đồ án hệ thống điều khiển khai thác và giám sát trạm bơm nước sạch sử dụng plc và biến tần

Nguyên lý vận hành của hệ thống trạm bơm cấp I: Khi đóng điện, trạng thái các thiết bị được mô tả ở bảng sau BẢNG TRẠNG THÁI CÁC THIẾT BỊ Van xả Đóng Van đẩy ĐóngVan Solenoid Đóng Trước

BỘ CÔNGNGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

LÊ ANH HOÀNG NGUYỄN MINH HIẾU TRƯƠNG BÌNH TIẾN LỚP: CĐĐT 7A

- BƠM CHÌM VÀ VAN ĐIỆN

1 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT

2 CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN

vực cũng như trên thế giới.Nhóm chúng em quyết định nghiên cứu:”HỆ

THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHAI THÁC VÀ GIÁM SÁT TRẠM BƠM NƯỚC SẠCH ” sử dụng các thiết bị tự động hóa.

II MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU:

Nước sạch là nhu cầu cần thiết cho mọi người Mặc dù các nhà máy cấp nước

đã có những cố gắng lớn nhưng hiện nay vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu của người dân.Do các thiết bị hầu như vẫn còn làm bằng phương pháp thủ công:

+ Khi trạm giếng ngừng người vận hành không kiểm soát được áp lực đường ống một cách cụ thể (áp lực tăng giảm thất thường) Khi áp lực tăng sẽ dẫn đến động

cơ hoạt động non tải tổn thất năng lượng cao Khi áp lực trong đường ống giảm dẫn đến nguy cơ tăng lượng nước đột ngột, nguy cơ hụt mực nước động và phá vỡ kết cấu của thành giếng, cát sẽ bị hút lên gây sập giếng

+ Các loại van xả, van đẩy đều được đóng mở bằng tay, thời gian đóng mở không ổn định, chính xác, dẫn đến không kiểm soát áp lực cũng như lưu lượng khai thác đồng thời công nhân phải thường xuyên đến mở thêm van đẩy mất nhiều thời gian và công sức

+ Không có cảm biến áp suất để có thể kiểm soát cột áp hệ thống

Vì vậy nếu áp dụng các thiết bị tự động hóa sẽ giúp khắc phục được các nhươc điểm trên

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG CHẤM ĐIỂM

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

1 Công nghệ xử lý nước:

Quá trình xử lý nước được thực hiện như sau : Đầu tiên nước khai thác từ các trạmbơm giếng (trạm bơm cấp I) được đưa lên giàn mưa Tại giàn mưa nước được tiếp xúcvới Oxy trong không khí nhằm oxy hóa Sắt có trong nước đồng thời giải phóng CO2 .Sau giàn mưa , Clo và Vôi được đưa vào và được hòa trộn trong bể trộn đứng Mụcđích đưa Clo vào nước nhằm oxy hóa Sắt và Mangan , còn Vôi được đưa vào nhằm mụcđích nâng pH của nước tạo điều kiện cho phản ứng thủy phân Fe2+ thành Fe3+ Sau khi điqua bể trộn đứng, nước tiếp tục chảy qua bể lắng tiếp xúc Bể lắng tiếp xúc là nơi xảy raquá trình thủy phân Fe2+ thành Fe3+, đồng thời giữ lại các bông cặn Sắt trong bể nhờ quátrình lắng bằng trọng lực Sau khi ra khỏi bể lắng, nước được dẫn sang máng phân phốibằng chế độ tự chảy để tiếp tục phân phối nước vào các bể lọc Bể lọc có nhiệm vụ lọchết các chất lơ lửng có trong nước mà bể lắng không thể giữ lại được Bể lọc này là bểlọc nhanh với vận tốc lọc khoảng 5 đến 6 m/h, vận tốc này được điều chỉnh bằng siphông đồng tâm Vật liệu lọc sử dụng là cát với đường kính hạt là 0,7 đến 1,5 mm Saukhi nước ra khỏi bể lọc thì đã đạt các tiêu chuẩn đối với nước cấp cho sinh hoạt , trướckhi đưa sang bể chứa nước được châm thêm Clo để đảm bảo tiêu chuẩn Nước chảytrong hệ thống xử lý từ đầu giàn mưa cho đến lúc ra khỏi bể chứa theo chế độ tự chảy

Từ bể chứa nước được bơm vào mạng lưới phân phối nước của Thành phố nhờ trạmbơm cấp II.

Do hệ thống cĩ quy mơ lớn nên nhĩm chỉ thực hiện mơ phỏng một phần cuả hệ

thống Đĩ là trạm bơm cấp 1

TRẠM BƠM GIẾNG

CẤP I CHUYỂN TẢI NƯỚC THÔ DÀN MƯA TUYẾN ỐNG GÓP VÀ BỂ TRỘN ĐỨNG.

BỂ LẮNG TIẾP XÚC NGANG BỂ LỌC NHANH.

BỂ CHỨA.

TRẠM BƠM CẤP II.

ỐNG CHUYỂN TẢI VÀ PHÂN PHỐI NƯỚC SẠCH TIÊU THỤ.

VÔI CLO

CLO

Hình: Lưu đồ dây chuyền công nghệ xử lý và cấp nước nhà máy

2 Nguyên lý vận hành của hệ thống trạm bơm cấp I:

Khi đóng điện, trạng thái các thiết bị được mô tả ở bảng sau

BẢNG TRẠNG THÁI CÁC THIẾT BỊ

Van xả Đóng

Van đẩy ĐóngVan Solenoid Đóng

Trước tiên, ta mở van xả bằng tay (thực tế hiện nay tại công ty), kế đó khởi độngcho bơm hoạt động một thời gian từ 10 đến 20 giây thì van đẩy mở đồng thời vanSolenoid cũng mở để đo áp suất trong đường ống, kết thúc việc vận hành trạm bơmthứ nhất

Khi van Solenoid mở thì van xả của trạm thứ hai mở ra, bơm thứ hai hoạt động,sau thời gian 10 đến 20 giây thì van đẩy thứ hai mở đồng thời van Solenoid thứ haicũng mở ra để đo áp suất trong đường ống thứ hai, kết thúc việc vận hành trạm bơmthứ hai

Khi van Solenoid thứ hai mở thì van xả của trạm thứ ba mở, bơm thứ ba hoạtđộng, sau thời gian 10 đến 20 giây thì van đẩy thứ ba mở đồng thời van Solenoid thứ

ba cũng mở ra để đo áp suất trong đường ống thứ ba, kết thúc việc vận hành trạmbơm thứ ba

Khi ba trạm bơm đa vận hành thì sẽ cùng đưa ra chung một đường ống để đi đếngiàn mưa, giàn mưa có nhiệm vụ lọc lại thành nước sạch để hòa vào mạng cấp nướccủa thành phố

_Một số hình ảnh thưc tế về hệ thống trạm bơm cấp I

Hình:Một hệ thống gồm ba trạm bơm

Hình:Vị trí của van đẩy

Hình:Vị trí đặt van xả

Hình: Vị trí đồng hồ đo áp lực đầu bơm

3.Nghiên cứu các thiết bị

3.1 PLC S7-200:

PLC viết tắt của Programmable Logic Control, là thiết bị điều khiển Logic lập

trình được, hay khả trình, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logicthông qua một ngôn ngữ lập trình

S7-200 là thiết bị điều khiển logic khả trình loại nhỏ của hãng Siemens(CHLBĐức), có cấu trúc theo kiểu modul và các modul mở rộng Các modul này được sử dụngcho nhiều những ứng dụng lập trình khác nhau Thành phần cơ bản của S7-200 là khối

vi xử lý CPU212 hoặc CPU214 Vói sự phát triển ngày càng nhanh chóng như hiện naythì Siemen đã cho ra đời thêm những khối vi xử lý khác như: CPU221, CPU222,CPU223, CPU224, CPU225, CPU226, và những CPU dùng cho S7300, S7400…vớinhững tính năng rất hữu ích

CPU214 có 14 cổng vào và 10 cổng ra và có khả năng mở rộâng thêm 7 modul mở rộng Bao gồm:

- 2048 từ đơn (4K byte) thuộc miền nhớ đọc/ghi non-volatile để lưu chươngtrình (vùng nhớ có giao điện với EEPROM)

- 2048 từ đơn (4K byte) kiểu đọc/ghi để lưu dữ liệu, trong đó 512 từ đầu thuộcmiền non-volatile

- 14 cổng vào và 10 cổng ra logic

- Có 7 modul để mở rộng thêm cổng vào/ra bao gồm cả modul analog

- Tổng số cổng vào/ra cực đại là 64 cổng vào là 64 cổng ra

- 128 Timer chia làm 3 loại theo độ phân giải khác nhau: 4 Timer 1ms, 16 Timer

10 ms, và 108 Timer 100 ms

- 128 bộ đếm chia làm hai giai loại: chỉ đếm tiến vừa đếm lùi

- 688 bit nhớ đặc biệt dùng để thông báo trạng thái và đặt chế độ làm việc

- Các chế độ ngắt và xử lý ngắt gồm: ngắt truền thông, ngắt theo sườn lên hoặcxuống, ngắt thời gian, ngắt của bộ đếm tốc độ cao và ngắt truyền xung

3.1.1Cấu trúc bộ nhớ:

+ Phân chia bộ nhớ:

Bộ nhớ của S7_200 được phân chia thành 4 vùng với một tụ có nhiệm vụ duy trì

dữ liệu trong một khoảng thời gian nhất định khi bị mất nguồn Bộ nhớ của S7_200 cótính năng động cao, đọc và ghi được trong toàn vùng, loại trừ phần bit nhớ đặt biệt được

kí hiệu bởi SM (Special Memory) chỉ có thể truy nhập để đọc

- Vùng chương trình là vùng bộ nhớ được sử dụng để lưu trữ các lệnh chươngtrình Vùng này thuộc kiểu non-volatile đọc/ghi được

- Vùng tham số: là miền lưu giữ các tham số như: từ khóa, địa chỉ trạm…Cũnggiống như vùng chương trình, vùng tham số cũng thuộc non- volatile đọc/ghi được

- Vùng dữ liệu: được sử dụng để cất các dữ liệu của chương trình bao gồm cáckết quả các phép tính, hằng số được định nghĩa trong chương trình, bộ đệm truyềnthông… Một phần của vùng nhớ này (1KB đầu tiên với CPU214) thuộc kiểu non-volatile đọc/ghi được

- Vùng đối tượng: Timer, bộ đếm, bộ đếm tốc độ cao và các cổng vào/ra tương

tự được đặt trong vùng nhớ cuối cùng Vùng này không thuộc kiểu non-volatile nhưngđọc ghi được

Hai vùng nhớ cuối có ý nghĩa quan trọng trong việc thực hiện một chương trình

+ Vùng dữ liệu:

Vùng dữ liệu là một miền nhớ động Nó có thể được truy nhập theo từng bit,từng byte, từng từ đơn(word) hoặc theo từng từ kép và được sử dụng làm miền lưu dữliệu cho các thuật toán, các hàm truyền thông, lập bản, các hàm dịch chuyển, xoay vòngthanh ghi, con trỏ địa chỉ…

Ghi các dữ liệu kiểu bản bị hạn chế rất nhiều vì các dữ liệu kiểu bảng thường chỉđược sử dụng theo những mục đích nhất định

EEPROM Bộ nhớ ngoài

Hình: Bộ nhớ trong và ngoài của S7-200

Vùng dữ liệu lại được chia ra thành những miền nhớ nhỏ với các công dụngkhác nhau Chúng được kí hiệu bằng các chữ cái đầu tiên của chữ trong tiếng Anh, đặctrưng cho công dụng riêng của chúng như sau:

V Variable memory

I Input image register

O Output image register

M Internal Memory bits

SM Special Memory bits

Tất cả các miền này đều có thể truy cập được theo từng bit, từng byte, từng từđơn (word- 2 byte) hoặc từ kép (2 words)

Hình sau mô tả vùng dữ liệu của CPU212 và CPU214

Địa chỉ truy cập được qui ước bởi công thức:

- Truy nhập theo bit: tên miền (+) địa chỉ byte(+) (+)chỉ số bit Ví dụ V150.4

chỉ bit 4 của byte 150 thuộc miền V

- Truy nhập theo Byte: Tên miền (+) B (+) địa chỉ của byte trong miền Ví dụ

VB150 chỉ Byte 150 thuộc miền V

- Truy nhập theo từ: Tên miền (+) W (+) địa chỉ byte cao của từ trong miền Ví

dụ VW150 chỉ từ đơn gồm hai Byte 150 và 151 thuộc miền V, trong đó byte 150 có vaitrò là byte cao trong từ

15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0VW150 VB150(byte cao) VB151(byte thấp)

- Truy nhập theo từ kép: Tên miền (+) D (+) địa chỉ byte cao của từ trongmiền

Ví dụ VD150 chỉ từ kép gồm 4 byte 150, 151, 152, 153 thuộc miền V, trong đó byte

150 có vai trò là byte cao và byte 153 có vai trò là byte thấp trong từ kép

Bit: 63 32 31 16 15 8 7 0VD150 VB150 (byte

cao) VB151 VB152 VB153 (bytethấp)Tất cả các byte thuộc vùng dữ liệu đều có thể truy nhập được bằng con trỏ Contrỏ được định nghĩa trong miềnV hoặc các thanh ghi AC1, AC2 và AC3 Mỗi con trỏchỉ địa chỉ gồm 4 byte(từ kép) Qui ước sử dụng con trỏ để truy nhập như sau:

&địa chỉ byte (cao) là toán hạng lấy địa chỉ của byte, từ hoặc từ kép Ví dụ:

- AC1=&VB150, thanh ghi chứa địa chỉ Byte 150 thuộc miền V

- VD100=&VW150, từ kép VD100 chứa địa chỉ byte cao (VB150) của từ đơn VW150

- AC2=&VD150, thanh ghi AC2 chứa địa chỉ byte cao (VB150) của từ kép VD150

* con trỏ: là toán hạn lấy nội dung của byte, từ hoặc từ kép mà con trỏ đang chỉ vào.

Ví dụ như với phép gán địa chỉ trên thì:

- *AC1, lấy nội dung của byte VB150

- *VD100, lấy nội dung của từ đơn VW150

- *AC2, lấy nội dung của từ kép VD150

Phép gán địa chỉ và sử dụng con trỏ như trên cũng có tác dụng với những thanhghi 16 bit của timer, bộ đếm thuộc vùng đối tượng sẽ được trình bày ở phần dưới:

+ Vùng đối tượng:

Vùng đối tượng được sử dụng để lưu dữ liệucho các đối tượng lập trình như cácgiá trị tức thời, giá trị đặt trướccủa bộ đếm hay Timer Dữ liệu kiểu đối tượng bao gồmcác thanh ghi của Timer, bộ đếm, bộ đếm tốc độ cao, bộ đệm vào/ra tương tự và cácthanh ghi Accumulator(AC)

Kiểu dữ liệu đối tượng bị hạn chế rất nhiều vì các dữ liệu kiểu đối tượng chỉđược ghi theo mục đích cần sử dụng đối tượng đó

Vùng nhớ đối tượng được phân chia như sau:

Bộ đếm tốc độ cao

(Đọc/Ghi)

HSC0HSC1 (chỉ có trong CPU214)

HSC1( chỉ có trong CPU214)

3.1.2 Thực hiện chương trình:

PLC thực hiện chương trình theo chu kỳ lặp Mỗi vòng lặp được gọi là một vòngquét (Scan) Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng việc đọc dữ liệu từ các cổng vào vùng bộđệm ảo, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình Trong từng vòng quét chươngtrình thực hiện bằng lệnh đầu tiên và kết thúc bằng lệnh kết thúc Sau giai đoạn thựchiện chương trình là giai đọan truyền thông và kiểm tra lỗi Vòng quét được kết thúcbằng giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo đến cổng ra

Như vậy, tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra, thông thường lệnh không làm việctrực tiếp với cổng vào ra và chỉ thông qua bộ đệm ảo của cổng trong vùng nhớ tham số.Việc truyền thông giữa bộ đệm ảo với ngoại vi trong giai đoạn 1 và 4 do CPU quản lý.Khi gặp lệnh vào/ra ngay lập tức thì hệ thông sẽ cho dừng mọi công việc khác, ngay cảchương trình xử lý ngắt, để thực hiện lệnh này một cách trực tiếp với cổng vào/ra

Nếu sử dụng các chế độ ngắt, chương trình con tương ứng với từng tín hiệu ngắtđược soạn thảo và cài đặt như một bộ phận của chương trình Chương trình xử lý ngắtchỉ được thực hiện trong vòng quét khi xuất hiện tín hiệu báo ngắt và có thể xảy ra ở bất

cứ điểm nào trong vòng quét

3.1.3 Cấu trúc chương trình của S7-200:

Có thể lập trình cho PLC S7_200 bằng cách sử dụng một trong những phần mềmsau:

Giai đoạn chuyển dữ

liệu ra ngoại vi

Giai đoạn truyền thông nội bộ

và tự kiểm tra lỗi

Giai đoạn thực hiện chương trình

Các chương trình con cho S7_200 phải có cấu trúc bao gồm chương trình chính(Main Program) và sau đó đến các chương trình con và các chương trình xử lý ngắtđược chỉ ra sau đây:

- Chương trình chính được kết thúc bằng lệnh kết thúc chương trình (MEND)

- Chương trình con là một bộ phận của chương trình Các chương trình con phảiđược viết sau lệnh kết thúc chương trình chính, đó là lệnh MEND

- Các chương trình xử lý ngắt là một bộ phận của chương trình Nếu cần sử dụngchương trình xử lý ngắt phải viết sau lệnh kết thúc chương trình chính MEND

- Các chương trình con được nhóm lại thành một nhóm ngay sau chương trìnhchính Sau đó đếân ngay chương trình xử lí ngắt Bằng cách viết như vậy, cấu trúcchương trình được rõ ràng và thuận tiện hơn trong việc đọc chương trình sau này Cóthể trộn lẩn chương trình con và chương trình xử lý ngắt ngay sau chương trình chính

3.2 CẢM BIẾN ÁP SUẤT :

Main Program

… MEND Thực hiện một vòng quét

SBR 0 Chương trình con thứ nhất

… RET

Thực hiện khi được chương trình chính gọi

…

SBR n Chương trình con thứ n+1

… RET

INT 0 Chương trình xử lý ngắt thứ 1

… RETI

Thực hiện khi có tín hiệu báo ngắt.

…

INT n Chương trình xử lý ngắt thứ n+1

… RETI

+ Đặc tính :

 Giá trị cao và thực thi nổi bật

 Không niêm nhựa bên trong

 Ngõ ra được khuếch đại

 Thời gian đáp ứng < 500 s

 Thiết kế phù hợp chuẩn IP65

 Đạt chuẩn CE, chuẩn công nghiệp nặng CME

+ Lợi ích :

 Phù hợp cho các nhà chế tạo máy

 Khơng cần vịng đệm

 Loại bỏ chi phí cho bộ khuếch đại ngồi

 Khơng hư do đấu lộn cực

 Đo lường tốc độ cao chính xác

 Được bảo vệ trong mơi trường khắc nghiệt

Aùp suất chịu

đựng 2 x dải đo (< 500 psis); 1.5 x dải đo (500 psi)

Aùp suất phá hỏng 10 x dải đo (< 500 psis); 10 x dải đo, tối đa 30 kpsi (500 psi)Vật liệu tiếp xúc 300 series SS, hợp chất đồng thau

(tối đa 7 V)Dịng cung cấp 5mA 5mA N/A

(tối đa 17 mA) (tối đa 17 mA)Dịng đẩy (khơng

THỰC THI

Thời gian đáp ứng < 500 s

EMI/RFI Đạt chuẩn công nghiệp nặng CE

Đầu nối điện Packard Metri-PackTM , P/N : 12065287

Độ chính xác 0.25% bao gồm : độ phi tuyến, độ trễ, độ nhanh Không bao gồm

lỗi do nhiệtTổng sai số 2% (tối đa 3%), bao gồm lỗi zero offset, lỗi thang đo, nhiệt ảnh

hưởng trên điểm zero và nhiệt ảnh hưhởng trên thang đo, độ phituyến, độ trễ, độ nhanh

Bù vâng hành và

nhiệt độ lưu trữ

-40o đến 105oC(-40o đến 221oF)

+ Ứng dụng :

 Dùng cho động cơ Diesel

 Dùng cho hệ thống lạnh và HVAC

 Dùng đo áp suất thủy lực

 Dùng đo áp suất công nghiệp

 Dùng làm phanh thủy lực

3.3 BIẾN TẦN:

Hình 5.1 : Biến tần 3G3MV

Đây là biến tần loại nhỏ, đa chức năng và hỗ trợ mạng Dễ sử dụng vớichức năng tiến tiến và điều khiển linh hoạt Các đặc điểm của biến tần 3G3MV

 Điều khiển vector không dùng sensor

 Có lắp bộ chỉnh tần số

 Các chức năng bảo vệ chống quá dòng và dòng xung

 Có khả năng kết nối RS-422/485 vàCompoBus/D

 Tiết kiệm năng lượng

 Điều khiển 16 tốc độ

 Bảo vệ ngắn mạch ngõ ra

 Dễ dàng thiết lập các thông số ban đầu

 Dễ bảo trì Quạt làm mát có thể sữa chữa và thay thế dễ dàng Tuổi thọcủa quạt sẽ được kéo dài bằng cách chỉ bật khi biến tần bắt đầu hoạt động

1.2.2 Các ký hiệu trên bề mặt biến tần :