Điều khiển, giám sát hệ thống tự động ổn định theo mức với biến tần và plc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÙNG VƯƠNG KHOA: KỸ THUẬT - CÔNG NGHỆ - NGUYỄN MINH TUẤN ĐIỀU KHIỂN, GIÁM SÁT HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ỔN ĐỊNH THEO MỨC VỚI BIẾN TẦN VÀ PLC KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngành: CÔNG NGHỆ KĨ THUẬT - ĐIỆN ĐIỆN TỬ Phú Thọ, 2022 i MỤC LỤC MỤC LỤC………………………………………………………………………i DANH MỤC HÌNH ẢNH…………………………………………………… iii DANH MỤC BẢNG BIỂU………………………………………………… iii PHẦN I: MỞ ĐẦU…………………………………………………………… 1.1 Lý chọn đề tài 1.2 Mục tiêu nghiên cứu _ 1.3 Ý nghĩa khoa học đề tài _ 1.4 Phạm vi nghiên cứu PHẦN II: NỘI DUNG……………………………………………………… CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂM MỨC………3 2.1 Nguyên tắc điều khiển hệ thống 2.2 Hệ thống điều khiển mức _ CHƢƠNG 2: NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU………… 2.1 Đối tượng nghiên cứu 2.2 Phạm vi nghiên cứu 2.3 Nội dung nghiên cứu _ 2.4 Phương pháp nghiên cứu CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU………………………………… 23 3.1 Kết nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển 23 3.2 Chương trình lập trình PLC S7-1200 HMI Siemens KT900 _ 24 3.3 Lập trình cho PLC S7-1200 _ 33 3.4 Lập trình HMI _ 37 3.5 Thiết kế tủ điện _ 43 PHẦN III: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ………………………………… 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………49 PHỤ LỤC…………………………………………………………………… 49 ii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 Biểu đồ minh họa hoạt động điều khiển bơm Hình CPU 1414C AC/DC/Rly 6ES7212-1AE31-0XB0 Hình 2: Thành phần PLC 10 Hình Sơ đồ đấu nối đầu vào/ra PLC 11 Hình Biến tần G110 13 Hình Cách đấu nối mạch lực 14 Hình Các đầu dây điều khiển 14 Hình Sơ đồ nguyên lý 14 Hình Cảm biến mức 19 Hình Cách hoạt động cảm biến mức 19 Hình 10 Các phận cảm biến 20 Hình 11 Cách đấu nối dây từ PLC sang biến tần 21 Hình 12 Dây kết nối Ethernet 22 Hình 1: Sơ đồ khối hệ thống 23 Hình Kết cấu làm việc vói TIA PORTAL 24 Hình 3 Hình ảnh chương trình HMI 42 Hình Kết tải chương trình vào HMI 43 Hình Cách xếp thiết bị tủ 43 Hình Sơ đồ đấu nối thiết bị 44 Hình Cách nối cảm biến với PLC 44 Hình Tủ điện sau lắp đặt 45 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Các phím chức biến tần 15 Bảng Bảng số liệu đo dùng thử hệ thống 46 iii PHẦN I: MỞ ĐẦU 1.1 Lý chọn đề tài Trên giới Việt Nam nhu cầu tiêu thụ lượng ngày tăng dần có nhiều cảnh báo tiết kiệm lượng Các ngành công nghiệp nói chung ngành lưu trữ chất lỏng nói riêng sử dụng cơng nghệ truyền động khơng thích hợp, điều khiển thụ động, không linh hoạt Đối với nhà máy nước, yếu tố cấu thành giá nước bị chi phối phần lớn chi phí điện bơm nước, nước tràn khơng kiểm sốt lưu lượng Với ngành liên quan tới nhiên liệu chất đốt, đảm bảo không bị tràn lưu trữ tối đa lượng chất lỏng giúp tiết kiệm chi phí vận chuyển Trước tồn quan điểm việc đầu tư vào tiết kiệm lượng công việc tốn không mang lại hiệu thiết thực Với cơng nghệ biến tần tính tốn việc đầu tư vào hệ thống điều khiển tiết kiệm lượng cho trạm bơm có thời gian hồn vốn đầu tư ngắn giảm chi phí cho cơng tác quản lí vận hành thiết bị Trong phạm vi đồ án, đề cập đến việc sử dụng thiết bị biến tần điều khiển tốc độ máy bơm mà ổn định mức dung dịch bể chứa 1.2 Mục tiêu nghiên cứu Với đề tài này, chúng em mơ hình hóa hệ thống nên sử dụng biến tần công suất nhỏ động công suất nhỏ để mô tả hoạt động hệ thống Một phần máy bơm ba pha thường to nặng kéo theo hệ thống khơng đơn giản, lý chi phí cho đồ án lớn với khả chúng em Để thực đề tài chúng em đã: - Nghiên cứu kĩ hệ thống bơm cấp nước thực tế, nắm rõ trình tự điều khiển máy bơm - Tìm hiểu PLC Simatic S7-1200: Nghiên cứu cấu trúc phần cứng, cấu trúc nhớ PLC S7-1200 - Tìm hiểu cách sử dụng biến tần G110 - Lựa chọn biến tần động có cơng suất hợp lý - Tìm hiểu giao tiếp PLC S7-1200 biến tần - Lập trình PLC HMI - Tìm hiểu cách sử dụng phần mềm TIA PORTAL dùng để lập trình cho PLC S7-1200 phần mềm EBPro dùng để lập trình cho HMI Weintek 1.3 Ý nghĩa khoa học đề tài Đề tài cho thấy việc ứng dụng tự động hóa vào sống cần thiết, giúp ta tiết kiệm thời gian, công sức, tiền bạc mang lại hiệu kinh tế cao hoạt động ổn định Từ đề tài nghiên cứu hệ thống ổn định mức dung dịch bể chứa, mở rộng cho hệ thống điều khiển lị nhiệt, hệ thống điều hịa khơng khí,… 1.4 Phạm vi nghiên cứu Từ kiến thức sở học trường thực tế, hạn chế kiến thức khả kinh tế thời gian có hạn nên chúng em tạo mơ hình mang tính chất mơ cao để thể quy trình hoạt động hệ thống cấp nước thực tế Trong đó, chúng em thực số cơng việc: - Lập trình PLC theo thuật tốn đưa - Giao tiếp PLC với HMI giám sát hệ thống - Giao tiếp PLC với biến tần - Thiết kế giao diện điều khiển tự động với EBPro - Cài đặt biến tần cho động hoạt động theo giá trị tần số yêu cầu PHẦN II: NỘI DUNG CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂM MỨC Mỗi trạm bơm thường có nhiều máy bơm cấp chất lỏng vào bể Lưu lượng chảy chất lỏng thay đổi theo lượng dung dịch có bể Điều chỉnh lưu lượng nước bơm thực phương pháp thay đổi tần số dòng điện cấp cho động nhờ vào biến tần - Điều chỉnh cách khép van ống đẩy bơm - Điều chỉnh cách đóng mở máy bơm hoạt động đồng thời - Điều khiển thay đổi tốc độ quay khớp nối Điều khiển theo phương pháp không tiết kiệm lượng điện tiêu thụ mà cịn gây nên hỏng hóc thiết bị đường ống chấn động đóng mở van gây nên, đồng thời máy bơm cung cấp không bám sát chế độ tiêu thụ mạng lưới Để giải vấn đề kể sử dụng phương pháp điều khiển truyền động biến đổi tốc độ biến tần kết hợp với thuật toán điều khiển PLC Thiết bị biến tần thiết bị điều chỉnh biến đổi tốc độ quay động cách thay đổi tần số dòng điện cung cấp cho động 2.1 Nguyên tắc điều khiển hệ thống Đầu PLC nối với biến tần để điều khiển biến tần từ dây biến tần điều khiển tốc độ động Khi sử dụng thiết bị biến tần cho phép điều chỉnh cách linh hoạt lưu lượng áp lực cấp vào mạng lưới theo yêu cầu tiêu thụ Với tín hiệu từ cảm biến mức phản hồi PLC, PLC so sánh giá trị truyền với giá trị đặt để từ lệnh cho biến tần giúp thay đổi tốc độ động cách thay đổi tần số dòng điện đưa vào động để đảm bảo áp suất nước đường ống ổn định Sử điều chỉnh linh hoạt máy bơm sử dụng biến tần cụ thể sau: - Điều chỉnh tốc độ quay mức thay đổi - Đa dạng phương thức điều khiển máy bơm trạm bơm Một thiêt bị biến tần điều khiển tới máy bơm 2.1.1 Phƣơng thức điều khiển bơm Có phương thức điều khiển máy bơm: - Điều khiển theo mực nước: Trên sở tín hiệu mực chất lỏng bể hút hồi tiếp PLC Bộ vi xử lý so sánh tín hiệu hồi tiếp với mực chất lỏng cài đặt Trên sở kết so sánh, PLC điều khiển đóng mở máy bơm cho phù hợp để mực chất lỏng bể giá trị cài đặt Ngược lại tín hiệu hồi tiếp lớn giá trị cài đặt, biến tần điều khiển bơm để mực chất lỏng đạt giá trị đặt - Điều khiển theo hình thức chủ động thụ động: Mỗi máy bơm nối với biến tần có biến tần chủ động, biến tần khác thụ động Khi tín hiệu hồi tiếp biến tần chủ động vi xử lý biến tần so sánh với tín hiệu đặt để từ tác động đến biến tần thụ động điều chỉnh tốc độ quay máy bơm cho phù hợp không gây tượng đập thủy lực phản hồi từ hệ thống Phương thức điều khiển linh hoạt khắc phục khó khăn trình vận hành bơm khác với thiết kế Phương thức sử dụng cho trường hợp thay đổi lưu lượng mức mạng lưới - Điều khiển theo hình thức biến tần điều khiển bơm: Một máy bơm thơng qua thiết bị biến tần, máy bơm cịn lại đóng mở trực tiếp khởi động mềm Khi tín hiệu mức mạng lưới hồi tiếp PLC, xử lý so sánh với giá trị cài đặt điều khiển tốc độ máy bơm chạy với tốc độ phù hợp Đây cách mà em tiến hành làm Khi mà bơm điều khiển biến tần hoạt động chế độ định mức lâu mà chưa đáp ứng mức dung dịch PLC lệnh để đưa máy bơm khởi động mềm tham gia vào hệ thống nhằm trì áp suất mong muốn đường ống Đến lúc đó, mà dung dịch bể đạt tới mức định PLC ngắt bơm phụ tránh mức cao gây tràn bể Trong lúc đó, PLC lệnh cho biến tần để biến tần giảm dần tần số động để giảm dần lưu lượng nước Tất việc theo dõi giám sát Tia Portal qua hình HMI (hoặc máy tính) 2.1.2 Những ƣu điểm điều khiển tốc độ bơm thiết bị biến tần - Hạn chế dòng khởi động cao - Tiết kiệm lượng - Điều khiển linh hoạt máy bơm - Dãy công suất rộng từ 1,1 – 400KW - Tự động ngừng đạt tới điểm cài đặt - Tăng tốc nhanh giúp biến tần bắt kịp tốc độ thời động - Tự động tăng tốc giảm tốc tránh tải điện áp khởi động - Bảo vệ động khi: ngắn mạch, pha, lệch pha, tải, dòng, nhiệt,… - Kết nối với máy tính chạy hệ điều hành Window - Kích thước nhỏ gọn, khơng chiếm diện tích nhà trạm - Mô-men khởi động cao với chế độ tiết kiệm lượng - Dễ dàng lắp đặt vận hành - Hiển thị thông số động biến tần 2.1.3 Mô tả hoạt động hệ thống (đƣợc điều khiển theo hình thức biến tần điều khiển bơm) Trong hệ thống có cảm biến mức để định vị mức dung dịch có gửi thơng tin PLC, sau PLC xử lý xuất tín hiệu biến tần Biến tần điều khiển trực tiếp máy bơm pha Khởi động hệ thống lên máy bơm pha điều khiển biến tần chạy đạt mức đặt, mức bể chứa mức đặt biến tần giữ ổn định tốc độ máy bơm Trường hợp tải thay đổi tức mức thay đổi, tùy theo mức chất lỏng tăng hay giảm biến tần điều khiển máy bơm chạy nhanh hay chậm Khi tải tăng tức mức giảm, lúc muốn ổn định mức biến tần điều khiển máy bơm chạy nhanh (tăng tần số máy bơm pha) đạt áp suất đặt Ngược lại, mức giảm biến tần giảm tần số máy bơm xuống cho phù hợp với mức Nếu lúc tải giảm mạnh (mức tăng lên cao) biến tần ngừng hoạt động động ( đưa tần số 0Hz) mức dung dịch chạm mức thấp Hệ thống hoạt động liên tục vậy, mức bể luôn giữ ổn định cần thiết tránh tình trạng tràn bể 2.2 Hệ thống điều khiển mức Sử dụng biến tần Siemens G110 điều khiển động bơm, công suất tiêu thụ động biến tần điều chỉnh cho phù hợp với nhu cầu phụ tải Một sensor mức đặt phía bể để đo mức chất lỏng đưa hệ thống điều khiển Hệ thống điều khiển PLC S7-1200 (Siemens) đảm bảo cho việc tự động hóa hồn tồn trình bơm cấp nước Nhà máy Vận hành hệ thống thông qua Tia Portal Tần số Tần số 50 45 40 35 30 25 20 15 10 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Mức 200 Hình 1Biểu đồ minh họa hoạt động điều khiển bơm Như với viêc đưa biến tần vào hệ thống hoạt động bám sát theo thực tế mức dung dịch, giảm đáng kể dung dịch tràn không cần thiết bể gần đầy Hệ thống tự động giám sát mức nước bể điều khiển ngược lại để đảm bảo giữ áp suất theo yêu cầu PLC điều khiển động phụ thuộc mức dung dịch bể, tức hệ thống điều khiển tốc độ bơm theo mức thực Hệ thống điều khiển tự động thực số chức sau: - Đo lường: đầu đo mức đo lường chuyển đổi để đưa CPU S7-1200 - Xử lý thông tin: điều khiển trung tâm đảm nhiệm vấn đề - Điều khiển: S7-1200 phối hợp với biến tần làm việc theo yêu cầu - Giám sát: S7-1200 kết nối đầu đo mức để giám sát hệ thống hoạt động - Giao tiếp người vận hành thiết bị: sử dụng hình cảm ứng HMI Siemens 900 Basics Mục Name dùng để ghi địa bit cần hiển thị Tích chọn Range để hiển thị nhiều trạng thái giá trị bit Ở khung bên dưới, cột Range để đặt giá trị bit, background color để chỉnh màu cho phần bên biểu tượng đổi màu tương ứng với giá trị bit đặt cột Range - Ngoài ra, biểu tượng cịn ẩn tùy giá trị bit, di chuyển theo lộ trình phụ thuộc vào thay đổi hoạt động chương trình PLC - Ngồi biểu tượng đơn giản, ta cịn chọn hình dáng mong muốn nút Picture * Lệnh điều khiển – nút ấn: Nút có tác dụng kích hoạt điều khiển bit chương trình PLC 40 Ở mục Element bên bảng bên trái, chọn biểu tượng nút nhấn (như hình trên), đặt nút vào vị trí đổi tên theo mong muốn Sau nhấn chuột phải vào nút nhấn, chọn Properties Bảng lên hình Chọn sang mục events, ta cài đặt nút hoạt động theo ý muốn: click – lệnh điều khiển click vào nút; press – lệnh điều khiển nhấn nút;… Theo yêu cầu đặt ra, cần nút nhấn điều khiển cho yêu cầu: khởi động dừng hệ thống Theo đó, cài đặt đây: Vào mục Press, click đôi chuột vào Add function, nhập chọn SetBit Sau nhấn vào phần tag, chọn tới tag tương ứng với bit cần điều khiển Sau đó, vào mục Release, click đôi chuột vào Add function, nhập chọn ResetBit Sau nhấn vào phần tag, chọn tới tag tương ứng với bit cần điều khiển 41 * Lệnh hiển thị tín hiệu đọc, đếm theo dạng cột Ở bảng bên phải, chọn vào biểu tượng Bar, đặt vào vị trí mong muốn Nhấn chuột phải vào biểu tượng chọn Properties Sẽ có bảng nhở lên hình Trong mục General cho phép thay đổi giới hạn hiển thị số; Process tag cho phép chọn tag tương ứng với vùng nhớ chương trình PLC mà ta cần đọc tín hiệu từ Hình 3 Hình ảnh chương trình HMI 42 Hình Kết tải chương trình vào HMI 3.5 Thiết kế tủ điện Sơ đồ thiết bị tủ: Hình Cách xếp thiết bị tủ 43 Hình Sơ đồ đấu nối thiết bị Đấu nối cảm biến với PLC: PLC Hình Cách nối cảm biến với PLC 44 Hình Tủ điện sau lắp đặt 3.6 Kết chạy thử nghiệm hoàn thiện 3.6.1 Hoạt động hệ thống  Các tiêu đánh giá Mơ hình ổn định mức đặt tốn để mơ hình ứng dụng cách thực tế tối ưu đem thực tế Xét tốn điều khiển hệ thống đặt mơ hình ổn định mức phải đảm bảo tiêu chí sau: - Hệ thống điều khiển giám sát phải hoạt động cách ổn định - Hệ thống phải đáp ứng đủ yêu cầu hệ thống tự động hóa độ an tồn, tin cậy, ổn định xác - Các linh kiện phải bền, dễ sửa chữa, vận hành bảo trì thiết bị - Chương trình đơn giản, dễ tìm lỗi sửa chữa  Hoạt động hệ thống 45 Tiến hành chạy thử nghiệm mơ hình ổn định mức sau: Cho hệ thống hoạt động liên tục vòng tiếng ngày, tắt/bật hệ thống 15 phút lần kiểm tra lại tính ổn định thành phần 3.6.2 Đánh giá chất lƣợng hoạt động Chương trình PLC hoạt động ổn định, sai số thấp, đáp ứng đủ yêu cầu đặt ra: Mô hình ổn định mức hồn thành đảm bảo u cầu công nghệ kỹ thuật đặt hệ thống hoạt động ổn định, an tồn, xác tin cậy Hệ thống điều khiển giám sát HMI hoạt động xác Mơ hình ổn định mức sau chạy thử nghiệm theo dõi thời gian dài cho thấy kết tính khả quan ứng dụng vào thực tiễn Hệ thống tác động nhanh xác thơng số thực tế Hệ thống hồn tồn tự động có can thiệp trực tiếp người giảm bớt thời gian công sức tiền bạc cho người sử dụng Dưới bảng số liệu đo dùng thử hệ thống (thử khoảng cách kích hoạt, khoảng cách tối đa 50cm): Mức Mức Mức Mức Mức Mức Mức Lần (8 Hz) (16 Hz) (24 Hz) (32 Hz) (40 Hz) (48 Hz) cm 14 cm 23 cm 32 cm 41 cm 50 cm cm 14 cm 22 cm 31 cm 42 cm 51 cm cm 14 cm 22 cm 32 cm 42 cm 51 cm cm 16 cm 23 cm 32 cm 41 cm 50 cm 5 cm 15 cm 22 cm 32 cm 40 cm 49 cm cm 14 cm 23 cm 32 cm 40 cm 50 cm cm 14 cm 22 cm 32 cm 41 cm 50 cm cm 15 cm 22 cm 31 cm 40 cm 50 cm cm 13 cm 24 cm 32 cm 40 cm 51 cm 10 cm 14 cm 23 cm 32 cm 41 cm 50 cm Bảng Bảng số liệu đo dùng thử hệ thống 46 PHẦN III: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Sau thời gian nghiên cứu tìm hiểu, hướng dẫn nhiệt tình thầy Mai Văn Chung thầy Hà Duy Thái em hoàn thành đồ án thiết kế hệ thống điều khiển giám sát mức Các vấn đề giải quyết: - Về tìm hiểu tính năng, thông số kỹ thuật nguyên lý hoạt động số linh kiện, thiết bị điện phục vụ cho ghép nối hệ thống - Tìm hiểm cách lập trình, sử dụng thiết bị điều khiển tự động hóa giám sát - Nắm cấu trúc nguyên lý hoạt động khối hệ thống điều khiển ổn định mức Với đề tài này, tương lai em phát triển mức cao hơn, thêm tính điều khiển từ xa, tăng tính tự động hóa tối ưu hóa để dễ sử dụng sửa chữa hơn… ứng dụng rộng rãi vào sống Do thời gian thực ngắn kiến thức chun mơn cịn nhiều hạn chế nên đồ án không tránh khỏi khiếm khuyết kỹ thuật, kính mong thầy tham gia góp ý để em hoàn thiện đồ án, để đồ án sát với thực tế sẵn sàng ứng dụng sử dụng sống Em xin chân thành cảm ơn! Kiến nghị Bên cạnh ưu điểm hệ thống cịn hạn chế khó khăn việc điều khiển Để giải hạn chế tồn tại, khóa luận cần có thêm thời gian để nghiên cứu đưa phương hướng giải Và khả tài cịn hạn hẹp nên nhiều phận, thiết bị tạo thành hệ thống cho chất lượng chưa cao Đề xuất giải pháp Mơ hình ổn định giám sát mức áp dụng vào nhiều vào sống cịn phát triển nhiều để làm tốt Và để mơ 47 hình có tính hiệu đa nữa, em xin đề xuất việc cho sinh viên khóa sau tham khảo phát triển thêm đề tài Ngoài ra, em xin đề xuất biện pháp khắc phục nhược điểm giúp cho hệ thống hoạt động hiệu mà em chưa thể them vào trình thực hiện: - Viết thêm chương trình điều khiển định mức nước bơm vào bể (bơm tới mức định) - Cần áp dụng hệ thống cảnh báo hệ thống có cố nguy hiểm - Cần có thêm hệ thống cảm biến phát lỗi hệ thống khơng có dung dịch bơm lên bơm hoạt động 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO Lập Trình Với PLC S7 1200 & S7 1500, PGS TS Ngô Văn Thuyên – KS Phạm Văn Huy Điện Công Nghiệp Và Điều Khiển Động Cơ, Nguyễn Trọng Thắng – Trần Thề San Tự Động Hóa Simatic S7 - 1200 Với Tia Portal, Trần Văn Hiếu PHỤ LỤC Chƣơng trình PLC: - Khởi động hệ thống - Đọc đầu vào Analog từ cảm biến xuất HMI: 49 - Mức tần số cao nhất: 48 Hz - Mức tần số 40 Hz: - Mức tần số 32 Hz: 50 - Mức tần số 24 Hz: - Mức tần số 16 Hz: - Mức tần số thấp nhất: Hz - Xuất đầu Q0.0 51 - Xuất đầu Q0.1 - Xuất đầu Q0.2 52 - Khởi động lại chu trình Chƣơng trình HMI ( hồn thiện chỉnh sửa): 53 54