Các máy bơm nước thô sơ hoạt động dưới tác động của sức người và sức kéo của động vật do vậy năng lực bơm bơm không cao, hiệu suất thấp.. Trang 8 Trong đời sống máy bơm dùng cấp nước sạc
T Ổ NG QUAN V Ề H Ệ TH Ố NG
Tóm lượ c l ị ch s ử phát tri ể n c ủa máy bơm nướ c
Thừ thời xa xưa, do điều kiện sản xuất và đời sống đòi hỏi, con người đã biết dùng những công cu thô sơ như xe đạp nước để đưa nước lên các thửa ruộng có độ cao chênh lệch Những công cụ này vận chuyển chất lỏng dưới áp suất khí quyển Sau đó, người ta đã biết dùng đến các pittong đơn giản như ống thụt làm bằng tre gỗ để chuyển nước dưới áp suất dư… Các máy bơm nước thô sơ hoạt động dưới tác động của sức người và sức kéo của động vật do vậy năng lực bơm bơm không cao, hiệu suất thấp
Vào thế kỳ thức nhất, thứ hai trước công nguyên, người Hylap đã sáng chế ra pittong bằng gỗ Đến thế kỷ 15, nhầ bác học người ý là D.Franxi đưa ra các khái niệm về bơm li tâm Sang thế kỷ 16 đã xuất hiện loại máy bơm roto mới cho đến thế kỷ 17, một nhà vật lý người pháp đã áp dụng những nghiên cứu của D.Franxi chế tạo ra được máy bơm nước li tâm đầu tiên Tuy nhiên, do chưa có những động cơ có vòng quay lớn kéo máy bơm, nên năng lực bơm nhỏ, do vậy loại bơm li tâm vẫn chưa được phát triển, lúc bấy giờ bơm roto chiếm ưu thế nhất trong các loại bơm. Đến thế kỷ 18, hai viện sỹNga là Euler đã đề xuất những lý luận có liên quan đến máy thủy lực và Zucôpsky đề xuất và lý luận cơ học chất lỏng, kể từ đó việc nghiên cứu và chế tạo máy bơm mới có cơ sở vững chắc Thời kỳ này máy hơi nước ra đờtăng thêm khảnăng kéo máy bơm Đầu thế kỷ20, các động cơ có số vòng quay nhanh ra đời thì máy bơm li tâm càng được phổ biến rộng rãi và có hiệu suất cao, năng lực bơm nước lớn hơn.
Ngày nay, máy bơm được dùng rất rộng rãi trong đời sống và các ngành kinh tế quốc dân Trong công nghiệp, máy bơm được dùng để cấp nước cho các lò cao, hầm mỏ, nhà máy,… bơm dầu trong công nghiệp khai thác dầu mỏ Trong kỹ thuật chế tạo máy bay, trong nhà máy điện nguyên tửđều dùng máy bơm Trong nông nghiệp, máy bơm dùng đểbơm nước tưới và tiêu úng
Trong đời sống máy bơm dùng cấp nước sạch cho nhu cầu sinh hoạt của con người, chăn nuôi gia súc, gia cầm,…
Hiện nay đã ra đời những máy bơm nước rất hiện đại, có khả năng bơm hàng vạn m / h và công suất động cơ tiêu thụ 3 tới hàng nghìn kW Ở Nga đã chế tạo những máy bơm có lưu lượng Q = m / s , công suất động cơ N = 14 3
300 kW và có dự án chế tạo động cơ điện kéo máy bơm với công suất N = 200
000 kW ở nước ta, từ thời Pháp thuộc đã xây dựng 1 số trạm bơm tưới nhỏ, lớn nhất là trạm bơm ởSơn La có năng suất 38 000 m / s 3 , lưu lượng mỗi máy bơm
Q = 3 m / s Sau ngày miề 3 n Bắc giải phóng hàng loạt các trạm bơm lớn nhỏ đã được xây dựng, trong đó các trạm bơm lớn chủ yếu sử dụng phục vụ cho tưới tiêu
Chúng ta đã có một số nhà máy chế tạo bơm như : Công ty chế tạo bơm
Hải Dương, Công ty điện cơ khí thủy lợi Nhà máy cơ khí Duyên Hải… sản xuất máy bơm phục vụcho đất nước.
Phân lo ại bơm
Người ta chia máy bơm ra nhiều loại dựa vào những đặc điểm như:
Nguyên lý tác động của cánh bơm vào dòng nước, dạng năng lượng làm chạy máy bơm, kết cấu máy bơm, mục đích bơm, loại chất lỏng cần bơm … Trong đó thường dùng đặc điểm thứ nhất để phân loại máy bơm; theo đặc điểm này máy bơm được chia làm hai nhóm: Bơm động học và Bơm thể tích
Bơm động học : trong buồng công tác của máy bơm động học, chất lỏng được nhận năng lượng liên tục từcánh bơm truyền cho nó suốt từ cửa vào đến cửa ra của bơm Loại bơm này bao gồm các loại bơm như sau :
• Bơm cánh quạt ( gồm bơm: li tâm, hướng trục, cánh chéo ): Trong loại máy bơm này, các cánh quạt gắn trên bánh xe công tác ( BXCT ) sẽ truyền trực tiếp năng lượng lên chất lỏng để đẩy chất lỏng dịch chuyển Loại bơm này thường có lưu lượng lớn, cột áp thấp ( trong bơm nước gọi cụ thể là cột nước ) và hiệu suất tương đối cao, do vậy thường được dùng trong nông nghiệp và các ngành cấp nước khác
• Bơm xoắn: Chất lỏng qua các rãnh BXCT của máy bơm sẽ nhận được năng lượng để tạo dòng chảy xoắn và được đẩy khỏi cửa ra BXCT Người ta dùng máy bơm này chủ yếu trong công tác hút nước hố thấm, tiêu nước, cứu hỏa…
• Bơm tia: Dùng một dòng tia chất lỏng hoặc dòng khí bên ngoài có động năng lớn phun vào buồng công tác của bơm nhờ vậy hút và đẩy chất lỏng
Loại bơm này bơm được lưu lượng nhỏ, thường được dùng đểhút nước giếng và dùng trong thi công
• Bơm rung:Cơ cấu công tác của bơm này là pít tông-van giao động qua lại với tầng sốcao gây nên tác động rung cơ học lên dòng chất lỏng để hút đẩy chất lỏng Loại bơm này có lưu lượng nhỏ, thường được dùng bơm nước giếng và giếng mỏ
• Bơm khi khí ép: Loại bơm này nhờ tạo hỗn hợp khí và nước có trọng lượng riêng nhỏhơn trọng lượng riêng của nước để dâng nước cần bơm lên cao Loại bơm này thường dùng đểhút nước bẩn hoặc nước giếng
• Bơm nước va (bơm Taran):Lợi dụng hiện tượng nước va thủy lực để đưa nước lên cao Loại bơm này bơm được lưu lượng nhỏ, thường được dùng cấp nưóc cho vùng nông thôn miền núi.
Bơm thể tích : Nguyên lý làm việc của bơm này là thay đổi chu kỳ thể tích của buồng công tác truyền áp lực hút đẩy chất lỏng Bơm này có những loại sau :
• Bơm pít tông: Pít tông chuyển động tịnh tiến qua lại có chu kỳ trong buồng công tác để hút và đẩy chất lỏng Loại bơm này tạo được cột áp cao, lưu lượng nhỏ nên trong nông nghiệp ít dùng, thường được dùng trong máy móc công nghiệp
• Bơm rô to: Dùng cơ cấu bánh răng hoặc bánh vít, cánh trượt đặt ở chu vi phần quay của bơm đểđẩy chất lỏng Bơm này gồm có: bơm răng khía, bơm pít tông quay, bơm tấm trượt, bơm vít, bơm pít tông quay, bơm chân không vòng nước … Bơm rô to có lưu lương nhỏ thường được dùng trong công nghiệp.
C ấ u t ạ o và nguyên lý ho ạt độ ng c ủa máy bơm nướ c
Hình 1.1: Máy bơm nước a Cấu tạo
Cấu tạo của máy bơm nước gồm hai phần chính: Động cơ điện và đầu bơm. Động cơ điện gồm:
• Vỏđộng cơ: Bảo vệ các chi tiết bên trong của động cơ điện
• Phần tĩnh (Stato): Thành phần cơ bản của một động cơ điện
• Trục quay (Rôto): Truyền chuyển động qua đầu bơm.
• Quạt: Làm mát động cơ.
• Bạc đạn: Cốđịnh vị trí của Rô to và cho phép Rô to xoay vòng
• Bảng điện: Truyền điện năng vào trong động cơ
Hình 1.2: Cấu tạo của máy bơm nước Đầu bơm gồm:
• Vỏbơm: Thân bơm, bảo vệ bộ phận thủy lực của máy bơm
• Cánh bơm: Tạo và định hướng chuyển động của nước bên trong máy bơm.
• Guồng bơm: Chuyển đổi năng lượng hoặc chuyển động do cánh bơm tạo ra thành áp năng.
• Phớt cơ học: Ngăn nước vào trong động cơ.
• Các gioăng tròn: Làm kín giữa các chi tiết của máy bơm b Nguyên lý hoạt động của máy bơm nước
Nguyên lí hoạt động: Máy bơm nước vận hành dựa trên nguyên lí chung là hút hết không khí ra khỏi 1 đường ống (tạo chân không) làm cho áp suất trong đường ống giảm về 0 Khi đó, áp suất khí quyển đè lên mặt nước, làm cho nước trong ống dâng lên
Khi thân bơm và ống hút được cung cấp đầy đủnước, máy sẽ hoạt động theo quá trình hút đẩy, quá trình hút đẩy này được diễn ra liên tục nhằm tạo ra dòng chảy không ngừng giúp vận chuyển nước.
Ứ ng d ụ ng c ủ a h ệ th ố ng
Ngày nay trong thời đại khoa học kỹ thuật ngày càng hiện đại con người đã dần quen thuộc với sự hiện diện của các hệ thống điều khiển tựđộng với độ chính xác cao mà không cần đến sự giám sát của con người Trong đó hệ thống bơm tựđộng có mặt hầu hết tại các gia đình, các khu tập thể, công ty, xí nghiệp, tập đoàn ở mỗi đơn vị khác nhau thì hệ thống sẽ khác nhau tùy thuộc vào nhu cầu và công suất mà chi thành nhiều loại như :
• Hệ thống bơm nước sinh hoạt
• Hệ thống bơm nước trong các hầm lò
• Hệ thống bơm nước chống úng
• Hệ thông bơm xả thải.
Mô tả công nghệ của hệ thống
Khởi động hệ thống, ấn START hệ thống khởi động, đèn RUN sáng báo hệ thống đang làm việc Khi mức nước nhỏ hơn 1 m thì đèn LAL sáng cảnh báo nước đang ở mức thấp, đồng thời bơm chạy để cấp nước vào bể Khi mức nước lớn hơn 1 m thì đèn LAL tắt, lúc này nước vẫn được tiếp tục bơm vào bể Khi mức nước chạm đến mức lớn hơn 4m thì đèn HAL sáng cảnh báo mức nước cao đồng thời bơm đóng lại Áp suất trong bể tăng dần đến khi áp suất lớn hơn 4.5 bar thì đèn HAP sẽ sáng cảnh báo áp suất cao Và khi ta muốn dừng hệ thống ta ấn nút STOP hệ thống dừng Kết thúc quá trình làm việc.
Phân tích h ệ th ố ng
Dựa vào dữ liệu đề bài ta có thể phân tích hệ thống dựa trên các yếu tố như sau :
− Các thông sốđo của hệ thống :
• Áp suất có dải đo [0 – 5]bar
• Mức nước có dải đo [0 – 5]m
− Hệ thống điều khiển và giám sát :
• START : nút ấn khởi động hệ thống
• STOP : nút ấn dừng hệ thống
• RUN : đèn báo hệ thống đang làm việc
• LAL : đèn cảnh báo trạng thái mức nước đang ở mức thấp, nhỏhơn 1m
• HAL : đèn cảnh báo trạng thái mức nước đangở mức cao, lớn hơn 4m
• HAP : đèn báo áp suất cao, lớn hơn 4.5 bar
• M : van cấp nước hoặc dừng cấp nước cho hệ thống.
THIẾ T B Ị ĐO, ĐIỀ U KHI Ể N VÀ M Ạ NG TRUY Ề N THÔNG
Thi ế t b ị đo
2.1.1 Gi ớ i thi ệ u v ề c ả m bi ến đo mứ c ch ấ t l ỏ ng
Cảm biến báo mức dạng phao (còn gọi là Cảm biến phao báo mức hay
Cảm biến báo mức dạng phao tuyến tính,…), có tên tiếng anh là Float Level Sensor hay Float Level Transmitter, là một loại cảm biến đo mức dùng để chỉ mức chất lỏng và báo động để kiểm soát, hoạt động bằng cách cung cấp điện áp DC24V cho cảm biến, nó tạo ra dòng điện 4 ~ 20mA được chuyển đổi bằng điện trở trong cảm biến, sự dao động liên tục của dòng điện được gây ra bởi sự chuyển động lên xuống của phao có nam châm vĩnh cửu trong đó, và đầu ra hiện tại được truyền đến bộđiều khiển
Cảm biến báo mức dạng phao là loại cảm biến được sử dụng vô cùng rộng rãi trong các ứng dụng đo mức chất lỏng tại các nhà máy xử lý nước thải công nghiệp, sông, đập, nhà máy điện, nước chưa qua xử lý, bồn chứa nước tinh khiết, bồn chứa thực phẩm và đồ uống, bồn chứa nhiên liệu, bồn chứa hóa chất và y tế,…
2.1.2 Nguyên lý ho ạt độ ng c ủ a c ả m bi ế n báo m ứ c d ạ ng phao
Hình 2.1: Cảm biến báo mức dạng phao Đối với cảm biến báo mức dạng phao, thường có hai loại là cảm biến phao dạng ON/OFF hoặc cảm biến phao dạng tuyến tính Nguyên lý hoạt động của chúng cũng khá đơn giản :
• Đối với cảm biến phao đo mức dạng ON/OFF, khi dung môi ở mức thấp thì phao cạn (ON) sẽ báo cho rơle đá đóng công tắc bật motor bơm hoạt động, cho đến khi dung môi trong bồn lên mức cao (hay đầy) thì phao báo đầy (off) sẽ đá rơle ngắt công tắc tắt motor bơm ngưng hoạt động Cả hai mức giới hạn ON – OFF này tương ứng NO/ NC bên trong của cảm biến đo mức nước dạng phao
• Đối với cảm biến phao đo mức dạng tuyến tính, cảm biến mức theo sự thay đổi mức điện trở, và mức thay đổi điện trở này được chuyển đổi thành tín hiệu 4-20mA tương ứng Nghĩa là tại vị trí mực nước thấp nhất thì cảm biến cho ra mức tín hiệu là 4mA, và 20mA tại vịtrí nước cao nhất Và thường chúng ta dựa vào 2 mức tín hiệu này để kích rơle đóng hoặc ngắt motor bơm dung môi, nước…để báo đầy báo cạn cho ứng dụng
• Phao inox sẽ trượt từ đầu đến cuối thanh kim loại khi mức nước dâng lên hoặc hạ xuống Tại vị trí mức nước thấp nhất cảm biến phao sẽ cho ra giá trị 4mA, còn tại vị trí mức nước cao nhất sẽ cho ra giá trị 20mA Bên trong đầu cảm biến sẽ có một bộ chuyển đổi giá trịđiện trở thành giá trị 4-20mA
• Bản chất của phao từnày là thay đổi giá trịđiện trở của thanh kim loại Bên trong thanh kim loại là nam châm, khi phao inox di chuyển lên xuống làm thay đổi giá trị điện trỡ của thanh nam châm này Bộ chuyển đổi biến trở sang 4-20mA đóng vai trò quan trọng trong việc đưa tín hiệu điện trở thành tín hiệu analog 4-20mA
2.1.3 C ả m bi ến đo áp suấ t
Cảm biến áp suất là thiết bị điện tử chuyển đổi tín hiệu áp suất sang tín hiệu điện Thiết bị thường được dùng để đo áp suất hoặc dùng trong các ứng dụng có liên quan đến áp suất a Cấu tạo của cảm biến áp suất
Hình 2.2: Cấu tạo của cảm biến áp suất
Cấu tạo của các loại cảm biến nói chung, thông thường phần đầu tiếp xúc đều được làm bằng thép không gỉ, bên trong là một màng cảm biến và một bộ khuếch đại tín hiệu điện b Nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất
Hình 2.3: Nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất
Theo như hình trên, giả sử khi áp suất dương (+) đưa vào thì lớp màng sẽ căng lên từ trái sang phải, còn khi đưa vào áp suất âm (-) thì lớp màng sẽcăng ngược lại Tùy theo độ biến dạng của lớp màng mà bộ xử lý bên trong sẽ biết được giá trị áp suất đang là bao nhiêu Chính nhờ sự thay đổi này tín hiệu sẽ được xử lý và đưa ra tín hiệu để biết áp suất là bao nhiêu
Lớp màng của cảm biến sẽ chứa các cảm biến rất nhỏ để phát hiện được sựthay đổi Khi có một lực tác động vào thì lớp màng sẽ bịthay đổi theo chiều tương ứng với chiều của lực tác động Sau đó các cảm biến sẽ so sánh sự thay đổi đó với lúc ban đầu để biết được nó đã biến dạng bao nhiêu %
Từ đó, sẽ xuất ra tín hiệu ngõ ra tương ứng Các tín hiệu ngõ ra có thể là 4-20ma hoặc 0-10V tương ứng với áp suất ngõ vào.
Thiết bị điều khiển
2.2.1 PLC S7-1200 a, Giới thiệu về PLC S7-1200
Bộđiều khiển logic khả trình (PLC) S7-1200 mang lại tính linh hoạt và sức mạnh đểđiều khiển nhiều thiết bịđa dạng hỗ trợ các yêu cầu vềđiều khiển tự động Sự kết hợp giữa thiết kế thu gọn, cấu hình linh hoạt và tập lệnh mạnh mẽ đã khiến cho S7-1200 trở thành một giải pháp hoàn hảo dành cho việc điều khiển nhiều ứng dụng đa dạng khác nhau
Kết hợp một bộ vi xử lý, một bộ nguồn tích hợp, các mạch ngõ vào và mạch ngõ ra trong một kết cấu thu gọn, CPU trong S7-1200 đã tạo ra một PLC mạnh mẽ Sau khi người dùng tải xuống một chương trình, CPU sẽ chứa mạch logic được yêu cầu đểgiám sát và điều khiển các thiết bị nằm trong ứng dụng CPU giám sát các ngõ vào và làm thay đổi ngõ ra theo logic của chương trình người dùng, có thể bao gồm các hoạt động như logic Boolean, việc đếm, định thì, các phép toán phức hợp và việc truyền thông với các thiết bị thông minh khác
Hình 2.4: Cấu tạo của PLC S7-1200 b, Tính năng và dung lượng của từng dòng sản phẩm PLC S7-1200
Bảng 2-1: Chức năng và dung lượng của từng dòng sản phẩm PLC S7-1200
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 làm việc 25 kB 50 kB
Bộ nhớ nạp 1 MB 2 MB
Bộ nhớ giữ lại 2 kB 2 kB
Kiểu số 6 ngõ vào / 4 ngõ ra
Kiểu tương tự 2 ngõ ra 2 ngõ ra 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)
Các bộ đếm tốc độ cao 3 4 6 Đơn pha 3 tại 100 kHz 3 tại 100 kHz
Vuông pha 3 tại 80 kHz 3 tại 80 kHz
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/lệnh
Tốc độ thực thi Boolean 0,1 μs/lệnh c, Các module mở rộng của PLC S7-1200
Bộ lập trình PLC S7 1200 được thiết kế linh hoạt cho phép người dùng có thể mở rộng thêm các tính năng bằng cách lắp thêm các module mở rộng
Nhờđó người dùng có thể sử dụng được nhiều chức năng hơn từ những bộ lập trình
Hình 2.5: Các module mở rộng của PLC S7-1200 d, Các chức năng nổi bật của PLC S7 - 1200
Bộ lập trình S7-1200 có thể thực hiện nhiều chức năng chẳng hạn như:
• Các chức năng cơ bản như logic nhị phân, phân bổ kết quả, lưu, đếm, tạo thời gian, tải, truyền, so sánh, dịch chuyển, xoay, tạo phần bổ sung, gọi chương trình con (với các biến cục bộ)
• Các lệnh giao tiếp tích hợp (ví dụ: giao thức USS, Modbus RTU, giao tiếp hoặc Freeport)
• Các chức năng thân thiện với người dùng như điều chế độ rộng xung, chức năng chuỗi xung, chức năng số học, số học dấu phẩy động, điều khiển vòng kín PID, chức năng nhảy, chức năng vòng lặp và chuyển đổi mã
• Các hàm toán học, ví dụ: SIN, COS, TAN, LN, EXP
• Chức năng đếm thân thiện với người dùng kết hợp với bộđếm tích hợp và các lệnh đặc biệt cho bộđếm tốc độ cao mởra các lĩnh vực ứng dụng mới cho người dùng
• Các ngắt được kích hoạt theo cạnh (được kích hoạt bằng cách tăng hoặc giảm các cạnh của tín hiệu quy trình trên đầu vào ngắt) hỗ trợ phản ứng nhanh chóng với các sự kiện của quy trình
• Ngắt bộđếm có thể được kích hoạt khi đạt đến điểm đặt hoặc khi hướng đếm thay đổi
• Ngắt giao tiếp cho phép trao đổi thông tin nhanh chóng và dễ dàng với các thiết bị ngoại vi như máy in hoặc máy đọc mã vạch e, Ứng dụng của bộ lập trình PLC S7-1200 Ứng dụng trong công nghiệp và dân dụng như:
• Điều khiển đèn chiếu sáng
• Điều khiển bơm cao áp
• Máy trộn… f, Cấu hình chi tiết 6ES7214-1HG40-0XB0 – PLC S7-1200 CPU 1214C
SIMATIC S7-1200, CPU 1214C, compact CPU, DC/DC/relay, onboard I/O: 14 DI 24 V DC; 10 DO relay 2 A; 2 AI 0-10 V DC, Power supply: DC 20.4-28.8V DC, Program/data memory 100 KB (6ES7214-1HG40-0XB0)
Hình 2.6: PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/RELAY
Bảng 2-2: Bảng thông số của PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/RELAY
Mã sản phẩm 6ES7214-1HG40-0XB0
SIMATIC S7-1200, CPU 1214C, compact CPU, DC/DC/relay, onboard I/O: 14 DI 24 V DC; 10 DO relay 2 A; 2 AI 0-10 V
DC, Power supply: DC 20.4-28.8V DC, Program/data memory
Hãng sản xuất Siemens AG
WinCC (Windows Control Center) là phần mềm của hãng Siemens dùng đểgiám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu trong quá trình sản xuất Cụ thểhơn, WinCC là chương trình dùng để thiết kế các giao diện Người và Máy – HMI (Human Machine Interface) trong hệ thống Scada (Supervisory Control And Data Acquisition), với chức năng chính là thu thập số liệu, giám sát và điều khiển quá trình sản xuất.
Với WinCC, người dùng có thể trao đổi dữ liệu với PLC của nhiều hãng khác nhau như: Mitsubishi, Siemens, Omron, thông qua cổng COM với chuẩn RS232 của PC và chuẩn RS485 của PLC
Hình 2.7: Giao diện của WinCC RT Advanced b, Chức năng của WinCC
Cho phép quan sát quá trình Quá trình này được hiển thịđồ hoạ trên màn hình Màn hình hiển thị được cập nhật mỗi lần một trạng thái trong quá trình thay đổi.
Cho phép vận hành quy trình Ví dụ, bạn có thể chỉ ra một điểm đặt từ giao diện người dùng hoặc bạn có thể mở một van.
Cho phép giám sát quá trình Một cảnh báo sẽ báo hiệu một cách tựđộng trong sự kiện của một trạng thái quá trình nghiêm trọng Nếu một giá trịđược định nghĩa trước bị vượt quá, một thông báo sẽ xuất hiện trên màn hình.
Cho phép lưu trữ quá trình Khi làm việc với WinCC, những giá trị quá trình có thể hoặc được in ra hoặc được lưu trữ theo kiểu điện tử Điều này tạo điều kiện cho thu thập thông tin của quy trình và cho phép truy cập tiếp theo đến dữ liệu sản sinh ra trong quá khứ c, Cấu hình chi tiết Phần mềm WinCC Runtime Advanced 2048 Tags V15- 6AV2104-4FF05-0AE0
SIMATIC WinCC Runtime Advanced 2048 Power Tags V15, Upgrade WinCC flexible 2008 Runtime 2048 Power Tags-> WinCC Runtime Advanced
2048 Power Tags V15; R-SW in TIA Portal; single license; SW and documentation on DVD; License key on a USB flash drive; Class A; 6 languages: de,en,fr,es,it,zh; executable in Windows 7 (32 bit, 64 bit), Windows 8.1/10 (64 bit), Windows Server 2008 R2/2012 R2/2016 (64 bit) (6AV2104- 4FF05-0AE0)
Hãng sản xuất: Siemens AG
M ạ ng truy ề n thông (MODBUS)
Modbus là một giao thức do hãng Modicon phát triển.Theo mô hình ISO/OSI thì Modbus thực chất là một chuẩn giao thức và dụng vụ thuộc lớp ứng dụng, vì vậy có thể được thực hiện trên các cơ chế vận chuyển cấp thấp như TCP/IP,MAP,Modbus Plus và ngay cả qua đường truyền RS232 định nghĩa một tập hợp rộng các dịch vụ trao đổi dữ liệu điều khiển và dữ liệu chuẩn đoán.
Cơ chế giao tiếp phụ thuộc vào hệ thống truyền thông cấp thấp.Cụ thể,có thể phân chia ra 2 loại là Modbus chuẩn và Modbus trên các mạng khác: a Mạng Modbus chuẩn:
Các cổng Modbus chuẩn trên các bộ điều khiển của Modicon cũng như một số nhà sản xuất khác sử dụng giao tiếp RS232C.Các bộđiều khiển này có thể được nối mạng trực tiếp hoặc qua modem.Các trạm Modbus giao tiếp với nhau qua cơ chế chủ/tớ(Master/slave),trong đó chỉ một thiết bị chủ có thể chủ động gửi yêu cầu , còn các thiết bị tớ sẽ đáp ứng bằng dữ liệu trả lại hoặc thực hiện 1 hành động nhất định theo yêu cầu.Các thiết bị chủ thông thường là các máy tính điều khiển trung tâm và các thiết bị lập trình ,trong khi các thiết bị tớ các thể là PLC hoặc bộ điều khiển số chuyên dụng Một trạm chủ có thể gửi thông báo yêu cầu tới riêng 1 trạm tớ nhất định , hoặc gửi thông báo đồng loạt tới tất cả trạm tớ.Chỉ trong trường hợp nhận được yêu cầu riêng, các trạm tớ mới gửi thông báo đáp ứng lại trạm chủ.Trong 1 thông báo yêu cầu có chứa địa chỉ nhận, mã hàm dịch vụ bên nhận cần thực hiện, dữ liệu đi kèm và thông tin kiểm tra lỗi b Modbus trên các mạng khác
Với một số mạng như Modbus Plus và MAP sử dụng Modbus là giao thức cho lớp ứng dụng,các thiết bị có thể giao tiếp theo cơ chế riêng cảu mạng đó.Một trạm có thể cùng lúc có quan hệ logic với nhiều đối tác vì vậy nó có thể đồng thời đóng vai trò là chủ và tớ trong các giao dịch khác nhau Nhìn nhận ở mức giao tiếp thông báo giao thức Modbus vẫn tuân theo nguyên tắc chủ/tớ mặc dù phương pháp giao tiếp mạng cấp thấp có thể là tay đôi.Khi một bộđiều khiển gửi một yêu cầu thông báo thì nó đóng vai trò là chủ và chờđợi đáp ứng từ 1 thiết bị tớ Ngược lại, một bộđiều khiển sẽđóng vai trò là tớ nếu nó nhận được thông báo yêu cầu từ 1 trạm khác và phải gửi trả lại đáp ứng
Khi thực hiện Modbus trên các mạng khác như Modbus Plus hoặc MAP,các thông báo Modbus được đưa vào các khung theo giao thức vận chuyển/liên kết dữ liệu cụ thể Đối với các thiết bị ghép nối qua mạng Modbus chuẩn,có thể sử dụng một trong 2 chế độ truyền là ASCII hoặc RTU Người ta sử dụng lựa chọn chếđộ theo ý muốn, cùng với các tham số truyền thông qua cổng nối tiếp như tốc độ truyền ,parity chẵn/lẻ…Chế độ truyền cũng như các tham số phải giống nhau đối với tất cả các thành viên của 1 mạng Modbus a Chếđộ truyền ASCII
Khi các thiết bị trong một mạng Modbus chuẩn giao tiếp với chế độ ASCII, mỗi byte trong thông báo được gửi thành kí tự ASCII 7bit , trong đó mỗi kí tự biểu diễn một chữ số hex Ưu điểm của chếđộ truyền này là cho phép một khoảng thời gian trống tối đa 1 giây giữa hai ký tự mà không gây ra lỗi Cấu trúc một ký tự khung gửi đi được thể hiện như sau
Khi các thiết bị trong cùng một mạng Modbus chuẩn được đặt chế độ RTU, mỗi byte trong thông báo được gủi thành 1 ksi tự 8 bit Ưu điểm chính của chếđộ này so với chếđộ ASCII là hiệu suất cao hơn Tuy nhiên, mỗi thông báo phải được truyền thành một dòng liên tục Cấu trúc một ký tự khung gửi đi được thể hiện như sau:
Một thông báo Modbus bao gồm nhiều thành phần có chiều dài có thể khác nhau Trong cùng một mạng Modbus chuẩn, nếu một trong hai chế độ truyền được chọn, một thông báo sẽ được đóng khung.Mỗi khung bao gồm nhiều ký tự khung có cấu trúc như được mô tả ở phần trên Các kí tự này sẽ được truyền đi liên tục thành dòng ở chế độ RTU, hoặc có thể gián đoạn với khoảng cách thười gian tối đa một giây ở chế độ ASCII Mục đích của việc đóng khung là đểđánh dấu khởi điểm và kết thúc của một thông báo, cũng như bổ sung và thông tin kiểm tra lỗi Trường hợp thông báo không được truyền trọn vẹn có thể phát hiện được và báo lỗi
Hai chếđộ truyền ASCII và RTU không những chỉ khác nhau ở cách mã hóa thông tin gửi đi và cấu trúc kí tự khung, mà còn khác nhau ở cấu trúc 1 bức điện gửi đi hay nói cách khác là cấu trúc khung thông báo, cũng như biện pháp kiểm lỗi
Trong một mạng khác như MAP hay Modbus Plus, giao thức mạng có quy định riêng về cấu trúc khung thông báo.Hình thức định địa chỉ cà phương thức truyền về cấu trúc khung thông báo.Hình thức định địa chỉvà phương pháp truyền cũng hoàn toàn do giao thức mạng cụ thể định nghĩa, vì vậy phần địa chỉ nằm trong một thông báo Modbus có thể chở nên không cần thiết trong quá trình truyền dẫn.Tuy nhiên, một địa chỉ Modbus sẽđược chuyển đổi thành một địa chỉ trạm tương ứng phía dưới.Trong trường hợp bình thường, phần dữ liệu trong thông báo đáp ứng sẽ chứa kết quảhành động đã thực hiện.Nếu xảy ra lỗi phần dữ liệu chứa mã ngoại lệ , nhờđó mà thiết bị chủxác định hành động tiếp theo cần thực hiện.Lưu ý rằng , một sốhàm không đòi hỏi tham số, vì vậy phần dữ liệu có thể trống
Mạng Modbus chuẩn sử dụng hai pháp bảo toàn dữ liệu ở hai mức: kiểm soát khung thông báo và kiểm soát ký tựkhung.Đối với 2 chếđộ truyền ASCII và RTU,có thể lụa chọn kiểm tra bit chẵn/lẻ cho từng kí tự khung.Hơn thế nữa ,cả khung thông báo lại được kiểm soát một lần nữa bằng mã LRC (ở chế độASCII) hoặc mã CRC (chếđộ RTU)
Khi đặt cấu hình cho 1 thiết bị chủ,có thể lựa chọn khoảng thời gian timeout mà nó chờ đợi đáp ứng từ trạm tớ.Khoảng thời gian này cần phải đủ lớn để bất cứ thiết bị tớ nào cũng có thế trả lời trong điều kiện bình thường.Trường hợp thiết bị tớ bị phát hiện lỗi ở thông báo yêu cầu , nó sẽ không trả lời Vì thế thiết bị chủ cũng tự động nhận biết lỗi và chương trình chủ sẽ có trách nghiệm thực hiện các hành động cần thiết
Lưu ý rằng, một thông báo gửi tới địa chỉ một trạm không tồn tại cũng sẽ gây ra timeout Các mạng khác như MAP hoặc Modbus Plus sử dụng biện pháp kiểm soát lỗi riêng cho cả khung vì vậy các ô CRC hoặc LRC không được dựa vào trong khung thông báo Modbus nguyên bản a Kiểm soát lỗi LRC
Trong chế độ ASCII, phần thông tin kiểm tra của khung thông báo dựa trên phương pháp LRC.
Dãy bit nguồn được áp dụng để tính mã LRC bao gồm phần địa chỉ , mã hàm và phần dữ liệu.Các ô khời đầu cũng như kết thúc khung không tham gia vào tính toán.Mã LRC ởđây chỉdài 8bit , được tính bằng cách cộng đại số toàn bộ các byte của dãy bit nguồn, sau đó lấy phần bù của kết quả b Kiểm soát lỗi CRC
Mã CRC được áp dụng trong chế độ RTU dài 16 bit.Đa thức phát được sử dụng G10 0000 0000 0001 Khi đưa vào khung thông báo , byte thấp cảu mã CRC được gửi đi.
KẾ T QU Ả TH Ự C NGHI Ệ M, ĐỀ XU Ấ T CÁC GI Ả I PHÁP VÀ ĐÁNH GIÁ
Đề xu ấ t gi ải pháp đo và điề u khi ể n
3.1.1 Đo lưu lượng nướ c trong b ể
Ta sử dụng cảm biến báo mức dạng phao kiểu tuyến tính, đối với cảm biến phao đo mức dạng tuyến tính, cảm biến mức theo sự thay đổi mức điện trở, và mức thay đổi điện trở này được chuyển đổi thành tín hiệu 4-20mA tương ứng Nghĩa là tại vị trí mực nước thấp nhất thì cảm biến cho ra mức tín hiệu là 4mA, và 20mA tại vịtrí nước cao nhất Và thường chúng ta dựa vào 2 mức tín hiệu này để kích rơle đóng hoặc ngắt motor bơm dung môi, nước…đểbáo đầy báo cạn cho ứng dụng
Phao inox sẽtrượt từ đầu đến cuối thanh kim loại khi mức nước dâng lên hoặc hạ xuống Tại vị trí mức nước thấp nhất cảm biến phao sẽ cho ra giá trị 4mA, còn tại vị trí mức nước cao nhất sẽ cho ra giá trị 20mA Bên trong đầu cảm biến sẽ có một bộ chuyển đổi giá trịđiện trở thành giá trị 4-20mA
Bản chất của phao từ này là thay đổi giá trị điện trở của thanh kim loại Bên trong thanh kim loại là nam châm, khi phao inox di chuyển lên xuống làm thay đổi giá trịđiện trỡ của thanh nam châm này Bộ chuyển đổi biến trở sang 4-20mA đóng vai trò quan trọng trong việc đưa tín hiệu điện trở thành tín hiệu analog 4-20mA
3.1.2 Gi ải pháp đo áp suấ t
Ta sử dụng cảm biến áp suất nước ( hay còn gọi là cảm biến áp lực nước)
Giả sử khi áp suất dương (+) đưa vào thì lớp màng sẽcăng lên từ trái sang phải, còn khi đưa vào áp suất âm (-) thì lớp màng sẽ căng ngược lại Tùy theo độ biến dạng của lớp màng mà bộ xử lý bên trong sẽ biết được giá trị áp suất đang là bao nhiêu Chính nhờ sựthay đổi này tín hiệu sẽ được xử lý và đưa ra tín hiệu để biết áp suất là bao nhiêu Lớp màng của cảm biến sẽ chứa các cảm biến rất nhỏđể phát hiện được sựthay đổi Khi có một lực tác động vào thì lớp màng sẽ bị thay đổi theo chiều tương ứng với chiều của lực tác động Sau đó các cảm biến sẽ so sánh sựthay đổi đó với lúc ban đầu để biết được nó đã biến dạng bao nhiêu % Từ đó, sẽ xuất ra tín hiệu ngõ ra tương ứng 0-10V tương ứng với áp suất ngõ vào a, Lựa chọn cảm biến
Ta lựa chọn cảm biến đo mức nước có đầu ra dạng Analog(0-10V)tương ứng dải đo [0-5]m
Ta lựa chọn cảm biến đo áp suất có đầu ra dạng Analog(0-10V)tương ứng dải đo [0-5]bar b, Cấu hình PLC
Bảng 3-1: Bảng địa chỉ analog
Thứ tự Đầu vào Địa chỉ Chức năng
1 CB đo áp suất IW64
Lấy tín hiệu analog từ cảm biến
2 CB đo mức nước IW66 Lấy tín hiệu analog từ cảm biến
Phương trình đặc trưng của phép đo:
− Đo áp suất: B Nx 0 5(Bar)
= c, Lưu đồ thuật toán phép đo
Hình 3.1: Lưu đồ thuật toán phép đo 3.1.3 Gi ải pháp điề u khi ể n
Hình 3.2: Lưu đồ điều khiển hệ thống và điều khiển mức nước
Ta sử dụng chế chộ PID được trang bị sẵn dùng cho PLC S7-1200 để điều khiển áp suất
Ta chọn bộđiều khiển PID_3Step vì đối tượng điều khiển là động cơ:
Hình 3.3: Lưu đồ điều khiển động cơ bằng bộđiều khiển PID_3Step
Ta chọn chu kì ngắt là 100MS để làm chu kì lấy mẫu cho bộ PID
Cảnh báo mức nước và áp suất:
Hình 3.4: Cảnh báo mức nước và áp suất
K ế t qu ả th ự c nghi ệ m
Dựa trên kiến thức nền tàng và sau một khoảng thời gian nghiên cứu và tìm hiểu, nhóm chúng em đã hoàn thành báo cáo “Lập trình, điều khiển giám sát hệ thống bơm nước bằng PLC S7-1200 trên giao diện HMI” Trong quá trình nghiên cứu và thực nghiệm chúng em đã có những kết quả đạt được và không đạt được về mạch mô phỏng
− Thiết kế thành công chương trình điều khiển trên PLC S7-1200 và hệ thống trên phần mềm WinCC
− Điều khiển và giám sát hệ thống trên giao diện HMI
− Hiểu rõ hơn về các thiết bị đo như cảm biến đo áp suất và cảm biến đo mức nước, hiểu rõ được nguyên lý hoạt động của PLC S7-1200, phần mềm WinCC và mạng truyền thông MODBUS
− Mạch hoạt động ổn định, rõ ràng
− Tính thẩm mỹ của mô hình chưa cao.
Hướng phát triển đề tài
− Cải tiến điều khiển và giám sát hệ thống trên giao diện HMI
− Phát triển mô hình thành một sản phẩm thực tế.
K ế t lu ậ n
Dựa trên những tài liệu về PLC S7-1200 và phần mềm WinCC với cơ sở lý thuyết đã học, nhóm chúng em đã cố gắng thiết kế mô hình điều khiển giám sát hệ thống bơm nước bằng PLC S7-1200 trên giao diện HMI với độ chính xác tương đối cao và có thể ứng dụng được vào thực tế Tuy nhiên, hệ thống này cần được chỉnh sửa để tăng tính ổn định và chính xác Ngoài ra, hệ thống còn có thể phát triển những tính năng khác tạo nên sự đa dạng cho hệ thống
Mặc dù đã gặp một chút khó khăn trong công tác tìm hiểu và thực hiện, nhưng nhờ sựgiúp đỡđặc biệt của Ths Phạm Văn Hùng nên chúng em đã giải quyết được những khó khăn đó để có thể hoàn thiện đồ án của mình một cách tốt nhất Nhóm em xin chân thành cảm ơn ạ !
Mô ph ỏ ng
Hình 3.5: Mô hình hệ thống bơm trên giao diện HMI
Hình 3.6: Mô hình hệ thống bơm khi mức nước đang ở mức cao