điều khiển bơm ổn định mức dùng plc và biến tần

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

0851050005

0851050025

Trang 2

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 3

BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 4

BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 5

Xin chân thành cảm ơn thầy Lê Quang Đức là người hướng dẫn chính cũng là người

đã tận tình chỉ bảo, góp ý và định hướng cho chúng em trong suốt thời gian làm luận văn Xin chân thành cảm ơn cô Đoàn Diễm Vương đã góp ý và tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em hoàn thành luận văn này

Xin gởi lời cảm ơn đến tất cả bạn bè, người thân đã động viên, ủng hộ chúng em trong thời gian làm luận văn

Cuối cùng vì kinh nghiệm và kiến thức còn hạn chế, khả năng tiếp thu vấn đề còn giới hạn nên không thề trách được những sai sót, chúng em mong nhận được sự quan tâm giúp

đỡ của các thầy (cô) để luận văn này được đầy đủ và hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Người viết

Trang 6

TÓM TẮT

Trong luận văn này chúng em vận dụng các kiến thức cơ bản được học tại trường để ứng dụng vào việc xây dựng các hệ thống ngoài thực tế, nhóm đã chọn bài toán ổn định mức nước trong bồn chứa công nghiệp qua đó vừa củng cố kiến thức vừa tìm hiểu, thiết

kế và thi công hệ thống với những mục tiêu sau:

 Tổng kết và phân tích các ứng dụng và giải pháp thực tế vấn đề điều khiển mức nước của bồn chứa trong công nghiệp

 Giải pháp tiết kiệm năng lượng

 Tìm hiểu giao thức USS để xây dựng truyền thông giữa PLC S7-200 và biến tần qua đó có thể cài đặt, giám sát hoạt động của hệ thống

 Tính toán, lựa chọn các thiết bị động lực và điều khiển

 Tìm hiểu biến tần MM420 của Siemens, sử dụng chức năng điều khiển PI trong biến tần để ổn định mức nước, tiến hành việc cài đặt các thông số phù hợp với hệ thống bơm ổn định mức

 Hệ thống hoạt động ổn định, tin cậy, đảm bảo các yêu cầu kĩ thuật

 Xây dựng hệ thống SCADA trên phần mềm Wincc với các chức năng điều khiển, giám sát các thông số kĩ thuật như mức nước, tốc độ động cơ, dòng điện, điện áp…Xuất báo cáo hoạt động của hệ thống hàng tuần, hàng tháng.và lưu trữ dữ liệu Tạo một Database tùy ý để theo giỏi và truy cập một cách chư động

 Điều khiển giám sát thông qua mạng LAN

Trang 7

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iii

BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iv

BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP v

LỜI CẢM ƠN vi

TÓM TẮT vii

MỤC LỤC viii

DANH SÁCH HÌNH VẼ xiii

DANH SÁCH BẢNG BIỂU xvi

DANH SÁCH CÔNG THỨC xvii

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Tìm hiểu về đối tượng 2

1.2.1 Ứng dụng 2

1.2.2 Giải pháp công nghệ đang được sử dụng 3

1.3 Lựa chọn giải pháp và nhiệm vụ đề tài 4

1.3.1 Lựa chọn giải pháp 4

1.3.2 Nhiệm vụ đề tài 7

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN LÍ THUYẾT 8

2.1 Nhiệm vụ đề tài 8

2.1.1 Giới thiệu chung về bồn nước 8

2.1.2 Bồn nước sử dụng trong đề tài 9

Trang 8

2.4 Giải thuật PID 13

2.4.1 Điều khiển bằng khâu tỉ lệ P 13

2.4.2 Điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ PD 13

2.4.3 Điều khiển bằng khâu tỉ lệ tích phân PI 15

2.4.4 Điều khiển bằng khâu vi tích phân tỉ lệ PID 16

2.4.5 ứng dụng điều khiển PI trong biến tần 17

CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG 19

3.1 Vấn đề điều khiển lưu lượng của bơm 19

3.1.1 Điều khiển theo kiểu truyền thống 19

3.1.2 Điều khiển bằng biến tần 19

3.2 Đặc tính của bơm 21

3.3 Điểm làm việc của tải bơm 21

3.3.1 Dùng van tiết lưu điều chỉnh lưu lượng 22

3.3.2 Dùng biến tần thay đổi tốc độ động cơ 23

3.4 Tính toán công suất bơm 23

3.5 So sánh dùng van và dung biến tần 24

CHƯƠNG 4: GIAO THỨC USS 25

4.1 Tổng quan về giao thức USS 25

4.2 Cấu trúc bức điện 25

4.2.1 Tổng thể 25

4.2.2 Vùng sữ liệu PKW 27

4.2.3 Vùng xử lí dữ liệu PZD 30

4.3 Sử dụng các lệnh trong thư viện USS 33

4.3.1 Lệnh USS_INIT 33

4.3.2 Lệnh USS_CTRL 34

4.3.3 Lệnh USS_RPM_x 37

CHƯƠNG 5: CÀI ĐẶT BIẾN TẦN……….………42

5.1 Cài đặt nhanh thông số động cơ 42

Trang 9

5.2 Nhập thông số biến tần và bảo vệ quá tải động cơ 43

5.3 Cài đặt bảo về biến tần và động cơ 44

5.5 Cài đặt cho phép khởi động lại 45

5.6 Tối ưu hóa đặc tính tăng, giảm tốc 46

5.7 Cài đặt chức năng giám sát moment 46

5.8 Cài đặt đầu vào tương tự ADC 47

5.9 ổn định mức với chức năng PI 48

5.10 Cài đặt giao thức USS 49

CHƯƠNG 6: PHÁT HIỆN VÀ KHẮC PHỤC SỰ CỐ 51

6.1 Sự cố nguồn điện ngắn hạn 51

6.2 Sự cố nguồn cấp nước, đường ống, tràn bồn 52

6.2.1 Sự cố nguồn cấp nước 52

6.2.2 Sự cố đường ống 53

6.2.3 Sự cố tràn bồn 54

6.3 Sự cố truyền thông 54

6.3.1 Sự cố trong chương trình 54

6.3.2 Sự cố hư biến tần, PLC, cảm biến 55

6.4 Sự cố hư hỏng thiết bị truyền thông 55

CHƯƠNG 7: GIẢI THUẬT CHƯƠNG TRÌNH 56

7.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống 56

7.1.1 Giao tiếp giữa PC và PLC 56

7.1.2 Giao tiếp PLC và biến tần 57

7.1.3 Cảm biến áp suất và biến tần 57

7.2 Giải thuật chương trình 58

CHƯƠNG 8: LỰA CHỌN THIẾT BỊ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG 60

Trang 10

8.2 Thiết kế hệ thống 64

8.2.1 Thiết kế phần cơ khí 64

8.2.2 Thiết kế hệ thống điện 65

8.3 Thi công hệ thống 66

CHƯƠNG 9: THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA CHO HỆ THỐNG 67

9.1 Giới thiệu chung về các chức năng sử dụng trong WinCC 67

9.1.1 WinCC 67

9.1.2 Đặc trưng cơ bản 68

9.1.3 Cơ sở dữ liệu ODBC/SQL 68

9.1.4 Các chức năng sử dụng trong WinCC 70

9.2 Thiết kế giao diện SCADA trong đồ án 78

9.2.1 Giao diện điều khiển trung tâm 78

9.2.3 Giao diện đọc ghi thông số biến tần 83

9.2.4 Giao diện Alarm 84

9.2.5 Giao diện Report 84

9.2.6 Giao diện Trend/ Table 86

9.3 Điều khiển giám sát qua mạng LAN 92

9.3.1 Giới thiệu về mạng LAN 92

9.3.2 Thiết lập kết nối 94

9.3.3 Ứng dụng vào đề tài 96

CHƯƠNG 10: KẾT QUẢ THỰC HIỆN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 98

10.1 Kết quả thực hiện 98

10.2 Những khó khăn gặp phải 100

10.3 Hạn chế đề tài 100

10.4 Hướng phát triển đề tài 100

PHỤ LỤC 103

I PLC S7-200, CPU 224XP……….(đính kèm) 103

II CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CHUNG CỦA BIẾN TẦN() 103

Trang 11

III SCADA VÀ PHẦN MỀM WINCC……… (đính kèm) 103

IV PHẦN MỀM STEP7 MICROWIN……….… …(đính kèm) 103

V PHẦN MỀM PC ACCESS………(đính kèm) 103

VI CHƯƠNG TRÌNH STEP7………(đính kềm) 103

Trang 12

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1: hệ thống bơm nước cho chung cư cao tầng 3

Hình 2.1: Bồn kín sử dụng trong công nghiệp 8

Hình 2.2: Bồn hở sử dụng trong công nghiệp 9

Hình 2.3: Bồn nước sử dụng trong đồ án 10

Hình 2.4: Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu tỉ lệ (P) 13

Hình 2.5: Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ (PD) với P = 1 14

Hình 2.6: Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ (PI) với P = 1 15

Hình 2.7: Sơ đồ điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID 17

Hình 3.1 Họ đường cong đặc tính bơm 21

Hình 3.2 Điểm làm việc của bơm dùng van tiết lưu 22

Hình 3.3 Công suất tổn hao với hệ thống dùng van tiết lưu 22

Hình3.4 Điểm làm việc của bơm dùng biến tần 23

Hình 4.1 Cấu trúc tổng thể bức điện 26

Hình 4.2 Cấu tạo khối dữ liệu 26

Hình 4.3 Cấu trúc PKE 27

Hình 4.4: Cấu trúc lệnh USS_INIT 33

Hình 4.5: Sử dụng lệnh USS_INT trong đề tài 34

Hình 4.6: Cấu trúc lệnh USS_CTRL 34

Hình 4.7: Sử dụng lệnh USS_CTRL trong đề tài 37

Hình 4.8: Cấu trúc lệnh USS_RPM_x 37

Hình 4.9: Sử dụng lệnh USS_RPM_R đọc giá trị dòng điện động cơ 39

Hình 4.10: Cấu trúc lệnh USS_WPM_x 39

Hình 4.11: Sử dụng lệnh USS_WPM_R thay đổi giá trị Kp trong điều khiển PI 41

Hình 7.1: Sơ đổ tổng quát hệ thống 56

Hình 8.2 Bản vẽ thiết kế cơ khí hệ thống 64

Hình 8.3 Bản vẽ hệ thống điện 65

Trang 13

Hình 8.4: Mô hình hệ thống sau khi hoàn thành 66

Hình 9.1: Tạo một chương trình WinCC 68

Hình 9.2: Màn hình làm việc của WinCC 70

Hình 9.3: Màn hình cài đặt thuộc tính Runtime 71

Hình 9.4: Giao diện chương trình PC Access 72

Hình 9.5: Add tag vào WinCC 73

Hình 9.6: Một màn hình thiết kế Graphics Designer 74

Hình 9.7: Màn hình Tag Longging 74

Hình 9.8: Màn hình Alarm Longging 75

Hình 9.9: Màn hình tạo Report Alarm 76

Hình 9.10: Màn hình User Administrator 77

Hình 9.11: Màn hình điều khiển trung tâm 78

Hình 9.13: Giao diện đọc ghi thông số biến tần 83

Hình 9.14: Giao diện Alarm 84

Hình 9.15: File ACCESS được xuất ra và lưu trữ 85

Hình 9.16: Đồ thị dòng điện động cơ 86

Hình 9.17: Đồ thị điện áp động cơ 87

Hình 9.19: Đồ thị tần số động cơ 89

Hình 9.20: Đồ thị điện năng tiêu thụ 90

Hình 9.21: Đồ thị mức nước 91

Hình 9.22: Mạng LAN gồm 4 máy tính 92

Hình 9.23: Kiểu mạng LAN đấu BUS 93

Hình 9.24: Kiểu mạng LAN đấu RING 93

Hình 9.25: Kiểu mạng LAN đấu sao 94

Hình 9.26: Khởi tạo kết nối ở máy chủ 95

Trang 15

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 4.1 Ý nghĩa của tham số AK 28

Bảng 4.2 Ý nghĩa tham số AK trong bức điện trả lời 29

Bảng 4.3 Mở rộng thông số 29

Bảng 4.5 Giá trị tham số STW 31

Bảng 4.6 Giá trị tham số ZSW 32

Bảng 5.1: Thông số Reset giá trị mặc định 42

Bảng 5.2: Cài đặt nhanh thông số động cơ 42

Bảng 5.3: Nhập thông số biến tần và bảo vệ quá tải động cơ 43

Bảng 5.4: Cài đặt bảo vệ biến tần và động cơ 44

Bảng 5.5: Cài đặt chức năng khởi động bám 45

Bảng 5.6: Cài đặt chức năng tự khởi động lại 45

Bảng 5.7: Tối ưu đặc tính tăng, giảm tốc 46

Bảng 5.8: Chức năng giám sát Moment trong MM430 47

Bảng 5.9: Cài đặt đầu vào tương tự ADC 47

Bảng 5.11: Giá trị đặt PI-MOP và giá trị mức nước thực tế 49

Bảng 5.12: Cài đặt giao thức USS 50

Bảng 6.1: Cài đặt chức năng tự khởi động lại 52

Bảng 6.2: Cài đặt chức năng khởi động bám 52

Bảng 6.3: Chức năng giám sát Moment trong MM430 53

Bảng 6.4: Cài đặt đầu vào tương tự ADC 54

Bảng 8.1 Bảng chọn tiết diện dây dẫn 62

Trang 16

DANH SÁCH CÔNG THỨC

trang

1.1: Tốc độ động cơ 3 pha không đồng bộ 4

2.1: Quan hệ mức nước với áp suất 13

2.2: Hàm truyền khâu điều khiển tỉ lệ 13

2.3: Hàm truyền khâu điều khiển vi phân tỉ lệ 14

2.4: Hàm truyền khâu điều khiểntích phân tỉ lệ 15

2.5: Hàm truyền bộ điều khiển PID 17

2.6: Mối quan hệ giữa tín hiệura u(t) với tín hiệu sai lệch e(t) trong bộ PI 17

3.1: Mối quan hệ Momen và tốc độ động cơ tải bơm (quạt) 20

3.2: Mối quan hệ công suất, monen vả tốc độ động cơ tải bơm(quạt) 20

3.3: Mối quan hệ công suất vả tốc độ động cơ tải bơm(quạt) 20

3.4: Tính chọn công suất bơm 23

5.1: Công thức nội suy 2 điểm 50

Trang 17

DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT

Trang 18

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Đặt vấn đề

Tự động hóa quá trình công nghệ đã thực sự phát triển và ứng dụng mạnh mẽ trong công nghiệp, là sự lựa chọn tối ưu trong mọi lĩnh vực nhằm tạo ra sản phẩm chất lượng cao, tiết kiệm chi phí sản xuất tạo khả năng cạnh tranh mạnh mẽ trên thị trường

Hiện nay, sự nghiệp công nghiệp hóa hiện đại hóa ngày càng phát triển mạnh mẽ, sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, trong đó kỹ thuật điều khiển tự động cũng góp phần rất lớn tạo điều kiện để nâng cao hiệu quả trong quá trình sản xuất

Trong các ngành công nghiệp sản xuất chất lỏng như hóa chất, nước uống đóng chai, sữa, nước mắm, dầu ăn, dầu khí, … vấn đề cần điều khiển mức lưu lượng dòng chảy cần đáp ứng với độ chính xác cao để phục vụ quá trình sản xuất đạt hiệu quả tốt hơn, đảm bảo quá trình sản xuất các chất lỏng không bị gián đoạn, tăng tuổi thọ thiết bị, người vận hành không cần phải trực tiếp kiểm tra trong các bồn chứa hoặc đóng mở bơm liên tục, vấn đề bị cạn hay tràn trong bồn chứa chất lỏng hoàn toàn được khắc phục cho dù đầu ra thay đổi

Chính vì vậy chúng em chọn đề tài là: Điều Khiển Bơm Ổn Định Mức Chất Lỏng

Với yêu cầu ứng dụng thực tế như thế, đối tượng đề tài thực hiện chính ở đây là hệ bồn nước, hệ bồn nứớc được hình thành với hệ thống bơm và van xả chất lỏng nhưng luôn giữ

ổn định theo giá trị mức đặt trước, mực chất lỏng của bồn được duy trì ổn định, để làm được điều này thì đòi hỏi ta phải điều khiển lưu lượng chất lỏng từ máy bơm vào hệ thống bồn nước, làm mực nước trong bồn luôn luôn giữ một giá trị đặt trước là không đổi, việc

Trang 19

điều khiển hệ thống này để giữ được mức chất lỏng trong bồn ổn định là tương đối khó, cần phải có sự đáp ứng nhanh để điều khiển máy bơm khi lưu lượng nước xả thay đổi

1.2 Tìm hiểu về đối tƣợng

1.2.1 Ứng dụng

Hệ thống bơm ổn định mức được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp nói chung

và ngành công nghiệp chất lỏng nói riêng như hóa chất, nước uống đóng chai, dầu ăn, sản xuất xi măng, sản xuất giấy, sản xuất điện năng… Đặc biệt trong hệ thống cung cấp nước

cho hộ dân, khu chung cư, nhà cao tầng

Ví dụ thực tế:

- Nhu cầu sử dụng nước trong khu công nghiệp, khu dân cư rất khác nhau trong các thời điểm của ngày (cao điềm và thấp điểm), yêu cầu đặt ra là phải giải quyết được việc tự động ổn định áp suất trên đường ống nước cấp, mức nước trên bồn chứa, và tiết kiệm năng lượng cho hệ thống cấp nước

- Để đáp ứng nhu cầu áp lực nước trong hệ thống luôn đủ khi nhu cầu sử dụng nước thay đổi bất thường, các bơm trong hệ thống luôn làm việc liên tục ở chế độ đầy tải Tuy nhiên điều này dẫn đến 1 số bất lợi sau:

o Áp lực nước trong hệ thống đôi khi tăng quá cao không cần thiết, 1 số thời điểm nhu cầu sử dụng nước giảm xuống nhưng hệ thống bơm vẫn chạy đầy tải Điều này gây lãng phí năng lượng rất lớn

o Các bơm phải chạy liên tục dẫn đến giảm tuổi thọ cơ khí

Trang 20

Hình 1.1: hệ thống bơm nước cho chung cư cao tầng

1.2.2 Giải pháp công nghệ đang được sử dụng

Trong ngành công nghiệp hiện nay các hệ thống bơm ồn định mức hầu hết được thiết

kế với các đặc điểm sau:

- Trạm thường có tối thiểu 2 bơm trở lên, cùng cấp nước vào một đường ống chính

- Các bơm được khởi động trực tiếp hoặc sao/tam giác và tất cả các động cơ đều hoạt động ở tốc độ định mức

- Trong quá trình trạm bơm hoạt động, thường luôn luôn để một bơm ở chế độ dừng (mang tính dự phòng)

- Việc điều chỉnh áp lực trên đường ống chính hay mức nước được thực hiện bằng 2 cách:

o Thay đổi góc mở các van (van tay hoặc van điện) trong trường hợp sự thay đổi áp lực ở khoảng cho phép.Trường hợp áp lực vẫn thiếu hoặc thừa ta có thể ngắt hoặc đóng thêm bơm (có thể là một bơm, hoặc nhiều hơn)

Là kiểu diều khiển khi bơm nước tới một mức nào đó (đặt) thì cho bơm ngừng hoạt động, và khi nước được tiêu thụ và giảm xuống tới mức đặt thấp thì cho bơm chạy

Trang 21

- Ƣu điểm: Kiểu điều khiển ON/OFF dễ thiết kế, dễ điều khiển, giá thành thấp, phù

hợp với chế độ Stand by

- Nhƣợc điểm: hệ thống không ổn định, đáp ứng chậm và không tốt, mức nước liên

tục giao động xung quanh điểm đặt, dòng điện khởi động lớn gây sụt áp, bơm đóng

mở liên tục gây giảm tuổi thọ

 Điều khiển thay đổi góc mở van

Để ổn định mức nước cũng như áp suất trong đường ống thì vấn đề quan tâm nhất là điều khiển lưu lượng nước bơm lên bồn để ổn định mực nước và áp suất theo một điểm đặt cố định Có thể sử dụng van điện với tín hiệu phản hồi của cảm biến đưa về bộ điều khiển, bộ điều khiển xữ lí đưa ra tín hiệu điều khiển đóng mở van để chỉnh lưu lượng bơm Hoặc sử dụng van tay để điều chỉnh trực tiếp

- Ƣu điểm: Giá thành thấp, dễ thiết kế

- Nhƣợc điểm: Các bơm vẫn chạy đầy tải và liên tục, điều này gây lãng phí năng lượng điện vì có những thời điểm nhu cầu xử dụng nước giảm xuống thì bơm chỉ cần chạy 50% hay 60% công suất là đã đáp ứng được Việc vận hành khó khăn và tốn chi phí nhân công vì phải cần công nhân vận hành trực tiếp để điều khiển góc

mở valve Các bơm phải chạy liên tục dẫn đến giảm tuổi thọ phần cơ khí Khó kiểm soát áp lực nước làm ảnh hưởng tuổi thọ đường ống, ảnh hưởng tuổi thọ các mối nối

1.3 Lựa chọn giải pháp và nhiệm vụ đề tài

1.3.1 Lựa chọn giải pháp

Với các phương pháp đã phân tích như trên ta có thể nhận thấy rằng việc ổn định mức nước được thiết kế dễ dàng nhưng vẫn còn rất nhiều nhược điểm.Để đáp ứng được những

Trang 22

thay đổi tần số của động cơ để làm nhiệm vụ trên Như ta biết tốc độ động cơ 3 pha không đồng bộ phụ thuộc vào các thông số như công thức sau:

sẽ điều khiển động cơ giảm tốc độ xuống hoặc dừng hẳn Khi đó năng lượng điện được tiết kiệm

 Ƣu điểm khi sử dụng biến tần

Việc điều chỉnh mức nước trong bồn hoàn toàn tự động, điều này sẽ tiết kiệm chi phí nhân công vì không cần người vận hành.Toàn bộ bơm sẽ được điều khiển thông qua biến tần.Với phương pháp điều khiền U/f, điều khiển vector, do đó tốc độ bơm có thể thay đổi một cách linh hoạt Dòng khởi động được hạn chế sẽ không gây sụt áp khi khởi động sẽ không ảnh hưởng đến các thiết bị khác.Quá trình stop, start của bơm được êm hơn, tác dụng giảm tổn hại cho động cơ về mặt cơ khí, cho hệ truyền động cũng như về mặt điện Chi phí bảo dưỡng giảm.Tiết kiệm năng lượng khi nhu cầu xử dụng thay đổi nhiều Có

Trang 23

các chức năng bảo vệ: quá áp, thấp áp, quá nhiệt,bảo vệ nhiệt động cơ, bảo vệ ngắn mạch,đảo pha, kẹt rotor,…Khởi động bơm từ từ với việc cài đặt thời gian tăng tốc, tránh gây rung đường ống và sự thay đổi áp suất đột ngột,… tránh ảnh hưởng xấu cho hệ thống.Có thể kết nối truyền thông với PLC để giám sát mọi hoạt động Đồng thời với các chức năng có sẵn ta có thể giải quyết các sự cố kĩ thuật như: hết nước bồn dưới, kẹt

đường ống, nguồn điện ngắn hạn

 Giải pháp truyền thông

Để điều khiển biến tần thông qua PLC thông thường có các giải pháp sau:

- Dùng các đầu vào ra số của PLC, nhưng chỉ thực hiện được các chức năng đơn giản như: khởi động, dung, đảo chiều Còn việc thay đổi thời gian khởi động hoặc dừng, đặt lại tốc độ… không thể thực hiện được ở chế độ này

- Để thay đổi giá trị setpoint biến tần mất đi 1 đầu vào analog và 1 đầu ra analog, ngoài ra cần phải sử dụng các đầu vào ra số để điều khiển biến tần (rất kho khăn sử dụng trong các biến tần có 1 đầu vào số như MM420)

- Điều khiển qua mạng Profibus: đối với MM3, MM4 của Siemens đã có sẵn giao diện Profibus trên RS485 Port Nhưng đối với các ứng dụng nhỏ thì việc thiết kế một mạng Profibus là không kinh tế

- Dùng Port 0 của PLC để kết nối tới các Port của biến tần, 1PLC có thể điều khiển

và giám sát được 1 mạng tối đa 31 biến tần Mạng này gọi là mạng USS Dạng kết nối

là điểm-điểm Ta có thể điều khiển toàn bộ các chức năng của biến tần thông qua mạng này, ngoài ra còn có thể giám sát được dòng điện, điện áp, tốc độ… dựa vào vùng nhớ mà PLC dành riêng cho biến tần Chi phí cho mạng này là thấp và tối ưu nhất cho các ứng dụng nhỏ

Trang 24

1.3.2 Nhiệm vụ đề tài

Với giải pháp được lựa chọn ở trên nhóm sẽ sử dụng PLC và biến tần để để giải quyết bài toán bơm ổn định mức với các tính năng sau:

- Tính chọn các thiết bị động lực và điều khiển

- Hệ thống bơm và điều khiển ổn định mức nước của bồn, hệ thống hoạt động tin cậy, đảm bảo các thông số kỹ thuật cho trước

- Chế độ hoạt động manual, chế độ tự động, chế độ giám sát và điều khiển từ xa

- Hệ thống tự động điều khiển, cho phép cài đặt và thay đổi các chế độ và thông số hoạt động

- Giải pháp tiết kiệm và giám sát tiêu thụ điện năng

- Giải quyết các vấn đề sự cố kỹ thuật như sự cố nguồn điện ngắn hạn, sự cố nguồn cấp nước, sự cố đường ống, sự cố tràn bồn, sự cố truyền thông

- Hệ thống SCADA hai cấp: cấp điều khiển trực tiếp và cấp giám sát từ xa thông qua mạng LAN

- Hiển thị và giám sát các thông số kỹ thuật của hệ thống như mức nước, tốc độ bơm, tiêu thụ điện năng

- Lập báo cáo (report) hàng tuần, hàng tháng vận hành của hệ thống

- Lưu trữ dữ liệu vận hành

Trang 25

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN LÍ THUYẾT

2.1 Nhiệm vụ đề tài

2.1.1 Giới thiệu chung về bồn nước

Bồn nước là một thiết bị được sử dụng rộng rãi trong sản xuất và sinh hoạt, là một thiết bị dùng để đựng chất lỏng như: nước, xăng, dầu, axit…, dung bồn nước để định lượng các loại chất môi cần sử dụng Tùy vào nhu cầu sử dụng mà có 2 loại bồn nước chính là bồn kín và bồn hở

- Bồn kín: là loại bồn được chế tạo kín cách li với khí, chất lỏng bên ngoài Bồn kín được sử dụng trong các ứng dụng:

 Lưu trữ, ủ … trong các dây chuyền sản xuất thực phẩm, dược phẩm, hóa chất…

 Trong công nghiệp sản xuất điện năng

 Trong nồi hơi công nghiệp…

Trang 26

- Bồn hở:

 Sử dụng trong sinh hoạt hàng ngày

 Cung cấp nước cho các quá trình sản xuất

 Dùng trong công nghiệp dầu khí

 Dùng trong công nghiệp sản xuất như giấy, xi măng…

Hình 2.2: Bồn hở sử dụng trong công nghiệp

2.1.2 Bồn nước sử dụng trong đề tài

Vì là bước đầu làm quen với đối tượng bơm ổn định mức nên nhóm lựa chọn loại bồn

hở có dung tích nhỏ, kích thước nhỏ, độ vọt lố và sai số khi ổn định là tương đối lớn

Hệ thống bồn nước được sử dụng trong đồ án gồm 2 bồn:

- Bồn dưới có kích thước: dài 1.1m, rộng 90cm, cao 50cm, dung tích tối đa có thể chứa là gần 0.45 Được sử dụng để cung cấp nước cho máy bơm

- Bồn trên có kích thước: dài 50cm, rộng 50cm, cao 1m, dung tích tối đa có thể chứa

là 0.25 Được sử dụng để chứa nước cung cấp cho sản xuất, sử dụng Yêu cầu

ổn định mức

Trang 27

Hình 2.3: Bồn nước sử dụng trong đồ án

2.2 Động cơ không đồng bộ ba pha

2.2.1 Cấu tạo

Cấu tạo của máy điện không đồng bộ bao gồm hai bộ phận chính là stator và roto

- Stator: có hai phần chính là lõi thép và dây quấn

 Lõi thép stator hình trụ gồm nhiều lá thép kỹ thuật điện ghép lại Mặt trong

Trang 28

từ một nguồn 3 pha để tạo ra một từ trường quay Tốc độ quay của từ trường này phụ thuộc tần số nguồn điện và số cực của bộ dây quấn

- Roto: cũng có hai phần chính là lõi thép và dây quấn

 Lõi thép roto hình trụ gồm nhiều lá thép kỹ thuật điện ghép lại Mặt ngoài

có những rãnh để chứa dây quấn

Có hai loại: lồng sóc và dây quấn

o Lồng sóc: gồm các thanh đồng hoặc nhôm đặt trong rãnh, và bị ngắn

mạch bởi hai vành ngắn mạch ở hai đầu Với động cơ nhỏ, roto được đúc nguyên khối, gồm thanh dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt và quạt.Với động cơ lớn, các thanh bằng đồng được đặt vào các rãnh roto và siết chặt vào vành ngắn mạch Nhờ không có vành trượt và chổi than nên rất bền, chắc, ít cần bảo trì Các thanh dẫn thường nghiêng so với trục (ta có cảm tưởng như roto bị vặn xoắn); vì các lý do:

 Làm cho momen quay không bị dao động và máy ít ồn khi làm việc Tránh được vị trí ở đó răng roto song song và đối diện với răng stator, tức là vị trí từ trở cực tiểu và roto

sẽ bị “khóa" ở đó

 Tăng chiều dài tác dụng của thanh dẫn

o Dây quấn: là dây quấn 3 pha có cùng số cực như dây quấn stator,

dây quấn roto luôn luôn đấu Y và có 3 đầu ra đấu vào 3 vành trượt này để dẫn điện ra một biến trở 3 pha đấu Y nằm ngoài động cơ, dùng để khởi động hoặc điều chỉnh tốc độ

2.2.2 Nguyên lí hoạt động

- Nhận điện năng từ lưới điện và biến thành cơ năng chuyển ra tái

- Có tốc độ quay nhỏ hơn tốc độ từ trường, quay cùng chiều với từ trường

- Dòng điện 3 pha có thể tạo ra từ trường quay rất mạnh

Trang 29

- Khi cho dòng điện 3 pha chạy vào 3 cuộc dây Stator đặt cách nhau 1200

- Trên vòng tròn thì trong Stator xuất hiện từ trường quay Fs Từ trường Fs sinh ra trong cuộn dây Stator cũng dao động điều hòa như dòng điện 3 pha đầu vào, từ trường này móc vòng qua rotor và cảm ứng trên rotor một điện áp cảm ứng Rotor ngắn mạch sẽ

có dòng điện chạy trong rotor

- Dòng điện vào Stator gây ra từ trường Fs ,dòng điện trên Rotor gây ra từ trường Fr Hai từ trường này tương tác với nhau tạo ra monent kéo Rotor chuyển động theo hướng từ trường quay Fs Hoặc từ thông do dòng điện Rotor sinh ra hơp với từ thông của Stator tạo thành từ thông tổng ở khe hở giữa Stator và Rotor Từ thông tồng này tác dụng với dòng Rotor tao ra monent kéo rotor chuyển động theo hướng từ trường quay

Fs

2.3 Cảm biến đo mức

Yêu cầu chính của chúng ta là ổn định mức nước trong bồn vậy điều quan trọng đầu tiên là làm sao để xác định chính xác mức nước thực trong bồn tại một thời điểm nhất định, vì vậy phải có thiết bị để đọc giá trị mức nước trong bồn đưa về bộ điều khiển, thiết

bị thường được dùng là cảm biến đo mức nước Cảm biến để đo mức nước thì trong thực

tế có 3 loại có thể đáp ứng nhu cầu này:

- Cảm biến mức

- Cảm biến siêu âm

- Cảm biến áp suất: làm việc theo nguyên tắc so sánh áp suất của bồn nước với áp suất của khí quyển làm chuẩn để đưa ra tín hiệu điện.áp suất của cảm biến có thể chuyển đổi thành mức nước trong bồn theo tỉ lệ như sau:

1m =0.1 kg/

1m =0.1 bar (2.1)

Trang 30

2.4 Giải thuật PID

2.4.1 Điều khiển bằng khâu tỉ lệ P

- Đây là hình thức điều khiển bằng cách đưa tín hiệu điều khiển dựa vào sự khác biệt mức nước giữa mức nước thực tế của đối tượng và mức nước đặt, với KP được xem là độ khuếch đại tỷ lệ của bộ điều khiển

W = Kp.(TS – TO) (2.2)

Hình 2.4: Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu tỉ lệ (P)

- Ta thấy hệ số khếch đại KP càng lớn thì sai số xác lập càng nhỏ tuy nhiên đáp ứng của hệ thống càng dao động, độ vọt lố càng cao Nếu KP tăng quá giới hạn thì hệ thống sẽ trở nên mất ổn định Do đó không thể có sai số của hệ thống bằng 0 và cũng không thể tăng hệ số khếch đại lên vô cùng

2.4.2 Điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ PD

Vấn đề về tính ổn định và quá tầm trong điều khiển tỷ lệ với độ khuếch đại lớn, có thể được giảm đi khi thêm vào đó là khâu vi phân cho tín hiệu sai số

Trang 31

Với KD = KP TD; TD : là thời hằng vi phân của bộ điều khiển PD

Kỹ thuật đó được gọi là kỹ thuật điều khiển PD Khâu vi phân có thể hiệu chỉnh khả năng đáp ứng sự thay đổi tại mức nước đặt, đó là giảm độ vọt lố , đáp ứng ra c(t) bớt nhấp nhô hơn, được biểu diễn ở hình sau:

Hình 2.5: Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ (PD) với P = 1

Dựa vào đáp ứng quá độ của hệ thống khi thay đổi giá trị TD và giữ hệ số KP bằng hằng số Ta thấy TD càng lớn thì đáp ứng càng nhanh, thời gian lên càng ngắn Tuy nhiên, nếu thời gian lên nhanh quá thì sẽ dẫn đến vọt lố mặc dù đáp ứng không có dao động

Bộ hiệu chỉnh PD không thể thực hiện bằng các linh kiện mạch thụ động, có thể dùng khếch đại thuật toán, điện trở và tụ điện Nhược điểm của bộ PD này là rất nhạy về nhiễu

vì bản thân bộ PD là mạch lọc thông cao, với độ lợi lớn hơn 1 sẽ làm tăng sự ảnh hưởng của tín hiệu nhiễu

Trang 32

2.4.3 Điều khiển bằng khâu tỉ lệ tích phân PI

Vấn đề về sai số xác lập có thể khắc phụ bằng hiệu chỉnh PI Hiệu chỉnh PI có tác dụng làm chậm đáp ứng quá độ, tăng độ vọt lố, giảm sai số xác lập Do hệ số khếch đại của khâu PI bằng vô cùng tại tần số bằng 0 nên khâu hiệu chỉnh PI làm cho sai số đối với tín hiệu vào là hàm nấc của hệ thống không có khâu tích phân lý tưởng bằng 0 (hệ vô sai bậc 1) Ngoài ra khâu PI là một bộ lọc thông thấp nên nó còn có tác dụng triệt tiêu nhiễu tần số cao tác động vào hệ thống

0

1 ( ) ( )

Ki = Kp/TI, TI là thời hằng tích phân của bộ điều khiển PI

Hình 2.6: Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ (PI) với P = 1

Khâu hiệu chỉnh PI làm cho sai số xác lập của hệ thống đối với tín hiệu vào là hàm nấc bằng 0 Tuy nhiên khâu hiệu chỉnh PI lại làm cho hệ thống kém ổn định do làm tăng thời gian xác lập

Trang 33

Dựa trên đáp ứng quá độ của hệ thống khi giảm thời hằng tích phân TI thì độ vọt lố của hệ thống càng cao, hệ thống càng chậm xác lập Vậy hằng số thời hằng tích phân TI ta nên cho giá trị lớn nhằm hạn chế độ vọt lố Tuy vậy khi TI bằng hằng số thì ảnh hưởng của P đến chất lượng của hệ thống chính là ảnh hưởng của khâu khếch đại, P càng tăng thì

độ vọt lố càng cao, tuy nhiên thời gian quá độ lại không thay đổi

2.4.4 Điều khiển bằng khâu vi tích phân tỉ lệ PID

Bộ điều khiển PID được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế để điều khiển nhiều loại đối lập, với đầu vào thay đổi theo hàm nấc sẽ gây ra vọt lố và trong vài trường hợp là không chấp nhận được đối với mạch động lực Sự có mặt của khâu vi phân tỉ lệ (PD) làm giảm

độ vọt lố và đáp ứng ra bớt nhấp nhô hơn và hệ thống sẽ đáp ứng nhanh hơn Khâu tích phân tỉ lệ(PI) có mặt trong hệ thống sẽ dẩn đến sai lệch tĩnh triệt tiêu( hệ vô sai) Muốn tăng độ chính xác ta phải tăng hệ số khuếch đại, song với mọi hệ thống thực đều bị hạn chế và sự có mặt của khâu PI là bắt buộc Khâu hiệu chỉnh vi tích phân tỉ lệ (PID) kết hợp những ưu điểm của khâu PI và PD, có khả năng tăng độ dự trử pha ở tần số cắt, khử chậm pha Sự có mặt PID ở vòng hồi tiếp có thể dẩn đến sự dao động trong hệ do đáp ứng quá

độ bị vọt lố bởi hàm Dirac (t).Các bộ hiệu chỉnh PID được ứng dụng nhiều trong công nghiệp dưới dạng thiết bị điều khiển hay thuật toán phần mềm

Do sự thông dụng của nó nên nhiều hãng sản xuất thiết bị điều khiển đã cho ra đời các

bộ điều khiển thương mại rất thông dụng

Thực tế các phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID dùng quỹ đạo nghiệm số, giản đồ Bode hay phương pháp giải tích rất ít được sử dụng do việc khó khăn trong xây dựng hàm truyền đối tượng Phương pháp phổ biến nhất để chọn tham số PID thương mại hiện nay

là phương pháp Ziegler-Nichols

Trang 34

Hình 2.7: Sơ đồ điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID có hàm truyền liên tục như sau:

t

u( ) P ( ) D ( ) I. ( )

(2.6) Trong đó: e(t) là sai lệch trong hệ thống e(t) = r(t) – c(t)

r(t) và c(t) là tín hiệu vào và đáp ứng ra của hệ thống

Vấn đề thiết kế là cần xác định giá trị Kp, Ki, Kd sao cho thoả mãn các yêu cầu về chất lượng

Đối tượng khác nhau như nhiệt độ lò nhiệt, tốc độ động cơ, mực chất lỏng trong bồn chứa,… Lý do bộ điều khiển này được sử dụng rộng rãi là vì nó có khả năng triệt tiêu sai

số xác lập, tăng đáp ứng quá độ, giảm độ vọt lố nếu các tham số bộ điều khiển được chọn lựa thích hợp

Khâu hiệu chỉnh khuếch đại tỉ lệ (P) được đưa vào hệ thống nhằm làm giảm sai số xác

2.4.5 ứng dụng điều khiển PI trong biến tần

Trong hầu hết các dòng biến tần của các hãng, đặt biệt các dòng dành cho ứng dụng bơm/ quạt điều tích hợp sẵn các bộ điều khiển PI hoặc PID điều này làm cho người sử

Trang 35

dụng dễ thiết kế và vận hành hệ thống hơn Đối với các ứng dụng đối tượng có quán tính nhỏ như áp suất,lưu lượng, mức nước … thì chỉ cần sử dụng bộ điều khiển PI là đủ.Với các đối tượng có quán tính lớn như nhiệt độ…thì phải sử dụng bộ điều khiển PID

Đối tượng điều khiển trong đề tài là mức nước vì vậy nhóm sẽ sử dụng chức năng PI

có sẵn trong biến tần để ổn định mức nước qua đó cũng cố gắng sử dụng hết các chức năng biến tần hỗ trợ cho các ứng dụng bơm/ quạt

Trang 36

CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG

LƯỢNG

3.1 Vấn đề điều khiển lưu lượng của bơm

3.1.1 Điều khiển theo kiểu truyền thống

Bơm sẽ được cấp nguồn trực tiếp

Bơm luôn hoạt động ở chế độ định mức

Việc thay đổi lưu lượng thông thường dùng van tiết lưu

Nhận xét :

- Tăng trở kháng đường ống

- Lưu lượng giảm nhưng công suất tiêu hao giảm rất ít

Ví dụ :

Khi ta dùng valve tiết lưu để giảm lưu lượng bơm xuống còn 80% so với định

mức Theo bình thường thì với 20% lưu lượng giảm đi thì công suất tiêu tốn cũng giảm đi một lượng đáng kể,nhưng cụ thể ở đây chỉ năng lương tiêu tốn là khoảng

95% (chỉ giảm 5% công suất trên 20% lưu lượng giảm)

3.1.2 Điều khiển bằng biến tần

Bơm ,quạt được cấp nguồn qua biến tần

Bơm có thể hoạt động ở các chế độ khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu

Việc thay đổi lưu lượng được thực hiện thông qua việc thay đổi tốt độ động

cơ

Nhận xét:

- Không còn tổn thất năng lượng trên valve như kiểu truyền thống

Trang 37

- Bơm cũng không phải sinh ra công suất trên trục lớn hơn nhu cấu thực tế để

chống lại sức càn trên valve

Ví dụ: