Về nội dung đề tài và khối lượng thực hiện: Nhóm sinh viên đã nghiên cứu, thiết kế và thi công mô hình bơm ổn định áp suất, lập trình với PLC S7-1200 và thiết kế giao diện điều khiển trê
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
Lý do chọn đề tài
Để hoàn thành một đồ án tốt nghiệp chất lượng, nhóm em cảm thấy rằng việc lựa chọn một đề tài phù hợp không chỉ là quan trọng mà còn rất cần thiết Vì vậy, khi tìm kiếm ý tưởng cho đồ án tốt nghiệp của mình, nhóm em đã tìm hiểu và lựa chọn đề tài "Thiết kế hệ thống bơm luân phiên ổn định áp suất" vì nó liên quan trực tiếp đến chuyên ngành của nhóm là Kỹ thuật Điện - Điện tử
Trong quá trình tiếp cận với đề tài, nhóm em đã nhận thấy rằng hệ thống bơm luân phiên có vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực sản xuất, sinh hoạt, đặc biệt là trong các ứng dụng công nghiệp Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ, nhu cầu thiết kế và sản xuất các hệ thống bơm luân phiên ổn định áp suất đã trở nên ngày càng tăng Tuy nhiên, để đạt được hiệu suất cao và tiết kiệm năng lượng cho hệ thống bơm luân phiên, cần phải tối ưu hóa quá trình điều khiển áp suất bằng cách sử dụng các phương pháp điều khiển hợp lý Để đạt được mục tiêu này, nhóm em đã chọn sử dụng Biến tần INVT GD20 và PLC S7-
1200 để thiết kế hệ thống bơm luân phiên ổn định áp suất sử dụng thuật toán PID Cụ thể, hệ thống của nhóm em sẽ bao gồm các thành phần như động cơ không đồng bộ ba pha, cảm biến áp suất, biến tần INVT GD20 và PLC S7-1200 để giúp điều khiển áp suất và lưu lượng nước Với việc sử dụng các thiết bị này, nhóm em sẽ có thể thiết kế một hệ thống bơm luân phiên có độ chính xác cao trong việc điều khiển áp suất và đảm bảo hiệu suất và tiết kiệm năng lượng cho hệ thống
Ngoài ra, thông qua quá trình thực hiện đồ án này, nhóm em cũng mong muốn có cơ hội tự nghiên cứu và tìm hiểu sâu hơn về kỹ thuật điều khiển, nâng cao khả năng tư duy và giải quyết vấn đề Điều này sẽ giúp nhóm em phát triển khả năng sáng tạo và ứng dụng kiến thức để giải quyết các vấn đề thực tiễn trong tương lai
Vì những lý do trên, nhóm em quyết định lựa chọn đề tài "Thiết kế hệ thống bơm luân phiên ổn định áp suất" cho đồ án tốt nghiệp của mình.
Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu, thiết kế và thi công thành công hệ thống bơm luân phiên ổn định áp suất sử dụng PLC S7-1200
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Lập trình SCADA bằng TIA PORTAL
- Thiết kế giao diện điều khiển với HMI
- Giao tiếp truyền thông PLC với biến tần
- Lập trình PID bằng PLC cho động cơ hoạt động theo giá trị áp suất yêu cầu.
Phương pháp nghiên cứu
Đề tài sử dụng tổng hợp các phương pháp nghiên cứu sau:
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm.
Nội dung nghiên cứu
- Tìm kiếm tài liệu liên quan đến các hệ thống bơm luân phiên, cách điều khiển áp suất bằng PID, sử dụng PLC S7-1200 và biến tần INVT GD20
- Thiết kế hệ thống dựa trên các nghiên cứu được từ các tài liệu
- Thiết kế giao diện điều khiển tự động trên WinCC Unified
- Xây dựng chương trình điều khiển bằng ngôn ngữ LAD cho PLC S7-1200 và điều chỉnh các đặc tính tùy chọn của PLC để đáp ứng các yêu cầu của hệ thống bơm
- Cài đặt và cấu hình biến tần để giao tiếp truyền thông
- Kiểm tra và đánh giá hiệu suất của hệ thống bơm.
Giới hạn đề tài
- Đề tài chỉ tập trung vào việc thiết kế và thi hệ thống bơm
- Điều khiển được thông qua màn hình HMI
- Truyền thông giữa PLC S7-1200 và biến tần INVT GD20
- Giám sát hệ thống qua WinCC Unified.
Bố cục báo cáo
Đề tài “Thiết kế hệ thống bơm luân phiên ổn định áp suất” sẽ được trình bày theo từng phần từ lý thuyết đến ứng dụng Mỗi vấn đề trong bài sẽ được trình bày qua từng chương sau:
• Chương 1: Giới thiệu tổng quan
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
Trình bày tổng quan sơ bộ về các yêu cầu của bài báo cáo như lí do chọn đề tài, mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu và nội dung nghiên cứu đề tài
• Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Trình bày phương pháp điều khiển áp suất bằng PID, phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ, xử lý tín hiệu cảm biến analog, truyền thông Modbus RS485 cho biến tần và PLC
• Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển
Chương này đưa ra các yêu cầu đề bài, lựa chọn thiết bị, thiết kế phần cứng và giao diện hệ thống
• Chương 4: Kết quả thực hiện
Kết quả đạt được của đề tài
• Chương 5: Kết luận và hướng phát triển
Trình bày kết quả mà nhóm đã đạt được trong quá trình nghiên cứu, những hạn chế và đưa ra hướng phát triển cho đề tài.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Các phương pháp điều khiển hệ thống bơm luân phiên
Có nhiều phương pháp điều khiển hệ thống bơm được sử dụng, phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể và yêu cầu kỹ thuật của hệ thống Dưới đây là một số phương pháp điều khiển phổ biến:
- Điều khiển bằng van điều khiển áp suất: Phương pháp này sử dụng van điều khiển áp suất để điều chỉnh áp suất trong hệ thống bơm Nếu áp suất tăng quá cao, van sẽ đóng lại, ngăn chặn sự cung cấp nước liên tục trong hệ thống Khi áp suất giảm, van mở lại, bơm sẽ hoạt động trở lại để cung cấp nước cho hệ thống
- Điều khiển bằng van điều khiển lưu lượng: Phương pháp này sử dụng van điều khiển lưu lượng để điều chỉnh lưu lượng nước trong hệ thống bơm Các van điều khiển lưu lượng được sử dụng để điều chỉnh lưu lượng của các đường ống nước, đảm bảo rằng lưu lượng được phân bổ đều trong hệ thống bơm
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
- Điều khiển bằng cảm biến lưu lượng: Phương pháp này sử dụng các cảm biến lưu lượng để đo lưu lượng nước trong hệ thống bơm và điều chỉnh hoạt động của bơm dựa trên tín hiệu cảm biến Khi lưu lượng nước tăng, bơm sẽ hoạt động để giảm lưu lượng xuống mức được đặt trước
Các phương pháp điều khiển trên đều có ưu điểm và nhược điểm riêng, tùy thuộc vào điều kiện ứng dụng và yêu cầu kỹ thuật Tuy nhiên, việc sử dụng phương pháp điều khiển truyền động bằng biến tần kết hợp với thuật toán PID là phương pháp tiên tiến và hiệu quả nhất hiện nay Phương pháp này sử dụng biến tần để điều khiển tốc độ quay của động cơ bơm nước, giúp kiểm soát lượng nước hoặc chất lỏng được cung cấp vào hệ thống và đảm bảo áp suất ổn định.
Tổng quan về hệ thống điều khiển áp suất
Để giải quyết vấn đề điều chỉnh lưu lượng nước bơm trong các trạm bơm một cách hiệu quả, phương pháp điều khiển truyền động bằng biến tần kết hợp với thuật toán PID đã được sử dụng phổ biến trong công nghiệp và xây dựng
Thiết bị biến tần có khả năng điều chỉnh tốc độ quay của động cơ bơm nước bằng cách thay đổi tần số của dòng điện cung cấp cho động cơ Từ đó, lưu lượng và áp suất của nước được cung cấp từ hệ thống bơm nước có thể được điều chỉnh linh hoạt và chính xác theo nhu cầu sử dụng
Khi sử dụng phương pháp điều khiển truyền động bằng biến tần kết hợp với thuật toán PID, các bơm luân phiên hoạt động một cách tự động và liên tục, không có sự gián đoạn do đóng mở các van hoặc các máy bơm Việc điều khiển tốc độ quay của động cơ bằng biến tần kết hợp với thuật toán PID cũng giúp tiết kiệm năng lượng, tăng độ bền của thiết bị và giảm thiểu các sự cố ngừng hoạt động và hỏng hóc
Do đó, phương pháp điều khiển truyền động bằng biến tần kết hợp với thuật toán PID được xem là một giải pháp thông minh và tiết kiệm để điều chỉnh lưu lượng nước bơm trong các trạm bơm
Nguyên tắc điều khiển hệ thống
Trong hệ thống bơm, việc sử dụng thiết bị biến tần giúp điều chỉnh linh hoạt lưu lượng và áp lực nước cấp vào mạng lưới theo yêu cầu tiêu thụ Đầu ra của PLC được kết nối với biến tần để điều khiển tốc độ động cơ thông qua từ dây biến tần
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
PLC nhận tín hiệu từ cảm biến áp suất và so sánh giá trị này với giá trị đặt trước đó để điều khiển biến tần giúp thay đổi tốc độ của động cơ Việc thay đổi tần số dòng điện đưa vào động cơ giúp đảm bảo áp suất nước trong đường ống được ổn định
Khi sử dụng biến tần, ta có thể điều chỉnh nhanh chóng tốc độ quay của động cơ khi áp suất thay đổi, giúp đảm bảo lượng nước cung cấp cho hệ thống vẫn đạt mức tối ưu Bên cạnh đó, sử dụng thiết bị biến tần còn đa dạng hóa phương thức điều khiển các máy bơm trong trạm bơm Một thiết bị biến tần có thể điều khiển tới 5 máy bơm, giúp tối ưu hoá hoạt động của hệ thống và tiết kiệm năng lượng tiêu thụ
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 Khi sử dụng thiết bị biến tần cho phép điều chỉnh một cách linh hoạt lưu lượng và áp lực cấp vào mạng lưới 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.
Tổng quan về bộ điều khiển PID
2.3.1 Giới thiệu về bộ điều khiển
Từ hơn sáu thập kỷ nay, PID là bộ điều khiển thông dụng nhất trong các hệ thống điều khiển quá trình bởi các lý do sau:
- Cấu trúc và nguyên lý hoạt động đơn giản, dễ hiểu và dễ sử dụng đối với những người làm thực tế
- Có rất nhiều phương pháp và công cụ mạnh hỗ trợ chỉnh định các tham số của bộ điều khiển
- Các luật điều khiển P, PI, PID thích hợp cho một phần lớn các quá trình công nghiệp
Nhiều báo cáo đã đưa ra các con số thống kê rằng hơn 90% bài toán điều khiển quá trình công nghiệp được giải quyết với các bộ điều khiển PID, trong số đó khoảng trên 90% thực hiện luật PI, 5% thực hiện luật P thuần túy và 3% thực hiện luật PID đầy đủ, còn lại là những dạng dẫn xuất khác
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Hình 2.1 Sơ đồ khối PID [9]
2.3.2 Chỉnh định tham số PID
Các phương pháp chỉnh định tham số cho bộ PID được phân loại thành 5 nhóm chính như sau:
- Các phương pháp dựa trên đặc tính sử dụng một số đặc điểm của quá trình và tính toán các tham số bộ điều khiển để thu được các đặc tính vòng kín mong muốn
- Các phương pháp mô hình mẫu tổng hợp bộ điều khiển dựa trên mô hình toán học của quá trình và mô hình mẫu của hệ kín hoặc hệ hở ( đưa ra dưới dạng hàm truyền đạt hoặc đặc tính đáp ứng tần số )
- Các phương pháp nắn đặc tính tần số theo quan điểm thiết kế truyền thông, sử dụng mô hình hàm truyền đạt hoặc mô hình đáp ứng tần số của quá trình và tính toán các khâu bù sao cho các đường đặc tính tần số hệ hở hay hệ kín đạt được các chỉ tiêu thiết kế trên miền tần số như dải thông, độ dự trữ biên và pha
- Các phương pháp tối ưu tham số sử dụng mô hình toán học của quá trình toán học của quá trình và xác định các tham số của bộ điều khiển bằng cách cực tiểu hóa/cực đại hóa một tiêu chuẩn chất lượng
- Các phương pháp dựa trên luật kinh nghiệm bắt chước suy luận của con người, có thể sử dụng cả đáp ứng của quá trình và các đặc tính đáp ứng vòng kín mong muốn
2.3.3 Lựa chọn luật điều khiển
Theo Astrom và Hangglund đưa ra một số nguyên tắc cơ bản sau:
- Chọn luật điều khiển PI là đủ nếu như quá trình có đặc tính của một khâu quán tính bậc nhất và không có thời gian trễ, hoặc yêu cầu chính là chất lượng điều khiển ở
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
8 trạng thái xác lập, còn đặc tính bán tín hiệu chử đạo trong quá trình quá độ không đặt ra hàng đầu Thành phần I có thể bỏ qua nếu đối tượng đã có đặc tính tích phân hoặc sai lệch tĩnh không nhất thiết phải triệt tiêu
- Chọn luật điều khiển PID nếu như quá trình có đặc tính của khâu bậc 2 và thời gian trễ tương đối nhỏ
- Đối với các quá trình có thời gian trễ lớn cần sử dụng các khâu bù trễ
- Sử dụng các khâu bù nhiễu nếu khả năng thực hiện cho phép để cải thiện chất lượng điều khiển
- Các luật điều khiển P, PI, PD có thể chưa đáp ứng được yêu cầu đặt ra về chất lượng điều khiển đối với các quá trình bậc cao, thời gian trễ lớn hoặc giao động mạnh Khi đó cần sử dụng các thuật toán điều khiển tiên tiến hoặc các sách lược điều khiển đặc biệt hơn
Kết luận: Từ 5 nguyên tắc trên với nhu cầu đáp ứng theo hệ thống trong đồ án có đối tượng đáp ứng là bậc nhất thì nhóm em đưa ra kết luận sử dụng luật điều khiển PI Vì quá trình và cảm biến trong vòng điều khiển áp suất nhanh hơn thiết bị chấp hành Quá trình có đặc tính tích phân nên sử dụng luật P cho điều khiển lỏng và định luật PI cho điều khiển chặt (thời gian tích phân lớn ) Nhưng do yêu cầu cao hơn về độ chính xác vì lý do an toàn trong quá trình đo Ngoài ra còn khâu PID thường đáp ứng với khâu quán tính bậc
2 Và thành phần vi phân D ít sử dụng bởi thực sự không cần thiết, hơn nữa phép đo áp suất ít khi có sự ảnh hưởng của nhiễu Nên trong quá trình đo áp suất không sử dụng luật PID
Xét hệ thống điều khiển PI có cấu trúc vòng kín như hình vẽ sau:
Hình 2.2 Cấu trúc vòng kín PID [10]
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
y : tín hiệu đáp ứng đầu ra(Process value)
e : tín hiệu sai lệch, sai số(e=SP-PV)
u : là tín hiệu đầu ra bộ điều khiển.
Xử lý tín hiệu Analog
Khi làm việc với PLC, có 2 loại tín hiệu cần quan tâm: tín hiệu số (Digital) và tín hiệu tương tự (Analog) Tín hiệu số thì khá đơn giản, bản chất của tín hiệu số là chỉ có 2 trạng thái Logic 0 và 1 tương ứng với mức điện áp logic của PLC (ví dụ mức điện áp 0 V ứng với mức Logic 0, mức điện áp 24V ứng với mức Logic 1) Nhưng để xử lý tín hiệu tương tự thì không đơn giản như vậy Tín hiệu tương tự có một dải giá trị chứ không phải chỉ có
2 giá trị như tín hiệu số Tín hiệu tương tự sử dụng với PLC có 2 dạng: điện áp và dòng điện Tín hiệu kiểu điện áp có thể là: 0 ~ 10V, -5V ~ 5V,… Tín hiệu dòng điện có thể là 0
Hình 2.3 Sơ đồ xử lý tín hiệu Analog trong PLC [5]
PLC là một thiết bị điện tử, hoạt động trên nguyên lý nhị phân, chỉ xử lý được các tín hiệu ở dạng 0/1 Nhưng khi ghép nhiều bit vào với nhau, giá trị số lưu trữ được (dạng nhị phân) sẽ tăng lên Do đó cần phải có những Module biến đổi tín hiệu tương tự thành những giá trị số chứa trong một chuỗi bit giúp cho PLC hiểu được Để đọc, ghi được các tín hiệu tương tự này, PLC có các Module Analog đầu vào (Analog Input) và Analog đầu ra (Analog Output)
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Xử lý tín hiệu Analog đầu vào trong PLC: Đo một đại lượng thực tế cần đo đếm (nhiệt độ, áp suất, mức,…) bằng thiết bị đo tương ứng Thiết bị đo này chuyển giá trị đại lượng đo thành tín hiệu đầu ra dạng tương tự Tín hiệu tương tự này được đưa vào module Analog input của PLC để biến đổi thành giá trị số Tuy nhiên người lập trình không thể sử dụng giá trị số này mà phải quy đổi tín hiệu số này về khung giá trị của đại lượng cần đo Từ đó mang giá trị này đi xử lý trong logic điều khiển (so sánh, tính toán,…)
Xử lý tín hiệu Analog đầu ra trong PLC: Đại lượng cần điều khiển (tần số động cơ, độ mở van tuyến tính,…) được điều khiển bằng thiết bị điều khiển trực tiếp (biến tần, mạch điều khiển van) Thiết bị điều khiển này nhận tín hiệu tương tự xuất ra từ PLC (từ module Analog Output) Tuy nhiên module này chỉ hiểu được các giá trị số, không thể nhập trực tiếp giá trị 50 Hz hay 10V vào được Người lập trình sẽ phải quy đổi giá trị đặt tương ứng thành giá trị số theo dãi biến đổi của Module).
Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha
Việc sử dụng động cơ không đồng bộ 3 pha trong các hệ thống có điều chỉnh tốc độ ngày càng phổ biến, vì các thiết bị điều khiển ngày càng phát triển về kỹ thuật điều khiển và rẻ về giá thành Việc đầu tư thiết bị điều khiển hợp lý sẽ mang lại hiệu quả đáng kể Điều chỉnh phía roto: thêm và điều chỉnh điện trở roto (điện kháng roto hầu như không sử dụng) Ngoài ra, còn có thêm các phương pháp điều chỉnh khác như: bơm áp roto, công suất trượt, v.v Các phương pháp này chỉ áp dụng cho động cơ roto dây quấn Điều chỉnh phía stato: thêm điện trở hoặc điện kháng vào stato, điện áp stato, tần số nguồn cấp cho stato Do phạm vi điều chỉnh tốc độ khi thêm điện trở và điện kháng stato cũng như chỉnh điện áp stato khá hẹp khi tải hằng số, nên các phương pháp này ít được sử dụng
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.5.1 Điều chỉnh điện trở mạch roto
Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh điện trở mạch rôto Việc điều chỉnh điện trở roto có thể thực hiện như hình 2.3 bằng cách thay đổi độ rộng xung kích cho transistor IGBT Độ rộng xung càng lớn sẽ làm cho điện trở trung bình thêm vào roto càng nhỏ và ngược lại Đặc tính cơ khi điều chỉnh có dạng như hình 2.4 Phương pháp này chỉ có thể thực hiện đối với động cơ roto dây quấn, trong khi loại động cơ này hiện nay ít được sử dụng Hơn nữa, tổn hao trên điện trở làm giảm hiệu suất vận hành Đây là nhược điểm chính của phương pháp này Vì vậy, tài liệu này không trình bày sâu về phương pháp thêm điện trở roto
2.5.2 Điều chỉnh giảm điện áp stato Ở sơ đồ mạch như hình 2.5(b), khi điều chỉnh góc kích của các SCR, sẽ điều chỉnh được điện áp stato của động cơ Hình 2.5(a) cho thấy đặc tính cơ khi điều chỉnh áp stato
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh điện áp stato
(a) Đặc tính cơ, (b) Mạch động lực
Vì mô men động cơ tỉ lệ với bình phương điện áp stato nên với cùng tần số, chỉ cần một thay đổi nhỏ của điện áp stato là làm thay đổi đáng kể mômen động cơ Khi giảm 10% điện áp, sẽ giảm 19% mô men cực đại động cơ cũng như mô men khởi động Trên đặc tính cơ cho thấy, khi hoạt động bình thường trong vùng tuyến tính, tốc độ động cơ thay đổi không đáng kể khi điện áp thay đổi Tuy nhiên, kỹ thuật này không thể dùng cho điều chỉnh tốc độ với phạm vi rộng Dù sao đi nữa, thì đây cũng là phương pháp khá tốt dùng để giảm dòng khởi động và tăng hiệu suất với điều kiện tải nhẹ, giảm tổn hao và đặc biệt là tổn hao sắt Do đó, kỹ thuật này chỉ phù hợp với điều chỉnh tốc độ dưới định mức đối với tải quạt gió hoặc máy bơm
2.5.3 Điều chỉnh tần số nguồn cấp cho stato
Thông thường, động cơ làm việc ở vùng có độ trượt tốc độ nhỏ, nên tốc độ động cơ gần bằng tốc độ đồng bộ Nếu thay đổi tốc độ đồng bộ thì sẽ thay đổi được tốc độ động cơ, đặc tính cơ và đặc tính tốc độ trên hình 2.6(a) và 2.6(b) Phương pháp này có nhược điểm: khi ở vùng tần số thấp làm động cơ quá dòng, còn ở vùng tần số cao có thể làm động cơ bị suy giảm mô men như đã đề cập ở phần ảnh hưởng của tần số
Khi tăng cao tần số, tốc độ đồng bộ tăng, mô men cực đại giảm, mômen khởi động giảm, tốc độ tại mômen cực đại tăng, dòng khởi động giảm
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Hình 2.6 Đặc tính khi thay đổi tần số (a) Đặc tính cơ, (b) Đặc tính tốc độ
Do đó, khi tăng tần số làm giảm khả năng mang tải của động cơ và ngược lại, khi giảm tần số làm giảm điện kháng nên làm tăng dòng điện động cơ Thêm vào đó, giá trị gần đúng của mô men động cơ tỉ lệ với bình phương của tỉ số giữa điện áp và tần số nguồn cấp như sau:
Vì vậy, khi thay đổi tần số, cần phải thay đổi điện áp sao cho V/f=const nhằm giữ mô men không đổi trong giới hạn điện áp định mức Hình 2.7 là đặc tính cơ và đặc tính tốc độ khi điều khiển V/f=const
Hình 2.7 Đặc tính điều chỉnh V/f bằng hằng số (a) Đặc tính cơ, (b) Đặc tính tốc độ
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Khi đó, mô men cực đại và dòng khởi động hầu như không đổi và đây là ưu điểm của phương pháp này
Lưu ý: điện áp không được tăng quá 10% định mức vì những hạn chế cách điện của dây quấn.
Giao thức truyền thông
2.6.1 Bảng giới thiệu tóm tắt về giao thức Modbus
Giao thức truyền thông Modbus là giao thức mềm và là ngôn ngữ chung được sử dụng trong bộ điều khiển Bộ điều khiển có thể truyền thông với các thiết bị khác thông qua 1 mạng lưới (qua kênh tín hiệu truyền thông hoặc lớp vật lý như RS485) Và vì giao thức Modbus là giao thức tiêu chuẩn trong công nghiệp, thiết bị điều khiển của những nhà sản xuất khác cũng có thể kết nối với mạng lưới hiện có để thuận tiện cho việc giám sát Có hai chế độ truyền trong giao thức truyền thông Modbus là: ASCII và RTU(Remote Terminal Units) Trên cùng mạng Modbus, tất cả các thiết bị nên được lựa chọn chung một chế độ truyền và thông số cơ bản như tốc độ baud, bit số, bit kiểm tra, bit báo dừng phải giống nhau
Giao tiếp 2 dây RS485 hoạt động trên nguyên tắc bán song công và tín hiệu dữ liệu của nó cũng dùng trong truyền vi sai được gọi là truyền cân bằng Nó dùng cặp dây xoắn, 1 dây được định nghĩa là A(+) và dây còn lại là B- Nhìn chung, nếu mức điện áp giữa truyền A và B là trong khoảng +2~+6V, sẽ hiểu là mức “1”, nếu trong khoảng -2~-6V, sẽ hiểu là mức “0”
485+ và 485- trên Terminal tương ứng cho A và B
Tốc độ baud truyền thông nghĩa là số bit truyền trong 1 giây, đơn vị bit/s (bps) Tốc độ baud càng lớn thì tốc độ truyền càng nhanh và khả năng bị nhiễu càng lớn Nếu cặp dây xoắn 0.56mm (24AWG) dùng làm dây truyền thông, khoảng cách truyền tối đa thể hiện trong bảng sau:
Hình 2.8 Tốc độ và khoảng cách truyền thông
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Nên sử dụng cáp có giáp bọc và sử dụng lớp giáp như dây nối đất trong quá trình truyền thông từ xa RS485 Trong trường hợp có ít thiết bị hơn và khoảng cách ngắn hơn, nên sử dụng điện trở terminal 120Ω vì hiệu suất sẽ bị suy yếu nếu tăng khoảng cách mặc dù mạng có thể hoạt động tốt mà không cần điện trở tải.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Yêu cầu thiết kế hệ thống
Thiết kế hệ thống điều khiển bơm luân phiên ổn định áp suất với ba chế độ Chế độ Manual: mỗi bơm nước đều có 1 nút nhấn Start, 1 nút nhấn Stop, và đèn báo bơm hoạt động Ở chế độ Manual khi ta khởi động bơm mà áp suất đường ống không tăng thì lập tức báo lỗi và dừng bơm Chế độ Auto: Đầu tiên cài đặt áp suất đường ống đầu ra mong muốn và chu kì luân phiên 2 bơm trên HMI/WinCC, nhấn START thì 2 bơm hoạt động luân phiên với nhau chạy qua biến tần và điều áp bằng PID Vào giờ cao điểm thì sẽ gọi thêm bơm vào hoạt động Nếu 1 trong 2 bơm bị lỗi thì bơm còn lại sẽ hoạt động Chế độ ưu tiên: Khi chế độ này được bật và bơm ưu tiên được chọn chạy qua biến tần
Nguyên lý hoạt động của hệ thống: Đầu tiên cài đặt áp suất đường ống đầu ra mong muốn trên HMI/WinCC
Hệ thống bơm có các chế độ sau:
- Chế độ bằng tay (Manual): Khi Switch ở chế độ này thì Bơm 1 và Bơm 2 chạy trực tiếp bằng lưới điện thông qua contactor K2 và K4
- Chế độ tự động (Auto): Ở chế độ này có 3 khả năng xảy ra:
Vào giờ thấp điểm: Trong khoảng thời gian này lượng tiêu thụ nước ít nên chỉ cần chạy 1 bơm là đủ Bơm 1, Bơm 2 luân phiên hoạt động, chạy qua biến tần và điều áp PID, mỗi bơm chạy 1 chu kỳ (mỗi chu kỳ tùy theo giá trị cài đặt HMI/winCC) Khi áp suất nước đầu ra không tụt (không tiêu thụ) sau 1 khoảng thời gian thì bơm ngừng, áp suất tụt (có tiêu thụ) thì bơm chạy lại => chế độ luân phiên
Ban đầu Bơm 1 chạy qua biến tần điều áp theo PID:
Nếu nước tiêu thụ tăng đến khi tần số biến tần phải tăng lên max là 50Hz (tức là chỉ có Bơm 1 chạy là không đủ) thì sau t s, Bơm 1 sẽ chuyển qua chạy điện lưới và Bơm 2 sẽ được gọi vào để chạy qua biến tần điều áp theo PID
Nếu nước tiêu thụ giảm đến khi tần số của biến tần phải giảm xuống dưới 20Hz (tức là 2 bơm chạy thừa áp suất) thì sau t = 10s, Bơm 1 sẽ được ngắt chỉ có Bơm 2 vẫn chạy qua biến tần điều áp theo PID
Bơm 2 chạy qua biến tần điều áp theo PID:
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Nếu nước tiêu thụ tăng đến khi tần số biến tần phải tăng lên max là 50Hz (tức là chỉ có Bơm 2 chạy là không đủ) thì sau t = 20s , Bơm 2 sẽ chuyển qua chạy điện lưới và Bơm 1 sẽ được gọi vào để chạy qua biến tần điều áp theo PID
Nếu nước tiêu thụ giảm đến khi tần số của biến tần phải giảm xuống dưới 20Hz (tức là 2 bơm chạy thừa áp suất) thì sau t = 10s, Bơm 2 sẽ được ngắt và chỉ có Bơm 1 vẫn chạy qua biến tần điều áp theo PID Nếu chỉ có 1 bơm đang chạy mà tần số giảm