Hệ thống điều khiển và giám sát năng lượng trạm bơm

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ KHOA TỰ ĐỘNG HÓA ĐỒ ÁN THIẾT KẾ ĐỀ TÀI: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT NĂNG LƯỢNG TRẠM BƠM Giảng viên hướng dẫn: ThS. Đinh Thị Lan Anh Sinh viên thực hiện: Nguyễn Minh Tuấn Mã số sinh viên: 20192146 Lớp: Tự động hóa 03 K64 MỤC LỤC MỤC LỤC 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 4 1.1. Lý do chọn đề tài 4 1.2. Phạm vi nghiên cứu của đề tài 5 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6 2.1. Cấu trúc truyền thông 6 2.2. Các tiêu chuẩn truyền dẫn trong công nghiệp. 7 2.2.1. Giới thiệu về truyền dẫn qua chuẩn RS232 7 2.2.2. Chuẩn truyền dẫn RS485 8 2.3. Giao thức truyền thông 14 2.3.1. Giao thức truyền thông ngang hàng 15 2.3.2. Giao thức mạng Ethernet 15 2.3.3 Giao thức mạng Modbus 16 CHƯƠNG 3. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 22 3.1. Các thành phần và cấu trúc của hệ thống giám sát và quản lý năng lượng các trạm bơm. 22 3.2. Bài toán công nghệ 23 3.3. Nguyên tắc điều khiển của hệ thống 23 CHƯƠNG 4: TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT BỊ 25 4.1. PLC Siemens S7 1200 CPU 1214 DCDCDC 25 4.1.1. Tổng quan PLC S71200 25 4.1.2. Cấu tạo PLC S71200 25 4.1.3. Tính năng của PLC S71200 26 4.2. Biến tần Siemens SINAMICS V20 6SL32105BE275UV0 27 4.2.1. Khái niệm biến tần 27 4.2.2. Đặc điểm nổi bật của biến tần Siemens SINAMICS V20 6SL32105BE275UV0 29 4.3. Đồng hồ điện đa năng Selec EM368C. 29 4.3.1. Giới thiệu về EM368C 29 4.3.2. Đặc tính của EM368C 30 4.3.3. Khả năng kết nối. 30 4.3.4. Bảng địa chỉ các tham số chính cho mạng Modbus. 31 4.3.5. Các kiểu đấu dây. 31 4.4. Switch mạng 33 4.5. Modun mở rộng 6ES72324HA300XB0 34 CHƯƠNG 5: SƠ ĐỒ ĐẤU DÂY 36 5.1. Mạch nguồn 36 5.2. Mạch đấu dây PLC 36 5.3. Kết nối biến tần 36 5.4. Kết nối biến tần với bơm 37 5.5. Danh sách thiết bị phần cứng 37 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN 39 6.1. Kết luận 39 6.2. Hạn chế của đề tài 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40   CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1. Lý do chọn đề tài Năng lượng vừa là ngành sản xuất vừa là ngành kết cấu cho toàn bộ nền kinh tế xã hội, là động lực của công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước. Chính vì vậy ngành năng lượng có ý nghĩa quan trọng trong tiến trình phát triển bền vững của kinh tế quốc dân và đời sống dân sinh. Tuy nhiên đang hiện hữu một thực tế nguồn năng lượng truyền thống đang cạn kiệt dần tỷ lệ thuận với tốc độ phát triển kinh tế. Với công nghệ lạc hậu, thiết bị cũ kỹ, ý thức tiết kiệm trong sử dụng năng lượng của từng đơn vị và cá nhân trong xã hội chưa thành tiềm thức, tự giác là các nguyên nhân dẫn đến hiệu quả sử dụng năng lượng của nước ta còn rất thấp. Đối với nguồn năng lượng hóa thạch của nước ta đang suy giảm dần do trữ lượng có hạn mà nhu cầu sử dụng ngày càng lớn, kèm theo đó là việc tiêu thụ năng lượng này đang gây ra ôi nhiễm môi trường nghiêm trọng. Vì vậy việc kiểm soát và sử dụng hiệu quả là vấn đề cấp thiết. Đối với nguồn năng lượng điện hiện nay công tác kiểm tra mức tiêu thụ điện năng của khách hàng vẫn sử dụng phương pháp thủ công. Phương pháp này bộc lộ khá nhiều nhược điểm như: mất nhiều thời gian, trong một thời điểm không thể kiểm soát được mức tiêu thụ điện năng,…. Vì vậy, để đáp ứng nhu cầu mang tính thực tiễn cao này nên em đã chọn đề tài “ Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng các trạm bơm”. Các trạm bơm thủy lợi đóng vai trò rất quan trọng trong việc điều tiết lưu lượng nước phục vụ cho sản xuất nông nghiệp. Nhiệm vụ của các trạm bơm là bơm thoát nước từ các kênh tiêu hở, từ các hố móng của vùng ngập nước để chống ngập úng. Vấn đề này đặc biệt cấp thiết trong mùa mưa, lũ do mực nước sông lên cao hơn mặt ruộng trong đồng, nước thừa trong đồng không tiêu tự chảy ra sông. Các trạm bơm cũng thực hiện việc bơm nước từ các sông, ngòi, hồ vào các kênh tưới tiêu để kịp thời cấp nước cho các khu vực canh tác. Theo đánh giá hiện trạng hệ thống công trình thủy lợi nói chung trong đó hiện có nhiều trạm bơm tiêu không còn đáp ứng được cho việc tiêu úng do đã bị hỏng hóc, thiết bị đã cũ, lạc hậu, không còn vận hành hoặc vận hành không hiệu quả, cần nhiều nhân lực vận hành và tiêu tốn điện năng rất lớn. Điều này đã gây ra thiệt hại đáng kể cho ngành nông nghiệp của Việt Nam. Xác định đây là một trong những vấn đề quan trọng và cấp bách, thời gian gần đây sở NNPTNN các tỉnh, thành phố đã đầu tư rất nhiều cho việc sửa chữa, nâng cấp và xây mới các công trình tiêu úng. Trạm bơm luôn là trái tim của các công trình thủy lợi ở đó phải đảm các yêu cầu vận hành một cách hiệu quả, tiết kiệm điện năng, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và hạn chế sự tác động của con người. Để đạt được các mục tiêu này thì việc ứng dụng hệ thống điều khiển tự động và giám sát năng lượng tiêu thụ cho các trạm là sự lựa chọn tất yếu. 1.2. Phạm vi nghiên cứu của đề tài Đối với các hệ trạm bơm thược tế thường sử dụng máy cơm công suất lớn, biến tần công suất lớn để bơm cấp nước. Để thực hiện được tốt đề tài, em đã: Hệ thống bao gồm: thiết bị đo điện năng, mạng truyền thông, phần mềm quản lý và thu thập dữ liệu, trung tâm lưu trữ dữ liệu. Nghiên cứu hệ thống bơm cấp nước trong thực tế. Nghiên cứu các chuẩn truyền dẫn phổ biến RS232RS485 Nghiên cứu các chuẩn truyền thông phổ biến, có sẵn trên các thiết bị đo lường, đồng hồ năng lượng hiện nay sử dụng kiểu truyền thông Modbus RTU, Modbus TCP trên thiết bị PLC S7120 do Semen sản xuất. Tìm hiểu về PLC S71200. Tìm hiểu cách sử dụng biến tần.

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ KHOA TỰ ĐỘNG HÓA ĐỒ ÁN THIẾT KẾ ĐỀ TÀI: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT NĂNG LƯỢNG TRẠM BƠM Giảng viên hướng dẫn: ThS Đinh Thị Lan Anh Sinh viên thực hiện: Nguyễn Minh Tuấn Mã số sinh viên: 20192146 Lớp: Tự động hóa 03 - K64 Hà Nội, tháng năm 2023 MỤC LỤC MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1 Lý chọn đề tài .4 1.2 Phạm vi nghiên cứu đề tài .5 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cấu trúc truyền thông 2.2 Các tiêu chuẩn truyền dẫn công nghiệp 2.2.1 Giới thiệu truyền dẫn qua chuẩn RS-232 2.2.2 Chuẩn truyền dẫn RS-485 .8 2.3 Giao thức truyền thông 14 2.3.1 Giao thức truyền thông ngang hàng 15 2.3.2 Giao thức mạng Ethernet .15 2.3.3 Giao thức mạng Modbus 16 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 22 3.1 Các thành phần cấu trúc hệ thống giám sát quản lý lượng trạm bơm .22 3.2 Bài toán công nghệ 23 3.3 Nguyên tắc điều khiển hệ thống 23 CHƯƠNG 4: TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT BỊ 25 4.1 PLC Siemens S7 1200 CPU 1214 DC/DC/DC .25 4.1.1 Tổng quan PLC S7-1200 25 4.1.2 Cấu tạo PLC S7-1200 .25 4.1.3 Tính PLC S7-1200 26 4.2 Biến tần Siemens SINAMICS V20 6SL3210-5BE27-5UV0 .27 4.2.1 Khái niệm biến tần 27 4.2.2 Đặc điểm bật biến tần Siemens SINAMICS V20 6SL32105BE27-5UV0 .29 4.3 Đồng hồ điện đa Selec EM-368C 29 4.3.1 Giới thiệu EM-368C 29 4.3.2 Đặc tính EM-368C 30 4.3.3 Khả kết nối .30 4.3.4 Bảng địa tham số cho mạng Modbus .31 4.3.5 Các kiểu đấu dây 31 4.4 Switch mạng 33 4.5 Modun mở rộng 6ES7232-4HA30-0XB0 .34 CHƯƠNG 5: SƠ ĐỒ ĐẤU DÂY 36 5.1 Mạch nguồn 36 5.2 Mạch đấu dây PLC .36 5.3 Kết nối biến tần .36 5.4 Kết nối biến tần với bơm 37 5.5 Danh sách thiết bị phần cứng .37 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN 39 6.1 Kết luận 39 6.2 Hạn chế đề tài 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1 Lý chọn đề tài Năng lượng vừa ngành sản xuất vừa ngành kết cấu cho toàn nền kinh tế xã hội, động lực công nghiệp hóa, đại hóa đất nước Chính ngành lượng có ý nghĩa quan trọng tiến trình phát triển bền vững kinh tế quốc dân đời sống dân sinh Tuy nhiên hữu thực tế nguồn lượng truyền thống cạn kiệt dần tỷ lệ thuận với tốc độ phát triển kinh tế Với công nghệ lạc hậu, thiết bị cũ kỹ, ý thức tiết kiệm sử dụng lượng đơn vị cá nhân xã hội chưa thành tiềm thức, tự giác nguyên nhân dẫn đến hiệu sử dụng lượng nước ta cịn thấp Đối với nguồn lượng hóa thạch nước ta suy giảm dần trữ lượng có hạn mà nhu cầu sử dụng ngày lớn, kèm theo việc tiêu thụ lượng gây ôi nhiễm môi trường nghiêm trọng Vì việc kiểm sốt sử dụng hiệu vấn đề cấp thiết Đối với nguồn lượng điện công tác kiểm tra mức tiêu thụ điện khách hàng sử dụng phương pháp thủ công Phương pháp bộc lộ nhiều nhược điểm như: nhiều thời gian, thời điểm khơng thể kiểm sốt mức tiêu thụ điện năng,… Vì vậy, để đáp ứng nhu cầu mang tính thực tiễn cao nên em chọn đề tài “ Hệ thống giám sát quản lý lượng trạm bơm” Các trạm bơm thủy lợi đóng vai trị quan trọng việc điều tiết lưu lượng nước phục vụ cho sản xuất nông nghiệp Nhiệm vụ trạm bơm bơm thoát nước từ kênh tiêu hở, từ hố móng vùng ngập nước để chống ngập úng Vấn đề đặc biệt cấp thiết mùa mưa, lũ mực nước sông lên cao mặt ruộng đồng, nước thừa đồng không tiêu tự chảy sông Các trạm bơm thực việc bơm nước từ sơng, ngịi, hồ vào kênh tưới tiêu để kịp thời cấp nước cho khu vực canh tác Theo đánh giá trạng hệ thống cơng trình thủy lợi nói chung có nhiều trạm bơm tiêu khơng cịn đáp ứng cho việc tiêu úng bị hỏng hóc, thiết bị cũ, lạc hậu, khơng cịn vận hành vận hành không hiệu quả, cần nhiều nhân lực vận hành tiêu tốn điện lớn Điều gây thiệt hại đáng kể cho ngành nông nghiệp Việt Nam Xác định vấn đề quan trọng cấp bách, thời gian gần sở NN&PTNN tỉnh, thành phố đầu tư nhiều cho việc sửa chữa, nâng cấp xây cơng trình tiêu úng Trạm bơm ln trái tim cơng trình thủy lợi phải đảm yêu cầu vận hành cách hiệu quả, tiết kiệm điện năng, giảm thiểu ô nhiễm môi trường hạn chế tác động người Để đạt mục tiêu việc ứng dụng hệ thống điều khiển tự động giám sát lượng tiêu thụ cho trạm lựa chọn tất yếu 1.2 Phạm vi nghiên cứu đề tài Đối với hệ trạm bơm thược tế thường sử dụng máy cơm công suất lớn, biến tần công suất lớn để bơm cấp nước Để thực tốt đề tài, em đã: Hệ thống bao gồm: thiết bị đo điện năng, mạng truyền thông, phần mềm quản lý thu thập liệu, trung tâm lưu trữ liệu - Nghiên cứu hệ thống bơm cấp nước thực tế - Nghiên cứu chuẩn truyền dẫn phổ biến RS-232/RS-485 - Nghiên cứu ch̉n trùn thơng phở biến, có sẵn thiết bị đo lường, đồng hồ lượng sử dụng kiểu truyền thông Modbus RTU, Modbus TCP thiết bị PLC S7-120 Semen sản xuất - Tìm hiểu về PLC S7-1200 - Tìm hiểu cách sử dụng biến tần CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cấu trúc truyền thông Cấu trúc truyền thông quy định việc truyền thông tin thiết bị hệ thống cơng nghiệp có mối liên hệ với Các thiết bị cấu chấp hành motor, cảm biến…nằm cấp thứ (được gọi cấp trường), chịu điều khiển thiết bị cấp - cấp điều khiển Các thiết bị cấp điều khiển như: PLC, PC… chịu điều khiển giám sát cấp cao hơn…Một hệ thống cơng nghiệp thơng thường có cấp Việc liên lạc truyền tín hiệu thiết bị thực nhờ đường dây bus tín hiệu (bao gồm loại bus: bus trường, bus hệ thống, mạng xí nghiệp mạng cơng ty) Để tín hiệu trùn bus thường có tiêu ch̉n để truyền, gọi giao thức truyền thông Ứng với đường dây bus cho việc kết nối cấp có giao thức trùn thơng riêng bus trường thông thường người ta sử dụng giao thức: profibus, modbus… Tuy giao thức truyền thông lớp khác chúng đều có chung đặc điểm tn theo mơ hình giao thức định Đó mơ hình OSI ( Open System Interconnect) Mơ hình OSI quy định trình tự để truyền đoạn tin thiết bị  Mơ hình gồm N = tầng OSI hệ thống mở, phải có khả kết nối với hệ thống khác nhau, tương thích với chuẩn OSI  Quá trình xử lý ứng dụng thực hệ thống mở, trì hoạt động kết nối hệ thống  Thiết lập kênh logic nhằm mục đích thực việc trao đổi thông tin thực thể Hình 2.1: Mơ hình OSI cho giao thức trùn thông Để liên lạc cấp trường cấp điều khiển nhà máy thường sử dụng giao thức mạng truyền thông Profibus Modbus Modbus protocol phổ biến bậc sử dụng cho nhiều mục đích Modbus đơn giản, rẻ, phở biến dễ sử dụng Được phát minh từ kỉ trước (gần 30 năm trước), nhà cung cấp thiết bị đo thiết bị tự động hóa cơng nghiệp tiếp tục hỗ trợ Modbus sản phẩm hệ Mặc dù phân tích, lưu lượng kế, hay PLC đời có giao diện kết nối khơng dây, Ethernet hay fieldbus, Modbus protocol mà nhà cung cấp lựa chọn cho thiết bị hệ cũ Một ưu điểm khác Modbus chạy tất phương tiện trùn thơng, có cởng kết nối dây xoắn, không dây, sợi quang, Ethernet, modem điện thoại, điện thoại di động vi sóng Có nghĩa là, kết nối Modbus thiết lập nhà máy hệ hay dễ dàng Modbus/TCP phát triển, cho phép giao thức Modbus truyền dẫn qua hệ thống mạng nền TCP/IP 2.2 Các tiêu chuẩn truyền dẫn công nghiệp 2.2.1 Giới thiệu truyền dẫn qua chuẩn RS-232 RS-232 lúc đầu xây dựng phục vụ chủ yếu việc ghép nối điểmđiểm hai thiết bị đầu cuối (DTE, Data Terminal Equipment), hai máy tính PC, PLC máy tính máy in thiết bị đầu cuối thiết bị truyền liệu (DCE, Data Communication Equipment) Việc truyền liệu thực nhờ dây TxD, RxD mass Tín hiệu so sánh với mass để phát sai lệch Điều khiến cho liệu khó khơi phục lại trạm phát Chế độ làm việc: chế độ làm việc hệ thống RS-232 hai chiều toàn phần (full-duplex), tức hai thiết bị tham gia thu phát tín hiệu lúc Như vậy, việc thực truyền thơng cần tối thiểu dây dẫn - hai dây tín hiệu nối chéo đầu thu phát hai trạm dây đất Với cấu hình tối thiểu này, việc đảm bảo độ an toàn truyền dẫn tín hiệu thuộc về trách nhiệm phần mềm Ta cịn ghép nối trực tiếp hai thiết bị thực chế độ bắt tay (handshake mode) không thông qua modem Qua việc sử dụng dây dẫn DTR DSR, độ an toàn giao tiếp đảm bảo Trong trường hợp chân RTS CTS nối ngắn mạch Hình 2.2: Ghép nối trực tiếp Nhược điểm chuẩn RS-232 tín hiệu khơng thể trùn xa việc mát tín hiệu phục hồi việc kết nối theo chuẩn RS-232 thực giao tiếp hai thiết bị nên hạn chế số lượng thiết bị có mạng Một số đặc điểm chuẩn truyền RS-232 khoảng cách truyền tối đa 15m, tốc độ truyền 20Kbps, hỗ trợ kết nối điểm – điểm mạng 2.2.2 Chuẩn truyền dẫn RS-485 Đặc tính điện học: sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch đối xứng hai dây dẫn A B Nhờ giảm nhiễu cho phép tăng chiều dài dây dẫn (có thể lên đến 1200m) Điện áp chênh lệch dương tương ứng với trạng thái logic âm tương ứng với trạng thái logic Điện áp chênh lệch đầu vào dây nhận xuống tới 200mV Bảng 1: Các thông số quan trọng RS-485 Thông số Điện áp đầu hở mạch Điện áp đầu có tải Dịng ngắn mạch Thời gian độ đầu Điều kiện Rload =54Ω Min ± 1,5V ± 1,5V Max ± 6V ± 5V ± 250mA 30%Ta -1V 3V ± 200mV 12V Rload =54Ω Cload =54pF Rload =54Ω -7V< VCM < 12V Điện áp chế độ chung đầu VOC Độ nhạy cảm đầu vào Điện áp chế độ chung VCM Trở kháng đầu vào -7V 12kΩ RS-485 có khả ghép nối nhiều điểm Có thể ghép nối 32 trạm, định địa giao tiếp đồng thời qua đoạn RS-485 mà không cần lắp lặp Để đạt điều thời điểm trạm phép kiểm sốt đường dẫn phát tín hiệu Vì kích thích đều phải đưa về chế độ trở kháng cao rỗi, tạo điều kiện cho kích thích trạm khác tham gia Chế độ gọi chế độ tri-state Một số vi mạch RS-485 tự động xử lý tình nhiều trường hợp khác việc thuộc về trách nhiệm phần mềm điều khiển truyền thông Trong mạch kích thích RS-485 có tín hiệu vào 'enable' dùng cho mục đích chuyển kích thích về trạng thái phát tín hiệu tri- state RS-485 Drive RS-485 Receiver Hình 2.3: Sơ đồ kích thích (driver) thu (receiver) RS-485 Mặc dù phạm vi làm việc tối đa -6V đến 6V (trong trường hợp hở mạch), trạng thái logic tín hiệu định nghĩa khoảng từ ±1,5V đến ±5V đầu (bên phát) từ ±0,2V đến ±5V đối đầu vào (bên nhận) Số trạm tham gia: RS-485 cho phép nối mạng 32 tải đơn vị (unit load, UL), ứng với 32 thu phát nhiều hơn, tuỳ theo cách chọn tải cho thiết bị thành viên Thông thường thu phát thiết kế tương đương với tải đơn vị Gần có cố gắng giảm tải xuống 1/2UL 1/4UL, tức tăng trở kháng đầu vào lên hai bốn lần với mục đích tăng số lượng trạm lên 64 128 Tuy nhiên tăng số trạm theo cách gắn với việc phải giảm tốc độ truyền thơng trạm trở kháng lớn hoạt động chậm Hình 2.4: Quy định trạng thái logic tín hiệu RS-485 Giới hạn 32 tải đơn vị xuất phát từ đặc tính kỹ thuật hệ thống truyền thơng nhiều điểm Các tải mắc song song việc tăng tải làm suy giảm tín hiệu vượt mức cho phép Theo qui định chuẩn kích thích tín hiệu phải đảm bảo dịng tởng cộng 60mA vừa đủ để cung cấp cho: - Hai trở đầu cuối mắc song song tương ứng tải 60Q (120Q đầu) với điện áp tối thiểu 1,5V tạo dòng tương đương 25mA - 32 tải đơn vị mắc song song với dòng 1mA qua tải (trường hợp xấu nhất), tạo dòng tương đương 32mA 10