận 6.2.1 Kết luận đề tài Ứng dụng thực tế: Đã thiết kế mơ hình trì áp suất ứng dụng cung cấp nước điều khiển các thông số qua PLC cách khá hoàn chỉnh sát với thực tế nhằm đáp ứng yêu cầu đề tài đưa Ngoài chúng em tập cho thân tinh thần làm việc nhóm tốt Chúng em giúp đỡ hỗ trợ thực tốt nhiệm vụ đươc giao nhằm đạt kết nghiên cứu tốt 6.2.2 Hướng phát triển đề tài Có thể phát triển đờ án thành hệ thống bơm cấp nước trì áp suất cho các tòa nhà chung cư nhiều tầng 99 Tài liệu tham khảo : • Dương Minh Trí, Cảm biến ứng dụng NXB Khoa Học Và Kỹ Thuật https://tailieu.vn/doc/cam-bien-va-ung-dung-1200365.html • Đại học Bách Khoa Hà Nội, Giáo trình cảm biến https://123docz.net/document/2644540-giao-trinh-cam-bien-dh-bach-khoahn.htm • Trần Văn Hiếu, Tự động hóa PLC S7 - 1200 với TIA Portal https://www.ebookbkmt.com/2019/07/sach-tu-ong-hoa-plc-s7-1200-voitia.html • Đại học Bách Khoa Hà Nội , Tài liệu Cảm biến https://text.123docz.net/document/1721990-tai-lieu-cam-bien-sensor.htm • Tài liệu Tập đồn Mitsubishi https://plctech.com.vn/tai-lieu-bien-tanmitsubishi/ • Phạm Văn Tuấn - Lê Thị Hồng Nhinh Ứng dụng PLC biến tần điều khiển ổn định áp suất hệ thống cung cấp nước dân dụng https://tailieuxanh.com/vn/tlID2069545_ung-dung-plc-va-bien-tan-dieukhien-on-dinh-ap-suat-he-thong-cap-nuoc-dan-dung.html • Tồn Thật Co Giải pháp điều khiển bơm ổn định áp suất https://www.realgroup.org/giai-phap-dieu-khien-bom-on-dinh-ap-suat/ • Ngọc Automation Ổn định áp suất cấp nước sử dụng PLC S7-300 WINCC https://www.youtube.com/watch?v=KcDBWrcygOo • Ngọc Automation Hướng dẫn lập trình bật tắt bơm theo áp suất WINCC PLC S7-300 https://www.youtube.com/watch?v=_u5XWpLCOS8&t=395s • 3S Automation training Lập trình giao diện HMI Siemens https://www.youtube.com/watch?v=K19vOU3C1oc 100 • Delta Electronics Vietnam Biến tần điều khiển gọi bơm trì áp suất (PID) https://thietbidelta.com/bien-tan-dieu-khien-goi-bom-duy-tri-ap-suatpid.html • PLCTECH Tài liệu PLC SIEMENS S7-1200 tiếng Việt https://plctech.com.vn/tai-lieu-plc-siemens-s7-1200-tieng-viet/ 101 ... việc trì áp suất cung cấp nước Hệ thống cấp thoát nước các tòa nhà lớn đa phần sử dụng tích hợp loại hệ thống, bao gồm hệ thống cấp nước trực tiếp, hệ thống cấp nước gián tiếp hệ thống bơm nước. .. tích hợp ba loại hệ thống: hệ thống cấp nước trực tiếp, hệ thống cấp nước gián tiếp hệ thống bơm nước thải Đối với hệ thống cấp nước trực tiếp, nước cấp trực tiếp từ đường ống nước cơng cộng đến... ổn định áp suất đường ống cấp nước 1.2 Tổng quan hệ thống 1.2.1 Sơ lược hệ thống cung cấp nước Hình 1: Trạm bơm cung cấp nước tầng mái Hầu hết hệ thống cấp nước các tòa nhà chung cư sử dụng tích