1.1 Lý do chọn đề tài: Trên thế giới và ở Việt Nam hiện nay nhu cầu tiêu thụ năng lượng ngày càng tăng dần và đã có rất nhiều cảnh báo về tiết kiệm năng lượng. Các ngành công nghiệp nói chung và ngành cấp thoát nước nói riêng vẫn sử dụng công nghệ truyền động không thích hợp, điều khiển thụ động, không linh hoạt mà cụ thể là cấp thoát nước cho các khu chung cư. Đối với nhà máy nước, yếu tố cấu thành giá nước bị chi phối phần lớn bởi chi phí điện bơm nước (3035%). Trước đây tồn tại quan điểm việc đầu tư vào tiết kiệm năng lượng là một công việc tốn kém và không mang lại hiệu quả so với thực tế. Với công nghệ biến tần tính toán đã chỉ ra việc đầu tư vào hệ thống điều khiển tiết kiệm năng lượng cho trạm bơm có thời gian hoàn vốn đầu tư hết sức ngắn và giảm được chi phí cho công tác quản lí vận hành thiết bị. Máy bơm và quạt gió là những ứng dụng rất thích hợp với truyền động biến đổi tốc độ tiết kiệm năng lượng. Trong phạm vi đồ án dưới đây, chúng ta chỉ đề cập đến việc sử dụng thiết bị biến tần và thuật toán điều khiển PID trong điều khiển tốc độ tiết kiệm năng lượng cho các máy bơm mà vẫn ổn định áp suất trong đường ống cấp nước, tăng tính hiệu quả thực tế và đảm bảo an toàn trên hệ thống 1.2 Mục tiêu nghiên cứu: Đối với các hệ thống bơm cấp nước trong thực tế, người ta sử dụng máy bơm công suất lớn, biến tần công suất lớn để bơm cấp nước cho cả khu dân cư, thành phố, cho cả khu công nghiệp. Với đề tài này,em muốn hướng đến một mô hình hệ thống được điều khiển một cách đơn giản nhưng lại đạt hiểu quả cao và sát với thực thế .Chính vì vậy em đã mô hình hóa hệ thống nên chỉ sử dụng biến tần công suất nhỏ và bơm công suất nhỏ để mô tả hoạt động của hệ thống. Một phần vì máy bơm ba pha thường rất to và nặng kéo theo hệ thống sẽ không đơn giản và một lý do chính đó là chi phí cho một đề tài đồ án như vậy là quá lớn với khả năng của em. Để thực hiện được đề tài em đã: Nghiên cứu kĩ hệ thống bơm cấp nước trong thực tế, nắm rõ trình tự điều khiển có trong hệ thống Tìm hiểu về PLC Simatic S71200: Nghiên cứu cấu trúc phần cứng, cấu trúc bộ nhớ của PLC S71200 Tìm hiểu về cách sử dụng và các giao thức của biến tần Lựa chọn biến tần và động cơ có công suất hợp lý với số liệu mà giảng viên hướng dẫn đưa ra Tìm hiểu giao tiếp giữa PLC S71200 , biến tần và động cơ bơm Lập trình PLC Lập trình bộ PID để điều khiển động cơ bơm Tìm hiểu cách sử dụng phần mềm TIA PORTAL dùng để lập trình cho PLC S71200 và mô phỏng bằng WinCC để thiết kế giao diện điều khiển cho hệ thống. 1.3 Phạm vi nghiên cứu đề tài: Từ những kiến thức cơ sở học được tại trường Đại học Duy Tân và ngoài thực tế, do bản thân còn hạn chế về kiến thức cũng như về khả năng kinh tế và thời gian có hạn nên em chỉ có thể tạo mô hình mang tính chất mô phỏng cao gần với thực để thể hiện quy trình vân hành và hoạt động của hệ thống ổn định áp suất nước cho khu chung cư trong thực tế. Trong đó, em đã thực hiện một số công việc: Lập trình PLC theo thuật toán đưa ra Tạo giao tiếp PLC với WinCC để mô phỏng và giám sát hệ thống Tạo giao tiếp giữa PLC, biến tần và động cơ bơm Thiết kế giao diện điều khiển tự động với WinCC Lập trình PID bằng PLC cho động cơ hoạt động theo giá trị áp suất yêu cầu Xây dựng và lắp ráp mô hình sản phẩm của hệ thống
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ÁP SUẤT
KHÁI QUÁT CHUNG VỀ CÁC HỆ THỐNG CẤP NƯỚC CHUNG CƯ
a) Các dạng hệ thống cấp nước cho chung cư hiện có:
Phần lớn mọi người đều không biết hệ thống bơm nước cho khu nhà cao tầng thiết kế như thế nào, làm sao để ban quản lý có thể phân phối đủ nước cho toàn bộ nhu cầu sinh hoạt của cả tòa nhà? Câu trả lời sẽ có ngay trong bài viết dưới đây. Trên thực tế, hệ thống bơm cấp nước cho nhà cao tầng hiện nay có thể thực hiện theo một số phương án như sau:
– Từ bể ngầm nước sẽ được bơm đến trạm bơm rồi đi qua bể trung gian Từ bể trung gian nước tiếp tục được đưa đến trạm bơm trung gian rồi bể mái và từ đó sẽ phân vùng cấp nước trọng lực rồi tới trạm bơm cho các tầng ở trên cùng Ngoài ra, hệ thống ống nước cũng có thể hoạt động theo quy trình như sau:
– Nước từ bể ngầm sẽ đi qua 2 bơm biến tầng rồi qua bình áp lực sẽ phân cấp thành 3 vùng nước khác nhau Từ nơi phân cấp, nước sẽ đi theo hệ thống ống đã được lắp từ trước Các ống này đã có van chống nươNgoài ra, hệ thống ống nước cũng có thể hoạt động theo quy trình như sau:
– Nước từ bể ngầm sẽ đi qua 2 bơm biến tầng rồi qua bình áp lực sẽ phân cấp thành 3 vùng nước khác nhau Từ nơi phân cấp, nước sẽ đi theo hệ thống ống đã được lắp từ trước Các ống này đã có van chống nươc, van điều áp lắp trên ống đứng và các loại van khóa thích hợp khác.c, van điều áp lắp trên ống đứng và các loại van khóa thích hợp khác.
Hình 2.1 Hình minh họa hệ thống ngoài thực tế b) Khái quát về tình hình thực tế
Hiện nay mỗi trạm bơm thường có nhiều máy bơm cùng cấp nước vào cùng một đường ống Áp lực và lưu lượng của đường ống thay đổi hàng giờ theo nhu cầu sử dụng Bơm và các thiết bị đi kèm như đường ống, van, đài nước được thiết kế với lưu lượng nước bơm rất lớn Vì thế điều chỉnh lưu lượng nước bơm được thực hiện bằng các phương pháp đơn giản của trước đây như :
- Điều chỉnh bằng cách khép van trên ống đẩy của bơm
- Điều chỉnh bằng cách đóng mở các máy bơm hoạt động đồng thời
- Điều khiển thay đổi tốc độ quay bằng khớp nối Điều khiển theo những phương pháp trên không những không tiết kiệm được năng lượng điện tiêu thụ mà còn gây nên hỏng hóc thiết bị và đường ống do chấn động khi đóng mở van gây nên, đồng thời các máy bơm cung cấp không bám sát được chế độ tiêu thụ trên mạng lưới. Để giải quyết các vấn đề kể trên chỉ có thể sử dụng phương pháp điều khiển truyền động biến đổi tốc độ bằng biến tần kết hợp với thuật toán điều khiển PID.Thiết bị biến tần là thiết bị điều chỉnh biến đổi tốc độ quay của động cơ bằng cách thay đổi tần số của dòng điện cung cấp cho động cơ.
NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN TRONG HỆ THỐNG
Đầu ra của PLC được nối với biến tần để điều khiển biến tần và từ dây biến tần điều khiển tốc độ động cơ từ đó điều chỉnh tẳng giảm áp suất trên đường ống theo thông số mong muốn
Khi sử dụng thiết bị biến tần cho phép điều chỉnh một cách linh hoạt lưu lượng và áp lực cấp vào mạng lưới đường ống theo yêu cầu tiêu thụ.
Với tín hiệu từ cảm biến áp lực phản hồi về PLC, PLC sẽ so sánh giá trị truyền về này với giá trị đặt để từ đó ra lệnh cho biến tần giúp thay đổi tốc độ của động cơ bằng cách thay đổi tần số dòng điện đưa vào động cơ để đảm bảo áp suất nước trong đường ống được ổn định.
Sử điều chỉnh linh hoạt các máy bơm khi sử dụng biến tần được cụ thể như sau:
- Điều chỉnh tốc độ quay khi áp suất thay đổi Đa dạng trong phương thức điều khiển các máy bơm trong trạm bơm Một thiêt bị biến tần có thể điều khiển tới một máy bơm hoặc nhiều hơn.
2.2.1 Phuong thức điều khiển bơm:
Có 3 phương thức thường dùng để điều khiển các máy bơm:
Điều khiển theo mực nước:
Trên cơ sở tín hiệu mực chất lỏng trong bể hút hồi tiếp về PLC Bộ vi xử lý sẽ so sánh tín hiệu hồi tiếp với mực chất lỏng được cài đặt Trên cơ sở kết quả so sánh, PLC sẽ điều khiển đóng mở các máy bơm sao cho phù hợp để mực chất lỏng trong bể luôn bằng giá trị cài đặt Ngược lại khi tín hiệu hồi tiếp lớn hơn giá trị cài đặt, biến tần sẽ điều khiển các bơm để mực chất lỏng luôn đạt giá trị đặt
Điều khiển theo hình thức chủ động thụ động:
Mỗi một máy bơm được nối với một bộ biến tần trong đó có một biến tần là chủ động, các biến tần khác là thụ động Khi tín hiệu hồi tiếp về biến tần chủ động thì bộ vi xử lý của biến tần này sẽ so sánh với tín hiệu được đặt để từ đó tác động đến các biến tần thụ động điều chỉnh tốc độ quay của các máy bơm cho phù hợp và không gây ra hiện tượng đập thủy lực phản hồi từ hệ thống Phương thức điều khiển này là linh hoạt nhất khắc phục những khó khăn trong quá trình vận hành bơm khác với thiết kế Phương thức này được sử dụng cho trường hợp thay đổi cả về lưu lượng và áp suất trên mạng lưới.
Điều khiển theo hình thức biến tần điều khiển một bơm:
Một máy bơm chính thông qua thiết bị biến tần, các máy bơm còn lại đóng mở trực tiếp bằng khởi động mềm Khi tín hiệu áp lực và lưu lượng trên mạng lưới hồi tiếp về PLC, bộ vi xử lý sẽ so sánh với giá trị cài đặt và điều khiển tốc độ máy bơm chính chạy với tốc độ phù hợp Đây cũng chính là cách mà em đã tiến hành làm. Khi mà bơm được điều khiển bằng biến tần hoạt động ở chế độ định mức mà vẫn chưa đáp ứng được áp suất trên đường ống thì PLC sẽ ra lệnh để đưa các máy bơm khởi động mềm tham gia vào hệ thống nhằm duy trì được áp suất mong muốn trong đường ống Đến một lúc nào đó, khi mà áp suất trong đường ống đã đủ thì PLC sẽ ngắt các bơm phụ ra dần dần tránh áp suất cao gây nguy hiểm cho đường ống. Trong trường hợp ngắt tất cả các bơm mà áp suất vẫn còn cao thì PLC sẽ ra lệnh cho biến tần để biến tần giảm dần tần số của động cơ để đưa áp suất trong đường ống về gần bằng giá trị đặt nhanh nhất trong thời gian có thể Tất cả những việc này được theo dõi và giám sát bằng phần mềm “ Tia Portal ” qua màn hình máy tính (hoặc được điều khiển bằng tay).
Hạn chế dòng khởi động cao
Điều khiển linh hoạt các máy bơm
Dãy công suất rộng từ 1,1 – 400KW
Tự động ngừng khi đạt tới điểm cài đặt (setpoint)
Tăng tốc nhanh giúp biến tần bắt kịp tốc độ hiện thời của động cơ
Tự động tăng tốc giảm tốc tránh quá tải hoặc quá điện áp khi khởi động
Bảo vệ được động cơ khi: ngắn mạch, mất pha, lệch pha, quá tải, quá dòng, quá nhiệt,…
Kết nối được với máy tính chạy trên hệ điều hành Window
Kích thước nhỏ gọn, không chiếm diện tích trong nhà trạm
Mô-men khởi động cao với chế độ tiết kiệm năng lượng
Dễ dàng lắp đặt vận hành
Hiển thị các thông số của động cơ và biến tần
Điều khiển bằng biến tần cho độ trơn điều khiển đạt gần tới giá trị lý tưởng
2.2.3 Mô tả hoạt động của hệ thống( Được điều khiển theo hình thức biến tần điều khiển 1 bơm)
Trong hệ thống có hai động cơ bơm xoay chiều ( 1 động cơ 3 pha sử dụng lưới điện 380V và 1 động cơ 1 pha sử dụng lưới điện 220v) , Động cơ 3 pha với vai trò bơm chính được điều khiển trực tiếp bằng biến tần thông qua thuật toán điều khiển PID của PLC , động cơ 1 pha với vai trò là bơm dự phòng sẽ được bật khi động cơ 3 pha chạy hết công suất mà vẫn chưa đáp ứng được áp suất ổn định mong muốn Khi khởi động hệ thống , động cơ 3 pha hoạt động bình thường , cho tới khi đạt tới áp suất nước đạt giá trị setpoint , và giữ cho động cơ bơm chạy với mức tốc độ này (xem như là định mức)
Trường hợp áp suất nước trên đường ống giảm cần phải tăng áp suất nước thì ta sử bộ PID của PLC để tăng tốc của động cơ 3 pha => ổn định lại áp suất nước ở giá trị setpoint và ngược lại bơm phụ ngắt khi động cơ 3 pha đủ sức đáp ứng áp lực nước
Và tương tự như vậy với trường hợp trên là trường hợp áp suất nước trên đường ống tang cao gây nguy hiểm tới đường ống cần phải giảm áp suất nước
Nếu lúc tải giảm mạnh nhất (áp suất tăng lên cao) thì bơm dự phòng sẽ tự động dừng chỉ còn bơm biến tần hoạt động Hệ thống cứ hoạt động liên tục như vậy, áp suất trong đường ống luôn luôn giữ ổn định tránh tình trạng áp suất tăng quá cao sẽ gây vỡ đường ống.
Hình 2.2 Biểu đồ minh họa hoạt động điều khiển bơm
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT ÁP SUẤT
Sử dụng biến tần V&T điều khiển động cơ bơm, công suất tiêu thụ của động cơ sẽ được biến tần điều chỉnh cho phù hợp với nhu cầu phụ tải Động cơ thứ 2 sẽ sử dụng chạy nền nếu sau này phụ tải phát triển lớn hơn Một sensor áp suất được đưa vào đầu ra nước cấp của Nhà máy để đo áp lực nước đưa về hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển là 1 PLC S7-1200 (Siemens) đảm bảo cho việc tự động hóa hoàn toàn quá trình bơm cấp nước của chung cư Vận hành hệ thống thông qua phần mềm “ Tia Portal ”
Như vậy với viêc đưa biến tần vào hệ thống sẽ hoạt động bám sát theo đúng thực tế lưu lượng phụ tải, do vậy sẽ giảm đáng kể năng lượng tiêu hao không cần thiết vào các giờ phụ tải thấp điểm.
Hệ thống sẽ tự động giám sát áp suất nước trên đường ống và điều khiển ngược lại để đảm bảo giữ đúng áp suất theo yêu cầu PLC sẽ điều khiển áp suất nước trên đường ống theo đồ thị phụ tải hàng ngày, tức là hệ thống sẽ điều khiển áp suất theo thời gian thực Hệ thống điều khiển tự động này thực hiện một số chức năng chính sau:
⮚ Đo lường: do đầu đo áp suất đo lường và chuyển đổi để đưa về CPU của S7-1200
⮚ Xử lý thông tin: bộ điều khiển trung tâm sẽ đảm nhiệm vấn đề xử lý các thông tin được đưa vào
⮚ Điều khiển: S7-1200 sẽ phối hợp với biến tần qua các giao thức, làm việc này theo yêu cầu
⮚ Giám sát: S7-1200 sẽ kết nối đầu đo áp suất để giám sát hệ thống hoạt động
⮚ Giao tiếp giữa người vận hành và thiết bị: sử dụng phần mềm giao diện WinCC của Tia Portal. Đồng thời để cho phép mở rộng và phát triển phụ tải sau này, hệ thống có thể sử dụng cùng lúc hai bơm điều khiển luân phiên bằng biến tần nếu cần Bơm thứ hai sẽ được đóng chạy trực tiếp thông qua PLC giống với bơm thứ nhất xem như là một bơm luân phiên và bơm phụ được đóng chạy trực tiếp bằng contactor sẽ chạy điều chỉnh bù áp cho phù hợp với phụ tải.
TỔNG QUAN CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG TRONG MÔ HÌNH 8
GIƠI THIỆU PLC
PLC là từ viết tắt của Programmable Logic Controller (Bộ điều khiển logic khả trình), được dùng để thay thế chức năng của các bộ rơle, bộ đếm hay bộ định thời trong các thiết bị điều khiển, đồng thời có thêm khả năng tính toán cơ bản giúp khả năng điều khiển dễ dàng được thực hiện
Hiệp hội những nhà sản xuất điện quốc gia (NEMA) định nghĩa “PLC là thiết bị điện tử định hướng kĩ thuật số, sử dụng bộ nhớ có thể lập trình được để thực hiện những chức năng đặc biệt như logic, chuỗi, định thời, đếm và tính toán thông qua các mô-đun vào/ra số hoặc tương tự, có khả năng điều khiển các máy móc và các bộ xử lí khác nhau”
3.1.2 Lịch sử ra đời và phát triển của plc:
Khái niệm PLC là ý tưởng của nhóm kỹ sư hãng General Motors vào năm
1968, với ý tưởng ban đầu là thiết kế và chế tạo một thiết bị với các chỉ tiêu kỹ thuật nhằm đáp ứng những yêu cầu điều khiển sau:
- Dễ lập trình và thay đổi chương trình điều khiển.
- Cấu trúc dạng mô-đun dễ mở rộng, dễ bảo trì và sửa chữa.
- Đảm bảo độ tin cậy hơn bộ điều khiển rơle.
- Đầu ra phải có khả năng kết nối tới các máy tính bậc cao hơn
- Có hiệu quả kinh tế hơn so với bộ điều khiển rơle.
- Điện áp đầu vào sử dụng nguồn 115 VAC.
- Điện áp đầu ra 115 VAC, 2A.
- Trang bị bộ nhớ có khả năng lập trình được.
- Có khả năng mở rộng mà không cần phải thay đổi toàn bộ hệ thống
Năm 1970, bộ điều khiển logic khả trình đầu tiên đã ra đời, đáp ứng được các thông số kỹ thuật cơ bản và mở ra sự phát triển cho một công nghệ điều khiển mới PLC có thể được coi là một tiến bộ mới với những chức năng giống như hệ điều khiển sử dụng rơle, thiết bị tương tự, hay các bộ xử lý logic khác Theo thời gian, các chức năng của PLC ngày càng được cải thiện nhưng các tiêu chí thiết kế cũng như chi tiết kỹ thuật vẫn dựa trên những ý tưởng ban đầu là dễ sử dụng và có khả năng tái sử dụng
Những tiến bộ về phần cứng:
- Dung lượng bộ nhớ lớn hơn.
- Số lượng ngõ vào/ra nhiều hơn
- Nhiều loại mô-đun chuyên dụng hơn.
- Có khả năng điều khiển các ngõ vào/ra từ xa thông qua kỹ thuật truyền thông.
- Phát triển và hoàn chỉnh hơn về tốc độ xử lý cũng như hiệu suất làm việc bằng cách áp dụng những tiến bộ trong công nghệ điện tử và vi xử lý.
- Chi phí giá thành thấp.
- Giao diện điều khiển được cải thiện
Về phần mềm cũng có sự phát triển cụ thể là:
- Lập trình hướng đối tượng đa ngôn ngữ dựa trên tiêu chuẩn IEC 1131-3. Nhưng ngôn ngữ được sử dụng nhiều và hiệu quả nhất là ngôn ngữ bậc thang.
- Ngôn ngữ lập trình bậc cao như C hay Passcal đã được sử dụng để lập trình cho các mô-đun của PLC, giúp tạo sự linh hoạt hơn khi giao tiếp với các thiết bị ngoại vi và thao tác dữ liệu.
- Các lệnh lập trình đơn giản nhờ có sự mở rộng của các khối chức năng - Hệ thống chuẩn đoán và phát hiện lỗi đã được mở rộng và đơn giản hóa, nhằm phát hiện lỗi trong điều khiển bao gồm chuẩn đoán máy, tìm lỗi trong quá trình điều khiển.
- Từ các lệnh logic đơn giản thì ngày nay các bộ PLC được hỗ trợ thêm các lệnh về tác vụ định thời, tác vụ đếm, sau đó làcác lệnh về xử lý toán học, xử lý bảng dữ liệu, xử lý xung ở tốc độ cao, tính toán số thực 32-bit, xử lý thời gian thực, đọc mã vạch giúp PLC có khả năng thực hiện các yêu cầu phức tạp.
- Thao tác và xử lý dữ liệu được đơn giản hóa phù hợp với các yêu cầu điều khiển phức tạp
Ngày nay, PLC cung cấp khả năng dự đoán cao Chúng có thể giao tiếp với các hệ thống điều khiển khác, đưa ra các báo cáo sản xuất, lập kế hoạch sản xuất, và dự đoán lỗi của hệ thống trong quá trình hoạt động Chính những tiến bộ đó đã góp phần làm cho PLC ngày càng đóng một vai trò quan trọng trong việc đáp ứng nhu cầu về chất lượng và năng suất công việc.
Bảng 3.1 Lịch sử ra đời và phát triển của PLC
1968 Ra đời khái niệm về bộ điều khiển logic khả trình - PLC
1969 Giới thiệu bộ điều khiển logic khả trình PLC đầu tiên với bộ nhớ 1k và xử lý được 128 điểm vào/ra
1975 PLC với bộ điều khiển PID
1980 Các module vào/ra thông minh
1981 PLC nối mạng, 16-bit PLC, các màn hình CRT màu
1996 PLC được thiết kế với các khe cắm để có thể mở rộng các mô-đun vào/ra Ngày nay Các PLC có thể kết nối với nhau tạo thành các hệ thống điều khiển phân tán
3.1.2.2 Tiêu chuẩn của PLC: a) Tiêu chuẩn IEC (Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế)
Ngày nay, nhiều người đã gặp những khó khăn nhất định với ngôn ngữ lập trình và truyền thông khi làm việc với PLC của các nhà sản xuất khác nhau Để giải quyết vấn đề, IEC đã thống nhất và đưa ra tiêu chuẩn quốc tế IEC 1131 Tiêu chuẩn này bao gồm 5 phần.
Bảng 3.2 Tiêu chuẩn quốc tế IEC về PLC
1 Đặc điểm cơ bản của PLC và định nghĩa các thuật ngữ
2 Các chức năng cần thiết và các điều kiện thử nghiệm của các tính năng
4 Chú ý cho người sử dụng
5 Giao tiếp và mạng truyền thông
Năm 2009, Siemens ra dòng sản phẩm S7-1200 dùng để thay thế dần cho S7-
200 So với S7-200 thì S7-1200 có những tính năng nỗi trội:
S7-1200 là một dòng của bộ điều khiển logic lập trình (PLC) có thể kiểm soát nhiều ứng dụng tự động hóa Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, và một tập lệnh mạnh làm cho chúng ta có những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng với S7-
1200, bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợp sẵn, các đầu vào/ra (DI/DO).Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU và chương trình điều khiển:
Tất cả các CPU đều cung cấp bảo vệ bằng password chống truy cập vào PLC+ Tính năng “Know-how protection” để bảo vệ các block đặc biệt của mình S7-1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP.
Ngoài ra bạn có thể dùng các Module truyền thông mở rộng kết nối bằng RS485 hoặc RS232.
Phần mềm dùng để lập trình cho S7-1200 hỗ trợ 3 ngôn ngữ lập trình là FBD, LAD và SFC Phần mềm này được tích hợp trong TIA Portal 14 của Siemems.
Vậy để làm một dự án với S7-1200 chỉ cần cài TIA Portal V14 phần mềm này đã bao gồm cả môi trường lập trình cho PLC và thiết kế giao diện HMI.
Hình 3.1 Cấu tạo cơ bản của PLC Siemens
(1) Bộ phận kết nối nguồn.
(2) Các bộ phận kết nối nối dây của người dùng có thể tháo được (phía sau các nắp che) và khe cắm thẻ nhớ nằm dưới cửa phía trên.
(3) Các LED trạng thái dành cho I/O tích hợp.
(4) Bộ phận kết nối PROFINET (phía trên của CPU
Các kiểu CPU khác nhau cung cấp một sự đa dạng các tính năng và dung lượng giúp cho người dùng tạo ra các giải pháp có hiệu quả cho nhiều ứng dụng khác nhau.
Bảng 3.3 Các thành phần và chức năng của PLC
Chức năng CPU 1211C CPU 1212C CPU 1214C
Kích thước vật lý (mm) 90 x 100 x 75 110 x 100 x 75
● Bộ nhớ giữ lại ● 2 kB ● 2 kB
● 2 ngõ ra Kích thước ảnh tiến trình 1024 byte ngõ vào (I) và 1024 byte ngõ ra (Q)
Bộ nhớ bit (M) 4096 byte 8192 byte Độ mở rộng các module tín hiệu Không 2 8
Các module truyền thông 3 (mở rộng về bên trái)
Thẻ nhớ Thẻ nhớ SIMATIC (tùy chọn)
Thời gian lưu giữ đồng hồ thời gian thực Thông thường 10 ngày / ít nhất 6 ngày tại 400C
PROFINET 1 cổng truyền thông Ethernet
Tốc độ thực thi tính toán thực 18 μs/lệnhs/lệnh
TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN
3.2.1 Khái niệm và vai trò của biến tần:
Biến tần là thiết bị làm thay đổi tần số dòng điện đặt lên cuộn dây bên trong động cơ và thông qua đó có thể điều khiển tốc độ động cơ một cách vô cấp, không cần dùng đến các hộp số cơ khí Biến tần thường sử dụng các linh kiện bán dẫn để đóng ngắt tuần tự các cuộn dây của động cơ để làm sinh ra từ trường xoay làm quay rô-to (rotor).
Hình 3.7 Sơ đồ cấu tạo biến tần
3.2.1.2 Vai trò của biên tần:
Năng lượng là nguồn lực quan trọng cho mọi hoạt động sản xuất, là yếu tố đảm bảo cho sự phát triển của mỗi quốc gia Tuy nhiên, việc sử dụng năng lượng lãng phí và kém hiệu quả vẫn còn rất lớn Phần lớn các doanh nghiệp hiện nay sử dụng các thiết bị, công nghệ lạc hậu có hiệu suất thấp, việc quản lý năng lượng chưa được chú ý dẫn đến tổn thất cao Để khắc phục nhược điểm này, người ta sử dụng biến tần nhằm nâng cao hiệu suất cho động cơ xoay chiều trong các dây chuyền sản xuất.
Biến tần kết hợp với động cơ không đồng bộ đã đem lại những lợi ích sau:
- Hiệu suất làm việc của máy cao.
- Quá trình khởi động và dừng động cơ rất êm dịu nên giúp cho tuổi thọ động cơ và các cơ cấu bền hơn.
- An toàn, tiện lợi và việc bảo dưỡng cũng ít hơn do vậy đã giảm bớt số nhân công phục vụ và vận hành máy
- Tiết kiệm điện năng ở mức tối đa trong quá trình khởi động và vận hành.
- Ngoài ra, hệ thống máy có thể kết nối với máy tính ở trung tâm Từ trung tâm điều khiển nhân viên vận hành có thể thấy được hoạt động của hệ thống và các thông số vận hành (áp suất, lưu lượng, vòng quay ), trạng thái làm việc cũng như cho phép điều chỉnh, chẩn đoán và xử lý các sự cố có thể xảy ra. Điều khiển biến tần ở chế độ PU là sử dụng các phím chức năng được tích hợp trong phần cứng của biến tần để điều khiển hoặc được đưa ra mặt tủ thông qua cáp kết nối
Từ các hãng trên em chọn hãng biến tần V&T để điểu khiển ổn định áp suất đường ống cho hệ thống Vì giá thành phù hợp cũng như tài liệu cũa hãng rõ ràng dễ sử dụng và cài đặt.
Với công suất và các số liệu theo yêu cầu của đề tài em sẽ chọn công suất của biển tần phù hợp
- Điều khiển được Vector vòng hở (Open Vector Control).
- Điều khiển vòng hở cho motor PM
- Tích hợp chức năng điều khiển PID
- Mô-men xoắn khởi động: 0,25Hz 180% mô-men xoắn
- Phạm vi điều chỉnh tốc độ: 1: 200
- Độ chính xác ổn định tốc độ: ± 0,2%
- Động cơ điều khiển ổn định 0,25Hz hoạt động ổn định với mô-men xoắn 150%.
- Màn hình có thể tháo rời, phạm vi điều khiển lên tới 5 mét.
- Phạm vi đáp ứng rộng với dãy điện áp: 260VAC - 480VAC, 350VDC - 750VDC
- Tích hợp tính năng tiết kiệm năng lượng (Energy saving).
- Đáp ứng được giải pháp điều khiển đa bơm với chức năng: Điều áp, luân phiên, chế độ ngủ , chế độ gọi bơm
- Tích hợp sẵn bộ xả với công suất từ 18.5 kW trở xuống.
- Khả năng qúa tải: 60s với 150% dòng định mức, 10s với 180% dòng định mức, 1s với 200% dòng định mức Ứng dụng phổ biến của dòng biến tần (Inverter) V&T V5-H
- Dùng cho máy dệt kim
- Điều khiển động cơ máy nén khí
- Sử dụng cho máy đùn
- Điều khiển quạt áp lực dùng trong công nghiệp
- Biến tần dùng cho máy thổi nhựa
- Điều khiển tốc độc băng tải
- Chuyên dụng cho máy bơm
- Dùng trong giặt sấy công nghiệp
Hình 3.9 Các chân cầu đấu của biến tần V&T V5
Biến tần có các chân cấp nguồn 3 pha, đầu ra đấu vào động cơ Các chân điều khiển Input , Output Các chận nhận tín hiệu analog và out tín hiệu analog Chân relay để thực hiện các chức năng được cài đặt Ngoài ra còn có thêm cổng giao tiếpRS485 để truyền thông với các thiết bị khác như PLC.
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ BƠM
3.3.1 Khái nệm và phân loại động cơ bơm:
Bơm là loại thiết bị được áp dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, dùng để vận chuyển chất lỏng chuyển động trong ống Bơm là loại thiết bị chính cung cấp năng lượng cho chất lỏng để thắng trở lực trong đường ống khi chuyển động, nâng chất lỏng lên độ cao nào đó, tạo lưu lượng trong thiết bị công nghệ,… Năng lượng của bơm được lấy từ các nguồn động năng khác
Hình 3.10 Cấu tạo động cơ bơm
- (2) : Gioăng đầu ra , đầu vào
Theo nguyên lý hoạt động, bơm chất lỏng chia làm ba nhóm chính sau:
- Bơm thể tích: việc hút và đẩy chất lỏng ra khỏi bơm nhờ sự thay đổi thể tích của không gian làm việc trong bơm Do đó thể tích và áp suất chất lỏng trong bơm sẽ thay đổi, cung cấp năng lượng cho chất lỏng
Việc thay đổi thể tích trong bơm có thể do:
+ Chuyển động tịnh tiến (bơm piston)
+ Chuyển động quay (bơm roto)
- Bơm động lực: việc hút và đẩy chất lỏng ra khỏi bơm nhờ sự chuyển động quay tròn của các bơm, khi đó động năng của cánh quạt sẽ truyền vào chất lỏng tạo năng lượng cho dòng chảy.
Năng lượng của cánh quạt truyền vào chất lỏng có thể dưới dạng:
+ Lực ly tâm (bơm ly tâm)
+ Lực đẩy của cánh quạt (bơm hướng trục)
+ Lực ma sát (bơm xoáy lốc)
- Bơm khí động: việc hút và đẩy chất lỏng được thực hiện nhờ sự thay đổi áp suất của dòng khí chuyển động trong bơm và tạo năng lượng cho dòng chảy
+ Bơm Ejector: việc thay đổi áp suất dòng khí sẽ tạo ra lực lôi cuốn chất lỏng cùng dòng khí.
+ Thùng nén: tạo áp suất trên bề mặt chất lỏng nhằm tạo cho chất lỏng có thế năng cần thiết để chuyển động.
Trong các trạm bơm câp nước cũng như thoát nước, khi yêu câu vận chuyên một lưu lượng nước lớn người ta thường sử dụng nhiêu bơm cùng làm việc.
Các bơm khi làm việc cùng cấp nước vào một hệ thống đường ống gọi là làm việc song song Vì thế khi các bơm làm việc song song trong hệ thống thì chúng có cột áp bằng nhau và bằng cột áp yêu cầu của hệ thống, còn lưu lượng của hệ thống sẽ bằng tổng lưu lượng của các bơm.
Trong thực tế người ta có thể ghép hai hoặc nhiều bơm làm việc song song trên cùng một hệ thống đường ống Thậm chí có những trường hợp hai trạm làm việc song song trên một hệ thống đường ống Để xác định điểm làm việc của từng bơm phải dựng đường đặc tính tổng cộng của chúng khi làm việc song song.
Hình 3.11 Bơm ghép song song
Hai bơm cùng đặc tính làm việc song song:
Trên hình giới thiệu hai bơm cùng đặc tính Q-H làm việc song song trên cùng đường Ống.
Do khi làm việc song song, cột áp tổng H,„ của hệ thống băng cột áp của từng bơm:
H tc = H 1 = H 2 = H 3 = = H n (1) và lưu lượng tông cộng bằng tông lưu lượng của các bơm cùng làm việc:
Q tc = Q 1 = Q 2 = Q 3 = = Q n (2) nên khi dựng đường đặc tính tổng cộng chỉ cần nhân đôi hoành độ ( lưu lượng) còn tung độ (cột áp) giữ nguyên.
Hình 3.12 Đặc tính làm việc song song của hai bơm giống nhau
Ví dụ : tìm c trên đường đặc tính tổng cộng Q- H (1 +2), chỉ việc lấy ac = 2ab. Tương tự như vậy sẽ tìm được các điểm của đường đặc tính tổng công Q- H (1 +2). Giao điểm giữa hai đường đặc tính đường ống DE và đường đặc tính tổng cộng Q- H (1+2) là điểm làm việc của hai bơm ghép song song, hoành độ cho lưu lượng tổng cộng Q- H (1 +2), tung độ cho cột áp tổng cộng H (1 +2) Từ điểm 2 kẻ đường song song với trục hoành, đường này cắt đường đặc tính của mỗi bơm Q- H 1,2 tại điểm 1 cho lưu lượng Q 1 ,cột áp H 1 của từng bơm khi làm việc song song trong hệ thống Như vậy khi hai bơm làm việc song song trong hệ thống, chúng luôn tuân theo điều kiện (1) và (2) Từ đồ Hình 4 thấy :
Từ điểm I kẻ đường song song với trục tung được điểm 3 và 4 cho công suất và hiệu suất của từng bơm khi làm việc song song trong hệ thống.
Giao điểm 5 của đường đặc tính từng bơm Q- H 1,2 với đường đặc tính đường ống xác định điểm làm việc của từng bơm trong hệ thống cho lưu lượng Q, cột áp
H Từ điểm 5 kẻ đường song song với trục tung được điểm 6 và 7 xác định công suất và hiệu suất của tưng bơm khi làm việc riêng rẽ.
Từ đồ thị Hình 4 thấy:
2Q 1 =Q (1+ 2) 0.3; k2 < 2 P or PI PI PI or PID PI or PID
GHI CHÚ FFC : bù nhiễu lọc nhiễu(Feed Forward compensation)
DTC ; bù trễ(Dead time compensation) SPW : trọng số tín hiệu đặt (SetPoint Weighting) PPT : chỉnh đặt điểm cực(pole Placement Tuning) Đối với đối tượng có mô hình là khâu quán tính bậc nhất có trễ:
Hệ số khuếch đại chuẩn hóa và thời gian trễ chuẩn hóa là : k 1 = k
Từ các hệ số trên áp dụng vào quá trình đo áp suất với đối tượng điều khiển có hàm truyền đạt được xác định ở phần dưới:
Khi đó ta xác định được: θ 1 =T 1
0.5 =0.16 Dựa theo bảng trên ta thấy đối tượng trên sử dụng luật điều khiển PI hoặc luật PID do θ 1=0,16 nên thuộc vào trường hợp 3 trong bảng trên.
Từ các nhận xét trên, chúng ta thấy lựa trọn luật điều khiển PI cho đối tượng cụ thể trong đồ án này là phù hợp.
TÍNH TOÁN VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH
TÍNH TOÁN XÂY DỰNG PHẦN CỨNG
Hình 5.1 Sơ đồ khối hệ thống
5.1.2.1 PLC C S7-1200 CPU 1212 (AC/DC/RLY):
Với đề tài được giao, chúng em lựa chọn PLC S7-1200 CPU 1215
AC/DC/RLY, vì đây là loại CPU có đầy đủ chức năng để thực hiện bài toán: kết nối đầu vào là tín hiệu analog, biến tần, số ngõ vào/ra nhiều, có tích hợp bộ điều khiển PID… và hơn hết là phù hợp với điều kiện sinh viên chúng em
Hình 5.2 CPU 1212C AC/DC/RLY 5.1.2.2 Tính chọn động cơ bơm và đường ống hệ thống: a) TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ BƠM:
CỘT ÁP VÀ LƯU LƯỢNG:
+ Về cột áp: Cột áp H = H1 + H2 +H3.
- H1: là tổng của cột áp cao nhất ( tức là áp lực nước theo độ cao từ vị trí đặt bơm đến nơi xa nhất của hệ thống Kinh nghiệm 5 mét ngang bằng 1 mét cao.
- H2: cột áp để phun nước tại đầu ra
- H3: tổn thất áp tại co cút tê trên đường ống (tổn thất cục bộ) và ma sát đường ống.
Tuy nhiên căn cứ vào thông số đề tài được giao chọn :
Tổng chiều cao cột áp :40 (m)
TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ:
P tt : Công suất tính toán (Kw)
H : Tổng chiều cao cột áp (m)
M : Khối lượng riêng của nước ( lấy bằng 1000Kg/m 3 )
N : Hiệu suất bơm ( chọn từ 0.8-0.9 )
Căn cứ theo thông số đã chọn từ yêu cầu của đề tài tao có:
= > Chọn công suất động cơ bơm : P đc =P tt
P đc : Công suất động cơ
P tt : Công suất tính toán
C : Hiệu suất motor ( chọn từ 0.9 – 0.95)
= > Chọn động cơ có công suất 10 (Kw)
(hình minh họa loại bơm có thể sử dụng trong đề tài)
Máy Bơm Nước Matra, Pentax Công Suất : 10Kw, 15Kw Chạy Điện 380V Model : Cm 50 - 250A, Cm 65 - 200A, Cm 80 -200A, Cm 32 - 160C, Cm 40 - 250A
(Động cơ bơm phụ có thể chọn theo dải công suất sao cho phù hợp nhất)
(hình minh họa loại bơm có thể sử dụng trong đề tài) b) TÍNH CHỌN ĐƯỜNG ỐNG:
Về Kích thước Đường ống: (chỉ cần có thông số lưu lượng và vận tốc nước) Dựa vào công thức:
- Đối với vận tốc nước dựa vào tiêu chuẩn việt nam 4513-1988 (TCVN
= > Lấy nước dùng cho mọi nhu cầu sinh hoạt với vận tốc V = 12 m/s
- Đối với lưu lượng nước, dựa vào yêu cầu được giao của đề tài ta có : Lưu lượng Q= 0.02 (m 3 /s) = 20 ( l / s )
Từ đó ta có kích thước đường ống như sau:
=1.45 hay gọi thông thường là phi 145 => chọn ống DN150
- Tần số ngõ ra: 0.2 đến 400 Hz
- Khả năng chịu quá tải: 150% trong 60s, 200% trong 0.5s
- Tín hiệu ngõ vào analog: 0 – 10V, 0 – 5V, 4 – 20mA
- Tín hiệu ngõ vào digital: 380V (AC), điều khiển Run/Stop
- Ngõ ra digital: 5 cổng Báo trạng thái hoạt động của biến tần
Mục đích : do yêu cầu ổn định áp suất nước trên đường ống nên ta cần chọn cảm biến áp suất để đo áp suất phản hổi bề PLC.
Hình 5.6 Cảm biến áp suất M5100
- Kiểu nối cáp Mini DIN43650
- Thân vỏ thép không gỉ
Dùng cho môi chất nước, dầu, khí
Mục đích : Bảo vệ quá áp suất, ngắt mạch khi áp suất quá mức cho phép.Yêu cầu : mức đặt cho relay là 8 bar.
Hình 5.7 Realy áp suất Danfoss KP36
- Dùng trong Amôniắc (NH3): không
- Dạng công tắc: SPDT (đơn cực 2 ngã)
- Áp suất làm việc: 2 14 bar
- Điều chỉnh độ lệch áp suất reset: 0,70 - 4,00 bar Ứng dụng:
- Trong hệ thống công nghiệp lạnh môi chất FREON
- Kiểm tra áp lực nước trong hệ thống phòng cháy chữa cháyBảo vệ trong ổn định áp suất đường ống nước
TÍNH TOÁN XÂY DỰNG PHẦN MỀM
Hình 5.8 Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống
(Trình bày trong phần mềm TIAPORTAL)
Hình 5.9 Giao diện mô phỏng WinCC
(Trình bày trên giao diện mô phỏng Wincc phần mềm TIAPORTAL)