Đồ án Tự động hóa - Thiết kế hệ thống điều khiển mức nước trong bể chứa công nghiệp dùng plc 1200 và giám sát bằng WinCC và thuật toán PID

MỤC LỤC MỤC LỤC 1 DANH MỤC HÌNH ẢNH 3 DANH MỤC BẢNG BIỂU 4 LỜI MỞ ĐẦU 5 CHƯƠNG 1: ỨNG DỤNG CỦA ĐỀ TÀI TRONG THỰC TIỄN 6 1.1. Ứng dụng đề tài trong thực tiễn 6 1.1.1. Đặt vấn đề 6 1.1.2. Ứng dụng thực tế 6 CHƯƠNG 2. CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG 12 2.1. TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH 12 2.2. TÌM HIỂU CÁC THIẾT BỊ VẬN HÀNH 12 2.2.1. Biến tần 12 2.2.2. Biến tần LSIC5 13 2.2.3. Động cơ bơm 22 2.4 Bộ Điều Khiển PLC S7-1200 23 2.4.1 Cấu trúc chung của PLC 24 2.4.2 Các bảng tín hiệu. 25 2.4.3 Các module tín hiệu. 25 2.4.4. Các module truyền thông. 26 2.5 Phần mên lập trình TIA Portal V14 26 2.6. Giao diện giám sát Wincc 29 2.6.1. Giới thiệu chung 29 2.6.2. Chức năng của WinCC(HMI) 30 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 34 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống 34 3.2 Nguyên lý hoạt động 36 3.3. Lưu đồ thuật toán 39 3.4 Đánh giá hệ thông thiết kết 40 3.4.1 Kết quả 40 3.5 Phương hướng phát triển 40 3.6 CHƯƠNG TRÌNH 41 3.7. Thiết kế hệ thống 42 3.7.1. Thiết kế hệ thống bằng WINCC 42 PHỤ LỤC 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51   DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Hệ thống làm mát bình ngưng trong một nhà máy nhiệt điện 6 Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý một nhà máy điện hạt nhân 7 Hình 1.3: Quy trình công nghệ xử lý nước thải mực in 8 Hình 1.4: Cấu trúc hệ thống điều khiển một nhà máy nước 9 Hình 1.5: Công nghệ sản xuất nước tinh khiết 10 Hình 2.1: Biến tần LS IC5 12 Hình 2.2: Ý nghĩa tên của biến tần Ls 14 Hình 2.3: Thông số biến tần IC5 14 Hình 2.4: Sơ đồ khối biến tần IC5 17 Hình 2.5: Đấu dây biến tần LS IC5 17 Hình 2.6: Các nhóm thông số biến tần IC5 21 Hình 2.7: Động cơ bơm sử dụng trong mô hình 22 Hình 2.8: Biểu tượng của phần mền 25 Hình 2.9: Giao diện taok Project 26 Hình 2.10: Tạo Project 26 Hình 2.11: Giao diện 26 Hình 2.12: App new device 27 Hình 2.13: Chọn loại CPU PLC sau đó chọn add 27 Hình 2.14: Project mới 28 Hình 2.15: Giao diện Wincc 28 Hình 3.1: Sơ đồ khối 33 Hình 3.2: Giao diện soạn thảo 33 Hình 3.3: Plc sử lý 34 Hình 3.4: Giao diện giám sát 35 Hình 3.5: Thuật toán 38   DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Đặc điểm kỹ thuật ( Mức200-230V) 14 Bảng 2.2: Điều khiển của biến tần 15 Bảng 2.3: Hoạt động của biến tần 15 Bảng 2.4: Mô tả chân đấu L1, L2, U, V, W, P, P1, G 17 Bảng 2.5: Mô tả chân đấu P1, P2, P3, P4, P5, P24, VR, I, CM, AM-CM, 30A,30C, 30B, MO-EXTG 18 Bảng 2.6: Bàn phím biến tần LS IC5 19 Bảng 2.7: Cài đặt biến tần bằng nhóm chức năng Input/Output (I/O Group) 20 Bảng 2.8: Nhóm chức năng biến tần LS IC5 21   LỜI MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển của xã hội, đời sống người dân ngày càng được nâng cao, việc thay thế các hoạt động thủ công bằng các thiết bị tự động cũng được người dân ứng dụng nhiều trong công nghiệp cũng như trong sinh hoạt. Công nghệ tự động giám sát và điều khiển mức chất lỏng cũng được nhiều công ty, xí nghiệp cũng như các nhà máy ứng dụng nhiều nhằm thay thế việc giám sát và điều khiển mức chất lỏng bằng phương pháp thủ công, công nghệ tự động giám sát mức chất lỏng đảm bảo việc kiểm soát, điều khiển lưu lượng chất lỏng sử dụng, bơm, xả chất lỏng một cách tin cậy mà không cần sự kiểm tra trực tiếp của con người. Công nghệ này được ứng dụng nhiều trong việc xứ lý nước thải, lọc hoá dầu, nhà máy nước, nhà máy nhiệt điện, thuỷ điện, điện hạt nhân, các bể nước, tháp nước tự động… Từ những vấn đề trên đặt ra yêu cầu là dùng phương pháp nào để giám sát và điều khiển mức chất lỏng một cách hợp lý nhất về chi phí, độ tin cậy, khả năng linh hoạt, dễ vận hành và sử dụng nhất. Trong thực tế có nhiều phương pháp tự động điều khiển mức chất lỏng, ở phần này em thực hiện đề tài “ Thiết kế hệ thống điều khiển mức nước trong bể chứa công nghiệp dùng PLC S7 1200 và giám sát bằng PID ” do cô giáo Th.S.Lê Thị Thu Phương hướng dẫn Đề tài gồm các nội dung sau: Chương 1: Ứng dụng của đề tài trong thực tiễn. Chương 2: Các thiết bị sử dụng trong hệ thống Chương 3: Thiết kế hệ thống CHƯƠNG 1: ỨNG DỤNG CỦA ĐỀ TÀI TRONG THỰC TIỄN 1.1. Ứng dụng đề tài trong thực tiễn 1.1.1. Đặt vấn đề Tự động hoá là ngành công nghệ mà con người trong thời đại hiện nay đang hướng tới nhằm giảm bớt sức lao động chân tay trong các hoạt động sản xuất cũng như trong sinh hoạt hàng ngày. Điều khiển tự động và tự động hóa là một trong những phương hướng phát triển chủ yếu của công nghiệp sản xuất. Tự động hoá và điều khiển tự động cho phép sử dụng tối đa các tiềm năng sẵn có, đáp ứng yêu cầu ngày càng cao đối với các trang thiết bị hiện đại. Việc ứng dụng thành công các thành tựu của lý thuyết điều khiển tối ưu, công nghệ thông tin, công nghệ máy tính, công nghệ điện - điện tử và các lĩnh vực khoa học kỹ thuật khác trong những năm ngần đây đã dẫn đến sự ra đời và phát triển thiết bị điều khiển lập trình PLC. Công nghệ tự động giám sát và điều khiển mức chất lỏng cũng được nhiều công ty, xí nghiệp cũng như các nhà máy ứng dụng nhằm thay thế việc giám sát và điều khiển mức chất lỏng bằng phương pháp thủ công, công nghệ tự động giám sát mức chất lỏng đảm bảo việc kiểm soát, điều khiển lưu lượng chất lỏng sử dụng, bơm, xả chất lỏng một cách tin cậy mà không cần sự kiểm tra trực tiếp của con người. Công nghệ này được ứng dụng nhiều trong việc xứ lý nước thải, lọc hoá dầu, nhà máy nước,nhà máy thuỷ điện, hệ thống làm mát nhiệt điện, hệ thống làm mát điện hạt nhân, các bể nước, tháp nước tự động… 1.1.2. Ứng dụng thực tế 1.1.2.1. Khái quát chung Vấn đề quản lý các loại chất lỏng như: Nước, Dầu mỏ, Xăng, Nước thải, làm sao cho hiệu quả đang là vấn đề được nhiều người, nhiều tổ chức quan tâm trong thời đại hiện nay. Đề tài “Điều khiển và giám sát mức nước” được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực Công Nghiệp, Nông Nghiệp, ở nhiều Công ty, Xí nghiệp và các nhà máy, đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực giám sát và quản lý chất lỏng ở nhiều lĩnh vực khác nhau. Có nhiều phương pháp để giám sát và quản lý chất lỏng, kể đến có phương pháp thủ công và ứng dụng điều khiển tự động, ngày nay phương pháp giám sát và quản lý chất lỏng phần lớn được tự động hoá nhằm giảm bớt sức lao động của con người và đề tài “Điều khiển và giám sát mức nước trong bể chứa bằng PLC‟ cũng được nhiều cá nhân và tổ chức ứng dụng. 1.1.2.2. Một số lĩnh vực ứng dụng công nghệ “Điều khiển và giám sát mức chất lỏng” trong thực tế a. Lĩnh vực sản xuất Điện. - Nhiệt Điện: Phần lớn việc quản lý và giám sát chất lỏng trong các nhà máy nhiệt điện tập trung vào hệ thống làm mát cho các bình ngưng. Hình 1.1: Hệ thống làm mát bình ngưng trong một nhà máy nhiệt điện Trong nhà máy nhiệt điện đốt than dùng Tuabin ngưng hơi, hệ thống tuần hoàn bình ngưng làm nhiệm vụ rất quan trọng trong chu trình nhiệt. Nó giúp thải một nhiệt lượng rất lớn (khoảng 40 - 45%) lượng nhiệt mà nước nhận được từ lò hơi. Tuy nhiệt lượng phải thải đi là lớn nhưng lại phải diễn ra ở điều kiện nhiệt độ thải nhiệt gần với nhiệt độ môi trường. Chính vì vậy mà hiệu quả thải nhiệt của nó và do đó hiệu quả của chu trình nhà máy nhiệt điện bị phụ thuộc rất mạnh và nhạy cảm vào những yếu tố môi trường và điều kiện truyền nhiệt trong bình ngưng. Công nghệ quán lý và giám sát mức nước cũng được ứng dụng nhiều trong các hệ thống làm mát ở các nhà máy nhiệt điện   - Điện hạt nhân: Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý một nhà máy điện hạt nhân - Thuỷ Điện: Thuỷ điện là nguồn điện có được từ năng lượng nước, đa số năng lượng thuỷ điện có được từ thế năng của nước tích tại các đập nước làm quay Tuabin nước và máy phát điện. Do việc lấy nước là năng lượng chính trong việc sản xuất điện nên việc điều tiết nước sao cho hợp lý và hiệu quả tuỳ vào thời điểm, lượng tiêu thụ điện, cũng như đảm bảo việc xả nước cho hạ du cần được tự động hoá để đảm bảo tính chính xác, tính hiệu quả và hợp lý. Ở các nhà máy thuỷ điện thường có hệ thống tự động đo và điều chỉnh lưu lượng nước trong hồ, lưu lượng nước chảy vào hệ thống điều khiển Tuabin làm quay máy phát điện. Nhằm đảm bảo tính hiệu quả trong sản xuất, Thuỷ điện cũng có thể áp dụng đề tài “Điều khiển và giám sát mức nước” vào việc sản xuất Điện. b.Lĩnh vực xử lý nước thải. Nước thải có mặt ở khắp nơi, đặc biệt các khu công nghiệp, các nhà máy, xí nghiệp, bệnh viện… Trong nhiều năm trở lại đây việc ứng dụng công nghệ vào công tác xử lý nước thải đã được nhiều cơ quan tổ chức ứng dụng nhằm thực hiện chiến lược bảo vệ môi trường. + Ví dụ về một hệ thống xử lý nước thải : Nước thải có mặt ở khắp nơi, đặc biệt các khu công nghiệp, các nhà máy, xí nghiệp, bệnh viện… Trong nhiều năm trở lại đây việc ứng dụng công nghệ vào công tác xử lý nước thải đã được nhiều cơ quan tổ chức ứng dụng nhằm thực hiện chiến lược bảo vệ môi trường. + Ví dụ về một hệ thống xử lý nước thải : Hình 1.3: Quy trình công nghệ xử lý nước thải mực in Từ quy trình trên ta thấy được các bể chứa nước thải đều được liên kết với nhau một cách logic và có quan hệ với nhau theo dây chuyền, do vậy nước thải trong các bể chứa phải được giám sát và điều khiển một cách hợp lý nhằm tăng hiệu suất của hệ thống và giảm chi phí vận hành. Hệ thống này cũng có thể ứng dụng đề tài “Điều khiển và giám sát mức nước” c. Nhà máy sản xuất nước Nhà máy cung cấp nước đô thị: Tại các thành phố thì nước sạch cần phải được cung cấp đầy đủ nhằm đảm bảo một cách đầy đủ nhu cầu sinh hoạt của người dân. Điều chú ý là việc cấp nước phải luôn đáp ứng được nhu cầu sử dụng, lượng nước tiêu thụ là không xác định nên hệ thống cấp nước phải được điều khiển làm sao để áp suất bơm trong đường ống luôn ổn định. Hình 1.4: Cấu trúc hệ thống điều khiển một nhà máy nước Công nghệ “ Điều khiển và giám sát mức nước” cũng có thể áp dụng hiệu quả trong lĩnh vực sản xuất nước sạch. Nhà máy sản xuất nước tinh khiết Hầu hết các nhà máy sản xuất nước tinh khiết cung cấp trên thị trường đều sử dụng công nghệ giám sát mức chất lỏng để điều khiển hệ thống. Nước được bơm từ nguồn đưa qua hệ thống lọc nước gồm: Bồn lọc Lon, bồn lọc cơ học, bồn lọc than, qua khâu khử trùng bằng tia cực tím và đưa đến đầu ra. Hình 1.5: Công nghệ sản xuất nước tinh khiết d.Công nghệ lọc hoá dầu, tháp nước tự động, trạm bơm nước lớn. Lọc hoá dầu, tháp nước và các trạm bơm nước lớn tự động cũng là các lĩnh vực có thể áp dụng công nghệ “ Điều khiển và giám sát mức nước” để nâng cao hiệu quả sản xuất.   CHƯƠNG 2. CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG 2.1. TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH Mô hình “Điều khiển mức chất lỏng bằng PLC” Hầu hết sử dụng các thiết bị điện có nguồn cung cấp là xoay chiều một pha (220V). Các thiết bị được sử dụng rộng rãi trong thực tế gồm: - Biến tần INVT - Cảm biến siêu âm - Nguồn 1 chiều : + 24VD - Đông cơ bơm KĐB 3 pha 0.75kW - Van xả chất lỏng, ống nhựa phi 27 - Một bể kính điều khiển kích thước (20x20x25 cm) - Một bể kính cấp nước cho bể điều khiển kích thước (25x25x40cm) Do mô hình được thiết kế để phục vụ công tác giảng dạy nên có kích thước nhỏ hơn thực tế, một số các thiết bị trên mô hình có công suất nhỏ hơn nhiều so với thực tế nên chưa hoàn toàn bám sát thực tế. 2.2. CÁC THIẾT BỊ VẬN HÀNH 2.2.1. Biến tần 2.2.1.1. Biến tần là gì? Biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều từ tần số này sang dòng điện xoay chiều có tần số khác có thể thay đổi được. Đối với các biến tần dung trong việc điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều thì ngoài việc thay đổi tần số thì nó còn có thể thay đổi điện áp ra khác với điện áp cấp vào biến tần. 2.2.1.2. Phân loại biến tần. Biến tần thường chia làm hai loại: - Biến tần trực tiếp - Biến tần gián tiếp a. Biến tần trực tiếp. Biến tần trực tiếp là bộ biến đổi tần số trực tiếp từ lưới điện xoay chiều không thông qua khâu trung gian một chiều. Tần số ra được điều chỉnh nhảy cấp và nhỏ hơn tần số lưới ( f1 < flưới ). Loại biến tần này hiện nay ít được sử dụng. b. Biến tần gián tiếp. Để biến đổi tần số cần thông qua một khâu trung gian một chiều vì vậy có tên gọi là biến tần gián tiếp. 2.2.1.3. Tầm quan trọng của biến tần trong công nghiệp. Biến tần với chức năng điều khiển vô cấp tốc độ động cơ cho phép người sử dụng điều chỉnh tốc độ động cơ theo nhu cầu và mục đich sử dụng Chức năng điều khiển tốc độ đông cơ lên tối đa 16 cấp với khả năng kiểm soát thời gia tốc/ giảm tốc, nhiều mức công suất phù hợp với nhiều loại động cơ. Có chức năng bảo vệ quá tải, quá áp, thấp áp, quá dòng, thấp dòng, quá nhiệt động cơ, nối đất… nó giúp người vận hành yên tâm không phải lo lắng về vấn đề mất kiểm soát trong quá trình vận hành Biến tần giúp các dây chuyền hoạt động tối ưu: tiết kiệm điện năng, đồng bộ các thiết bị (động cơ) hoạt động trơn tru, than thiện với người sử dụng và giẩm thiểu chi phí bảo trì – bảo dưỡng. Trong thực tế có rất nhiều hoạt động trong công nghiệp có lien quan đến tóc độ động cơ điện. Đôi lúc có thể xem sự ổn định của tốc độ đông cơ mang yếu tố sống còn của chất lượng sản phẩm, sử ổn định của hệ thống… Ví dụ: máy ép nhựa làm đế giày, cán thếp, hệ thống tự đông pha trộn nguyên liệu,…Vì thế, việc điều khiển và ổn định tốc độ động cơ được xem như vấn đề chính yếu của các hệ thống điều khiển trong công nghiệp. 2.2.2. Biến tần LSIC5 Hình 2.1: Biến tần LS IC5 Các đặc trưng của biến tần IC5 Điều khiển theo vectơ cảm biến: IC5 sử dụng thuật toán điều khiển theo vectơ không cảm biến, và nó được cải tiến để không chỉ điều chỉnh được các đặc tuyến momen mà còn điều chỉnh tốc độ trong điều kiện không ổn định do phụ tải thay đổi. Tự động dò thông số: Thuật toán tự động dò thông số trong iC5 đặt các hệ số động cơ tự động làm cho những cản trở chủ yếu ở tốc độ thấp do sự thay đổi của tải và momen thấp sản sinh để duy trì ổn định. Khó khăn trong đo lường động cơ không đổi. + Các lỗi đầu vào do người sử dụng. + Momen thấp ở tốc độ thấp. + Tốc độ thấp do sự thay đổi tải. + Cài đặt bởi chuyên gia. + Cài đặt bởi người sử dụng. + Momen được cải thiện ở tốc độ thấp. + Tự động dò thông số động cơ. + Điều khiển động cơ ổn định. Chuyển đổi tín hiệu PNP và NPN: IC5 thiết lập tín hiệu PNP và NPN cho các bộ điều khiển bên ngoài. Nó làm việc ở điện áp 24VDC mà không phụ thuộc vào dạng tín hiệu PLC hay các thiết bị khác. Giao tiếp bề mặt, Modbus-RTU: IC5 cung ứng giao tiếp bề mặt, ModBus-RTU thông dụng nhất, cho điều khiển từ xa bằng PLC hoặc các thiết bị khác. Quy trình điều khiển PID: Quy trình điều khiển PID được sử dụng trong iC5 làm tốc độ hiệu chỉnh nhanh với độ chính xác của sự vọt lố và dao động cho điều khiển lưu lượng, nhiệt độ, áp suất…. Hình 2.3: Thông số biến tần IC5 Bảng 2.1: Đặc điểm kỹ thuật ( Mức200-230V) Công suất [HP] [kW] 1 0.75 Đầu ra danh định Công suất[kVA] FLA[A] Điện áp Tần số 1.9 5 3 pha 200 đến 230V 0 đến 400Hz Đầu vào danh định Điện áp Tần số 1 pha 200 đến 230V ( ±10% ) 50 đến 60Hz ( ±5% ) Bảng 2.2: Điều khiển của biến tần Phương thức điều khiển Điều khiển V/F, Điều khiển theo vectơ cảm biến Cài đặt tần số Tham chiếu digital: 0.01Hz Tham chiếu analog: 0.06Hz/60Hz Cài đặt tần số chính xác digital : 0.01% của tần số ra max digital : 0.1% của tần số ra max Tỷ lệ V/F Thẳng, vuông, sử dụng V/F Khả năng chịu quá tải 1 phút ở 150%, 30s ở 200% ( Với đặc trưng đảo ngược) Tăng Momen Bằng tay ( Điều chỉnh 0 đến 15%), Tự động Bảng 2.3: Hoạt động của biến tần Tín hiệu vào Điều khiển hoạt động Cài đặt tần số Lệnh chạy Mở rộng Mở rộng thời gian tăng/ giảm tốc độ Dừng khẩn Jog Reset lỗi Bàn phím/ Từ xa/ Truyền thông ∙ Analog: 0~10V/4~20mA ∙ Digital: Bàn phím ∙ Giao tiếp: RS485 Forward / Reverse Cài đặt lên 8 tốc độ ( Sử dụng chức năng mở rộng kết nối) 0,1 ~ 6000s.Max. 8 dạng có thể sử dụng chức năng mở rộng kết nối Có thể lựa chọn được đặc tuyến tăng/ giảm tốc: Thẳng, U hoặc S. Ngắt đầu ra Biến tần Hoạt động Jog Reset lỗi khi chức năng bảo vệ được kích hoạt. Tín hiệu ra Trạng thái hoạt động Đầu ra lỗi Chỉ dẫn Dò tần số, Báo quá tải, Kẹt, Quá áp, Thấp áp Quá nhiệt Biến tần, Chạy, Dừng, Tốc độ không đổI, dò tốc độ Đầu ra lỗi (Đầu ra rơle và Đầu ra không tiếp điểm). Chọn một dạng tín hiệu ra của tần số, dòng, điện áp và điện áp DC. (Điện áp ra: 0~10V). Chức năng hoạt động Hãm DC, Giới hạn tần số, Tần số nhảy, Chức năng thứ 2, Bù vòng trượt, Chống đảo chiều, Tự động restart, Điều khiển PID. Sơ đồ của biến tần Hình 2.4: Sơ đồ khối biến tần IC5 Chú ý : + 1.●●= Chân mạch động lực ○○ = Chân mạch điều khiển + 2. Điện áp đầu ra analog có thể điều chỉnh lên 12 V. + 3. Lệnh chạy có thể đặt được bằng điện áp, dòng, điện áp+ dòng, bàn phím, bàn phím Knob + điện áp và bàn phím Knob+dòng Hình 2.5: Đấu dây biến tần LS IC5   Sơ đồ chân đấu Bảng 2.4: Mô tả chân đấu L1, L2, U, V, W, P, P1, G Chân đấu Tín hiệu Mô tả L1, L2 Đầu vào AC Đầu vào 1pha AC U, V, W Đầu ra Biến tần Đầu ra 3pha đến động cơ P, P1 DC reactor Kết nối DC reactor G Đất Nối đất Bảng 2.5: Mô tả chân đấu P1, P2, P3, P4, P5, P24, VR, I, CM, AM-CM, 30A,30C, 30B, MO-EXTG Chân đấu Tín hiệu Mô tả Đầu vào P1, P2 Đầu vào đa chức năng Được sử dụng cho đa chức năng đầu vào. thiết lập mặc định như sau: P1 = FX, Forward P2 = RX, Reverse P3 = BX, Emergency stop P4 = JOG P5 = RST, Fault reset P3, P4, P5 PNP DC24V Đầu ra Cung cấp nguồn DC24V ở chế độ PNP P24 Công suất cài đặt tần số Công suất cho cài đặt tần số analog. Đẩu ra max là +12V 10mA VR Cài đặt tần số (Điện áp) Đầu vào DC 0 đến 10V để đặt tần số. Điện trở vào là 20kΩ I Cài đặt tần số (Dòng) Đầu vào DC 4 đến 20mA để đặt tần số. Điện trở vào là 250Ω CM Chân chung Chân chung cho tín hiệu cài đặt tần số analog và FM (cho màn hình). Chân ra AM-CM Cho màn hình Đầu ra của Tần số ra, Dòng ra, Điện áp và điện áp DC ra. Mặc định của nhà máy là tần số ra. Điện áp ra MAX=0 Dòng ra = 10mA. 30A,30C Rơle đa chức năng Ngắt đầu ra khi chức năng bảo vệ hoạt động hoặc tín hiệu đầu ra đa chức năng. Chân rơle đa chức năng : Max. AC250V/1A, DC30V/1A 30B Chân đầu ra không tiếp điểm Chân đầu ra không tiếp điểm: Max. DC24V 50mA MO-EXTG Bàn phím Bảng 2.6: Bàn phím biến tần LS IC5 Phím Chức năng Mô tả RUN Phím chạy Làm biến tần hoạt động STOP/RESET Phím Dừng/reset Làm dừng hoạt động hay reset trong trường hợp có lỗi ● Chương trình/chọn Làm thay đổi thông số và lưu chúng KNOB(Volume) Tần số Làm thay đổi tần số NPN/PNP Lựa chọn Lựa chọn chế độ giữa NPN và PNP ▲ Lên Tăng giá trị thông số ▼ Xuống Giảm giá trị thông số ◄ Trái Di chuyển con trỏ sang trái ► Phải Di chuyển con trỏ sang phải Đặt biến tần bằng nhóm chức năng Input/Output (I/O Group) Bảng 2.7: Cài đặt biến tần bằng nhóm chức năng Input/Output (I/O Group) 1 Cấp nguồn điện AC cho biến tần 2 0.0 Khi màn hình hiển thị 0.0, hãy bấm phím Prog/Ent (●) một lần. 3 0.0 - Chữ số thứ hai trong 0.0 sáng. - Bấm phím (◄) hai lần. 4 00.0 - Khi màn hình hiển thị 0.0 và số 0 đầu tiên sáng. - Bấm phím (▲). 5 10.0 - 10.0 được cài. Bấm phím Prog/Ent (●) một lần. - 10.0 nhấp nháy. Bấm phím Prog/Ent (●) một lần. 6 10.0 - Tần số chạy được cài đặt là 10.0 Hz khi dừng nhấp nháy. - Mở switch giữa P1(FX) và thiết bị đầu cuối CM. 7 :10.0 - FWD (FWD chạy) bắt đầu nháy và tần số tăng được hiển thị trên LED. - Khi mục tiêu tần số đạt tới 10 Hz, 10.0 được hiển thị. - Tắt switch giữa P1(FX) và thiết bị đầu cuối CM. 8 :10.0 - FWD (FWD chạy) bắt đầu nháy và tần số giảm được hiển thị trên LED. - Khi chạy tần số đạt 0 Hz, đèn FWD tắt và 10.0 được hiển thị.   Nhóm thông số Hình 2.6: Các nhóm thông số biến tần IC5 Bảng 2.8: Nhóm chức năng biến tần LS IC5 Nhóm Mô tả Nhóm biến tần Các thông số cơ bản như lệnh tần số, thời gian tăng giảm tốc… Nhóm chức năng 1 Các thông số chức năng cơ bản như tần số max, tăng momen… Nhóm chức năng 2 Các thông số ứng dụng như tần số nhảy, giới hạn tần số max/min… Nhóm Input/Output Các thông số dựng thành chuỗI như cài đặt khối đa chức năng, hoạt động tự động… 2.2.3. Động cơ bơm 2.2.3.1. Khái quát chung Nguyên lý làm việc của động cơ bơm là dựa vào chuyển động quay của động cơ điện, động cơ bơm sử dụng chuyển động quay đó để hút chất lỏng từ đầu vào và đẩy chất lỏng đến đầu ra nhờ áp suất từ chuyển động quay của động cơ điện. Ngoài động cơ bơm chất lỏng một chiều còn có các loại động cơ bơm 2 chiều 2.2.3.2. Động cơ bơm sử dụng trong Mô hình sử dụng động cơ không đồng bộ 3 pha có thông số kỹ thuật cơ bản như sau Công suất : 0.75 kW. Tần số : 50 Hz Điện áp : 220V (Đấu tam giác), 380V (Đấu sao). Cường độ dòng điện : 3.2 A (Đấu tam giác), 1.6 A (Đấu sao). Tốc độ : 2850 RPM Hình 2.7: Động cơ bơm sử dụng trong mô hình 2.4 Bộ Điều Khiển PLC S7-1200 Giới thiệu chung Bộ điều khiển logic khả trình (PLC) S7-1200 mang lại tính linh hoạt và sức mạnh để điều khiển nhiều thiết bị đa dạng hỗ trợ các yêu cầu về điều 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 để giám 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. Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ việc truy xuất đến cả CPU và chương trình điều khiển: • Mỗi CPU cung cấp một sự bảo vệ bằng mật khẩu cho phép người dùng cấu hình việc truy xuất đến các chức năng của CPU. • Người dùng có thể sử dụng chức năng “know-how protection” để ẩn mã nằm trong một khối xác định. CPU cung cấp một cổng PROFINET để giao tiếp qua một mạng PROFINET. Các module truyền thông là có sẵn dành cho việc giao tiếp qua các mạng RS232 hay RS485. 2.4.1 Cấu trúc chung của PLC PLC được nhiều hãng chế tạo, và mỗi hãng có nhiều họ khác nhau, và có nhiều phiên bản trong mỗi họ, chúng khác nhau về tính năng và giá thành, phù hợp với bài toán đơn giản hay phức tạp. Ngoài ra còn có các bộ ghép mở rộng cho phép ghép nhiều bộ PLC nhỏ để thực hiện các chức năng phức tạp, hay giao tiếp với máy tính tạo thành một mạng tích hợp, việc thực hiện theo dõi, kiểm tra, điều khiển một quá trình công nghệ phức tạp hay toàn bộ một phân xưởng sản xuất. Mặc dù vậy, một hệ thống điều khiển dùng bất cứ loại PLC nào đều cũng có cấu trúc sau: - Ngõ vào dạng số: Gồm hai trạng thái ON và OFF. Khi ở trạng thái ON thì ngõ vào số được coi như ở mức logic 1 hay mức logic cao. Khi ở trang thái OFF thì ngõ vào có thể đươc coi như ở mức logic 0 hay mức logic thấp. - Ngõ ra số: Gồm hai trạng thái ON và OFF. Các ngõ ra này thường được nối ra để điều khiển các cuộn dây contactor, đèn tín hiệu,… - Thiết bị đầu vào: Các thiết bị tạo ra tín hiệu điều khiển thường là nút nhấn, cảm biến. - Thiết bị chấp hành(Autuator): Là thiết bị biến đổi tín hiệu điện từ PLC thành một tác động vật lý. Autuator được nối với ngõ ra của PLC. - Chương trình điều khiển: Một chương trình bao gồm một hay nhiều lệnh nhằm thực hiện một nhiệm vụ cụ thể. Việc lập trình cho PLC chỉ đơn giản là xây dựng một tập hợp các lệnh. Để lập trình cho PLC này, lập trình hình thang (LAD) hay dạng câu lệnh (STL). Chương trình điều khiển định ra quy luật thay đổi tín hiệu output ở phía đầu ra của PLC theo sự thay đổi tín hiệu input ở phía đầu vào theo mong muốn và chạy phần mềm điều khiển trên máy tính PC và được nạp vào PLC thông qua cáp, nối giữa PLC và PC hay PG. + Thiết bị lập trình (PG/PC): Chương trình viết trong thiết bị lập trình và truyền xuống PLC. + Cáp kết nối (cáp PPI): Thiết bị cần thiết để truyền dữ liệu từ thiết bị lập trình xuống PLC. PLC đều có thành phần chính là: Một bộ nhớ chương trình RAM bên trong (có thể mở rộng thêm một số bộ nhớ ngoài EPROM). 2.4.2 Các bảng tín hiệu. Một bảng tín hiệu (SB) cho phép người dùng thêm vào I/O cho CPU. Người dùng có thể thêm một SB với cả I/O kiểu số hay kiểu tương tự. SB kết nối vào phía trước của CPU. • SB với 4 I/O kiểu số (ngõ vào 2 x DC và ngõ ra 2 x DC) • SB với 1 ngõ ra kiểu tương tự. 1. Các LED trạng thái trên SB 2. Bộ phận kết nối nối dây của người dùng có thể tháo ra 2.4.3 Các module tín hiệu. Người dùng có thể sử dụng các module tín hiệu để thêm vào CPU các chức năng. Các module tín hiệu kết nối vào phía bên phải của CPU. 1 Các LED trạng thái dành cho I/O của module tín hiệu 2 Bộ phận kết nối đường dẫn 3 Bộ phận kết nối nối dây của người dùng có thể tháo ra 2.4.4. Các module truyền thông. Họ S7-1200 cung cấp các module truyền thông (CM) dành cho các tính năng bổ sung vào hệ thống. Có 2 module truyền thông: RS232 và RS485. • CPU hỗ trợ tối đa 3 module truyền thông • Mỗi CM kết nối vào phía bên trái của CPU (hay về phía bên trái của một CM khác) 1 Các LED trạng thái dành cho module truyền thông 2 Bộ phận kết nối truyền thông 2.5 Phần mên lập trình TIA Portal V14 Phần mềm SIMATIC TIA Portal STEP7 Basic chạy hệ điều hành Windows, phần mềm làm nhiệm vụ trung gian giữa ngƣời lập trình và PLC. • Để lập trình SIMATIC S7-1200 từ PC hay Laptop cần một kết nối TCP/IP • Để PC và SIMATIC S7-1200 có thể giao tiếp với nhau, điều quan trọng là các địa chỉ IP của cả hai thiết bị phải phù hợp với nhau. Sau đây là cách tạo một project trên  Một số thao tác cơ bản khi làm quen với phần mềm Bước 1: Từ màn hình desktop nhấp đúp chọn biểu tượng Tia Portal V14 Hình 2.8: Biểu tượng của phần mền   Bước 2: Click chuột vào Create new project để tạo dự án Hình 2.9: Giao diện taok Project Bước 3: Nhập tên dự án vào Project name sau đó nhấn create new project Hình 2.10: Tạo Project Bước 4: Chọn configure a device Hình 2.11: Giao diện   Bước 5: Chọn add new device Hình 2.12: App new device Bước 6: Chọn loại CPU PLC sau đó chọn add Hình 2.13: Chọn loại CPU PLC sau đó chọn add   Bước 7: Project mới được hiện ra Hình 2.14: Project mới 2.6. Giao diện giám sát Wincc 2.6.1. Giới thiệu chung WinCC là một trong những chương trình ứng dụng cho mạng HMI, Scada trong lĩnh vực dân dụng cũng như công nghiệp. Hình 2.15: Giao diện Wincc WinCC (Windows Control Center) là phần mềm của hãng Siemens dùng để giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu trong quá trình sản xuất. Nói rỏ hơn, 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: Siemens, Mitsubishi, Allen braddly, Omron,.. thông qua cổng COM với chuẩn RS232 của PC và chuẩn RS485 của PLC. Với WinCC, ta có thể tận dụng nhiều giải pháp khác nhau cho để giải quyết công việc, từ thiết kế cho hệ thống có quy mô nhỏ đến quy mô lớn, hệ thống thực hiện sản xuất – MES (Manufacturing Excution System). WinCC có thể mô phỏng bằng hình ảnh các sự kiện xảy ra trong quá trình điều khiển dưới dạng chuổi sự kiện. Để đáp ứng yêu cầu công nghệ ngày càng phát triển, WinCC cung cấp nhiều hàm chức năng cho mục đích hiển thị, thông báo, ghi báo cáo, xử lý thông tin đo lường, các tham số công thức,.. và là một trong những chương trình thiết kế giao diện Người và Máy – HMI được tin dùng nhất hiện nay. 2.6.2. Chức năng của WinCC(HMI)  Hiển thị quá trình: Quá trình được hiển thị trên thiết bị HMI(Wincc). Màn hình trên thiết bị HMI được cập nhật một cách năng động. Điều này được dựa trên các sự chuyển tiếp quá trình.  Điều khiển vận hành của quá trình: Người vận hành có thể điều khiển quá trình bởi GUI. Ví dụ, người vận hành có thể đặt trước các giá trị tham khảo cho điều khiển hay khởi động một động cơ.  Hiển thị các cảnh báo: Các quá trình nghiêm trọng tự động khởi phát báo động, ví dụ, khi giá trị đặt được vượt quá.  Lưu trữ các giá trị và cảnh báo quá trình: Hệ thống HMI có thể ghi lại các cảnh báo và giá trị quá trình. Tính năng này cho phép bạn lưu giữ các dãy quá trình và lấy ra các dữ liệu của sản xuất từ trước.  Ghi chép các cảnh báo và các giá trị quá trình: Hệ thống HMI có thể đưa ra các báo cáo giá trị quá trình và các cảnh báo. Tính năng này cho phép bạn in ra các dữ liệu sản xuất ở cuối của ca làm việc.  Quản lí thông số máy móc và quá trình: Hệ thống HMI có thể lưu giữ các thông số của các quá trình và máy móc dưới dạng công thức. Ví dụ, bạn có thể download những thông số trên một đường dẫn từ thiết bị HMI tới PLC để thay đổi toàn kiểu sản xuất của sản phẩm. Các bước cấu hình và kết nối wincc với plc   CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống Hình 3.1: Sơ đồ khối Sơ đồ khối của hệ thống a. Chương trình đã soạn thảo Là chương trình(code) đã được soạn thảo trên phần mền hỗ trợ lập trình PLC S7-1200 TIA Portal và dc nạp xuống khối sử lý trung tâm Hình 3.2: Giao diện soạn thảo   b. Khối sử lý trung tâm Gồm có PLC S7-1200 CPU 1211C AC/DC/RLY để điều khiển vận hành toàn bộ hệ thống Hình 3.3: Plc sử lý c. Khối chấp hành  Gồm có: • Các cảm biến. • Động cơ bơm • d. Khối giám sát • Là khối chứa giao diện đã thiết kế trên WinCC để giám sát Hình 3.4: Giao diện giám sát 3.2 Nguyên lý hoạt động Khi chưa nhấn Start hệ thống đèn báo đỏ báo hệ thống k hoạt động

ỨNG DỤNG CỦA ĐỀ TÀI TRONG THỰC TIỄN

Ứng dụng đề tài trong thực tiễn

Tự động hoá là ngành công nghệ mà con người trong thời đại hiện nay đang hướng tới nhằm giảm bớt sức lao động chân tay trong các hoạt động sản xuất cũng như trong sinh hoạt hàng ngày. Điều khiển tự động và tự động hóa là một trong những phương hướng phát triển chủ yếu của công nghiệp sản xuất Tự động hoá và điều khiển tự động cho phép sử dụng tối đa các tiềm năng sẵn có, đáp ứng yêu cầu ngày càng cao đối với các trang thiết bị hiện đại Việc ứng dụng thành công các thành tựu của lý thuyết điều khiển tối ưu, công nghệ thông tin, công nghệ máy tính, công nghệ điện - điện tử và các lĩnh vực khoa học kỹ thuật khác trong những năm ngần đây đã dẫn đến sự ra đời và phát triển thiết bị điều khiển lập trình PLC.

Công nghệ tự động giám sát và điều khiển mức chất lỏng cũng được nhiều công ty, xí nghiệp cũng như các nhà máy ứng dụng nhằm thay thế việc giám sát và điều khiển mức chất lỏng bằng phương pháp thủ công, công nghệ tự động giám sát mức chất lỏng đảm bảo việc kiểm soát, điều khiển lưu lượng chất lỏng sử dụng, bơm, xả chất lỏng một cách tin cậy mà không cần sự kiểm tra trực tiếp của con người Công nghệ này được ứng dụng nhiều trong việc xứ lý nước thải, lọc hoá dầu, nhà máy nước,nhà máy thuỷ điện, hệ thống làm mát nhiệt điện, hệ thống làm mát điện hạt nhân, các bể nước, tháp nước tự động…

Vấn đề quản lý các loại chất lỏng như: Nước, Dầu mỏ, Xăng, Nước thải, làm sao cho hiệu quả đang là vấn đề được nhiều người, nhiều tổ chức quan tâm trong thời đại hiện nay Đề tài “Điều khiển và giám sát mức nước” được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực Công Nghiệp, Nông Nghiệp, ở nhiều Công ty, Xí nghiệp và các nhà máy, đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực giám sát và quản lý chất lỏng ở nhiều lĩnh vực khác nhau.

Có nhiều phương pháp để giám sát và quản lý chất lỏng, kể đến có phương pháp thủ công và ứng dụng điều khiển tự động, ngày nay phương pháp giám sát và quản lý chất lỏng phần lớn được tự động hoá nhằm giảm bớt sức lao động của con người và đề tài

“Điều khiển và giám sát mức nước trong bể chứa bằng PLC‟ cũng được nhiều cá nhân và tổ chức ứng dụng.

1.1.2.2 Một số lĩnh vực ứng dụng công nghệ “Điều khiển và giám sát mức chất lỏng” trong thực tế a Lĩnh vực sản xuất Điện

Phần lớn việc quản lý và giám sát chất lỏng trong các nhà máy nhiệt điện tập trung vào hệ thống làm mát cho các bình ngưng.

Hình 1.1: Hệ thống làm mát bình ngưng trong một nhà máy nhiệt điện

Trong nhà máy nhiệt điện đốt than dùng Tuabin ngưng hơi, hệ thống tuần hoàn bình ngưng làm nhiệm vụ rất quan trọng trong chu trình nhiệt Nó giúp thải một nhiệt lượng rất lớn (khoảng 40 - 45%) lượng nhiệt mà nước nhận được từ lò hơi Tuy nhiệt lượng phải thải đi là lớn nhưng lại phải diễn ra ở điều kiện nhiệt độ thải nhiệt gần với nhiệt độ môi trường Chính vì vậy mà hiệu quả thải nhiệt của nó và do đó hiệu quả của chu trình nhà máy nhiệt điện bị phụ thuộc rất mạnh và nhạy cảm vào những yếu tố môi trường và điều kiện truyền nhiệt trong bình ngưng.

Công nghệ quán lý và giám sát mức nước cũng được ứng dụng nhiều trong các hệ thống làm mát ở các nhà máy nhiệt điện

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý một nhà máy điện hạt nhân

Thuỷ điện là nguồn điện có được từ năng lượng nước, đa số năng lượng thuỷ điện có được từ thế năng của nước tích tại các đập nước làm quay Tuabin nước và máy phát điện.

Do việc lấy nước là năng lượng chính trong việc sản xuất điện nên việc điều tiết nước sao cho hợp lý và hiệu quả tuỳ vào thời điểm, lượng tiêu thụ điện, cũng như đảm bảo việc xả nước cho hạ du cần được tự động hoá để đảm bảo tính chính xác, tính hiệu quả và hợp lý. Ở các nhà máy thuỷ điện thường có hệ thống tự động đo và điều chỉnh lưu lượng nước trong hồ, lưu lượng nước chảy vào hệ thống điều khiển Tuabin làm quay máy phát điện Nhằm đảm bảo tính hiệu quả trong sản xuất, Thuỷ điện cũng có thể áp dụng đề tài

“Điều khiển và giám sát mức nước” vào việc sản xuất Điện. b.Lĩnh vực xử lý nước thải

Nước thải có mặt ở khắp nơi, đặc biệt các khu công nghiệp, các nhà máy, xí nghiệp, bệnh viện…

Trong nhiều năm trở lại đây việc ứng dụng công nghệ vào công tác xử lý nước thải đã được nhiều cơ quan tổ chức ứng dụng nhằm thực hiện chiến lược bảo vệ môi trường.

+ Ví dụ về một hệ thống xử lý nước thải :

Nước thải có mặt ở khắp nơi, đặc biệt các khu công nghiệp, các nhà máy, xí nghiệp, bệnh viện…

Trong nhiều năm trở lại đây việc ứng dụng công nghệ vào công tác xử lý nước thải đã được nhiều cơ quan tổ chức ứng dụng nhằm thực hiện chiến lược bảo vệ môi trường. + Ví dụ về một hệ thống xử lý nước thải :

Hình 1.3: Quy trình công nghệ xử lý nước thải mực in

Từ quy trình trên ta thấy được các bể chứa nước thải đều được liên kết với nhau một cách logic và có quan hệ với nhau theo dây chuyền, do vậy nước thải trong các bể chứa phải được giám sát và điều khiển một cách hợp lý nhằm tăng hiệu suất của hệ thống và giảm chi phí vận hành Hệ thống này cũng có thể ứng dụng đề tài “Điều khiển và giám sát mức nước” c Nhà máy sản xuất nước

Nhà máy cung cấp nước đô thị:

Tại các thành phố thì nước sạch cần phải được cung cấp đầy đủ nhằm đảm bảo một cách đầy đủ nhu cầu sinh hoạt của người dân. Điều chú ý là việc cấp nước phải luôn đáp ứng được nhu cầu sử dụng, lượng nước tiêu thụ là không xác định nên hệ thống cấp nước phải được điều khiển làm sao để áp suất bơm trong đường ống luôn ổn định.

Hình 1.4: Cấu trúc hệ thống điều khiển một nhà máy nước

Công nghệ “ Điều khiển và giám sát mức nước” cũng có thể áp dụng hiệu quả trong lĩnh vực sản xuất nước sạch.

Nhà máy sản xuất nước tinh khiết

Hầu hết các nhà máy sản xuất nước tinh khiết cung cấp trên thị trường đều sử dụng công nghệ giám sát mức chất lỏng để điều khiển hệ thống.

Nước được bơm từ nguồn đưa qua hệ thống lọc nước gồm: Bồn lọc Lon, bồn lọc cơ học, bồn lọc than, qua khâu khử trùng bằng tia cực tím và đưa đến đầu ra.

Hình 1.5: Công nghệ sản xuất nước tinh khiết d.Công nghệ lọc hoá dầu, tháp nước tự động, trạm bơm nước lớn

Lọc hoá dầu, tháp nước và các trạm bơm nước lớn tự động cũng là các lĩnh vực có thể áp dụng công nghệ “ Điều khiển và giám sát mức nước” để nâng cao hiệu quả sản xuất.

CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG

TÌM HIỂU CÁC THIẾT BỊ VẬN HÀNH

2.1 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH

Mô hình “Điều khiển mức chất lỏng bằng PLC” Hầu hết sử dụng các thiết bị điện có nguồn cung cấp là xoay chiều một pha (220V) Các thiết bị được sử dụng rộng rãi trong thực tế gồm:

- Đông cơ bơm KĐB 3 pha 0.75kW

- Van xả chất lỏng, ống nhựa phi 27

- Một bể kính điều khiển kích thước (20x20x25 cm)

- Một bể kính cấp nước cho bể điều khiển kích thước

Do mô hình được thiết kế để phục vụ công tác giảng dạy nên có kích thước nhỏ hơn thực tế, một số các thiết bị trên mô hình có công suất nhỏ hơn nhiều so với thực tế nên chưa hoàn toàn bám sát thực tế.

2.2 CÁC THIẾT BỊ VẬN HÀNH

Biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều từ tần số này sang dòng điện xoay chiều có tần số khác có thể thay đổi được Đối với các biến tần dung trong việc điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều thì ngoài việc thay đổi tần số thì nó còn có thể thay đổi điện áp ra khác với điện áp cấp vào biến tần.

Biến tần thường chia làm hai loại:

- Biến tần gián tiếp a Biến tần trực tiếp

Biến tần trực tiếp là bộ biến đổi tần số trực tiếp từ lưới điện xoay chiều không thông qua khâu trung gian một chiều Tần số ra được điều chỉnh nhảy cấp và nhỏ hơn tần số lưới ( f1 < flưới ) Loại biến tần này hiện nay ít được sử dụng. b Biến tần gián tiếp Để biến đổi tần số cần thông qua một khâu trung gian một chiều vì vậy có tên gọi là biến tần gián tiếp.

2.2.1.3 Tầm quan trọng của biến tần trong công nghiệp.

Biến tần với chức năng điều khiển vô cấp tốc độ động cơ cho phép người sử dụng điều chỉnh tốc độ động cơ theo nhu cầu và mục đich sử dụng

Chức năng điều khiển tốc độ đông cơ lên tối đa 16 cấp với khả năng kiểm soát thời gia tốc/ giảm tốc, nhiều mức công suất phù hợp với nhiều loại động cơ Có chức năng bảo vệ quá tải, quá áp, thấp áp, quá dòng, thấp dòng, quá nhiệt động cơ, nối đất… nó giúp người vận hành yên tâm không phải lo lắng về vấn đề mất kiểm soát trong quá trình vận hành

Biến tần giúp các dây chuyền hoạt động tối ưu: tiết kiệm điện năng, đồng bộ các thiết bị (động cơ) hoạt động trơn tru, than thiện với người sử dụng và giẩm thiểu chi phí bảo trì – bảo dưỡng.

Trong thực tế có rất nhiều hoạt động trong công nghiệp có lien quan đến tóc độ động cơ điện Đôi lúc có thể xem sự ổn định của tốc độ đông cơ mang yếu tố sống còn của chất lượng sản phẩm, sử ổn định của hệ thống… Ví dụ: máy ép nhựa làm đế giày, cán thếp, hệ thống tự đông pha trộn nguyên liệu,…Vì thế, việc điều khiển và ổn định tốc độ động cơ được xem như vấn đề chính yếu của các hệ thống điều khiển trong công nghiệp.

Hình 2.1: Biến tần LS IC5

Các đặc trưng của biến tần IC5 Điều khiển theo vectơ cảm biến: IC5 sử dụng thuật toán điều khiển theo vectơ không cảm biến, và nó được cải tiến để không chỉ điều chỉnh được các đặc tuyến momen mà còn điều chỉnh tốc độ trong điều kiện không ổn định do phụ tải thay đổi.

Tự động dò thông số: Thuật toán tự động dò thông số trong iC5 đặt các hệ số động cơ tự động làm cho những cản trở chủ yếu ở tốc độ thấp do sự thay đổi của tải và momen thấp sản sinh để duy trì ổn định.

Khó khăn trong đo lường động cơ không đổi.

+Các lỗi đầu vào do người sử dụng.

+Momen thấp ở tốc độ thấp.

+Tốc độ thấp do sự thay đổi tải.

+Cài đặt bởi chuyên gia.

+Cài đặt bởi người sử dụng

+Momen được cải thiện ở tốc độ thấp.

+Tự động dò thông số động cơ

+Điều khiển động cơ ổn định.

Chuyển đổi tín hiệu PNP và NPN: IC5 thiết lập tín hiệu PNP và NPN cho các bộ điều khiển bên ngoài Nó làm việc ở điện áp 24VDC mà không phụ thuộc vào dạng tín hiệu PLC hay các thiết bị khác.

Giao tiếp bề mặt, Modbus-RTU: IC5 cung ứng giao tiếp bề mặt, ModBus-RTU thông dụng nhất, cho điều khiển từ xa bằng PLC hoặc các thiết bị khác.

Quy trình điều khiển PID: Quy trình điều khiển PID được sử dụng trong iC5 làm tốc độ hiệu chỉnh nhanh với độ chính xác của sự vọt lố và dao động cho điều khiển lưu lượng, nhiệt độ, áp suất….

Hình 2.3: Thông số biến tần IC5

Bảng 2.1: Đặc điểm kỹ thuật ( Mức200-230V)

SV 008 IC5 1 Điện áp vào Tên sản phẩm Động cơ danh định

Hình 2.2: Ý nghĩa tên của biến tần Ls Đầu vào danh định Điện áp Tần số

Bảng 2.2: Điều khiển của biến tần

Phương thức điều khiển Điều khiển V/F, Điều khiển theo vectơ cảm biến

Cài đặt tần số Tham chiếu digital:

Tham chiếu analog: 0.06Hz/60Hz

Cài đặt tần số chính xác digital : 0.01% của tần số ra max digital : 0.1% của tần số ra max

Tỷ lệ V/F Thẳng, vuông, sử dụng

Khả năng chịu quá tải

1 phút ở 150%, 30s ở 200% ( Với đặc trưng đảo ngược)

Tăng Momen Bằng tay ( Điều chỉnh 0 đến 15%), Tự động

Bảng 2.3: Hoạt động của biến tần

Tín hiệu vào Điều khiển hoạt động

Mở rộng thời gian tăng/ giảm tốc độ

Bàn phím/ Từ xa/ Truyền thông

∙ Giao tiếp: RS485 Forward / Reverse Cài đặt lên 8 tốc độ ( Sử dụng chức năng mở rộng kết nối) 0,1 ~ 6000s.Max 8 dạng có thể sử dụng chức năng mở rộng kết nối

Dừng khẩn Jog Reset lỗi

Có thể lựa chọn được đặc tuyến tăng/ giảm tốc: Thẳng, U hoặc S. Ngắt đầu ra Biến tần Hoạt động Jog Reset lỗi khi chức năng bảo vệ được kích hoạt.

Trạng thái hoạt động Đầu ra lỗi

Bộ Điều Khiển PLC S7-1200

Bộ điều khiển logic khả trình (PLC) S7-1200 mang lại tính linh hoạt và sức mạnh để điều khiển nhiều thiết bị đa dạng hỗ trợ các yêu cầu về điều 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 để giám 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

Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ việc truy xuất đến cả CPU và chương trình điều khiển:

Mỗi CPU cung cấp một sự bảo vệ bằng mật khẩu cho phép người dùng cấu hình việc truy xuất đến các chức năng của CPU

Người dùng có thể sử dụng chức năng “know-how protection” để ẩn mã nằm trong một khối xác định.

CPU cung cấp một cổng PROFINET để giao tiếp qua một mạng PROFINET. Các module truyền thông là có sẵn dành cho việc giao tiếp qua các mạng RS232 hay RS485.

2.4.1 Cấu trúc chung của PLC

PLC được nhiều hãng chế tạo, và mỗi hãng có nhiều họ khác nhau, và có nhiều phiên bản trong mỗi họ, chúng khác nhau về tính năng và giá thành, phù hợp với bài toán đơn giản hay phức tạp Ngoài ra còn có các bộ ghép mở rộng cho phép ghép nhiều bộ PLC nhỏ để thực hiện các chức năng phức tạp, hay giao tiếp với máy tính tạo thành một mạng tích hợp, việc thực hiện theo dõi, kiểm tra, điều khiển một quá trình công nghệ phức tạp hay toàn bộ một phân xưởng sản xuất Mặc dù vậy, một hệ thống điều khiển dùng bất cứ loại PLC nào đều cũng có cấu trúc sau:

- Ngõ vào dạng số: Gồm hai trạng thái ON và OFF Khi ở trạng thái ON thì ngõ vào số được coi như ở mức logic 1 hay mức logic cao Khi ở trang thái OFF thì ngõ vào có thể đươc coi như ở mức logic 0 hay mức logic thấp.

- Ngõ ra số: Gồm hai trạng thái ON và OFF Các ngõ ra này thường được nối ra để điều khiển các cuộn dây contactor, đèn tín hiệu,…

- Thiết bị đầu vào: Các thiết bị tạo ra tín hiệu điều khiển thường là nút nhấn, cảm biến.

- Thiết bị chấp hành(Autuator): Là thiết bị biến đổi tín hiệu điện từ PLC thành một tác động vật lý Autuator được nối với ngõ ra của PLC

- Chương trình điều khiển: Một chương trình bao gồm một hay nhiều lệnh nhằm thực hiện một nhiệm vụ cụ thể Việc lập trình cho PLC chỉ đơn giản là xây dựng một tập hợp các lệnh Để lập trình cho PLC này, lập trình hình thang (LAD) hay dạng câu lệnh(STL) Chương trình điều khiển định ra quy luật thay đổi tín hiệu output ở phía đầu ra củaPLC theo sự thay đổi tín hiệu input ở phía đầu vào theo mong muốn và chạy phần mềm điều khiển trên máy tính PC và được nạp vào PLC thông qua cáp, nối giữa PLC và PC hay PG.

+ Thiết bị lập trình (PG/PC): Chương trình viết trong thiết bị lập trình và truyền xuống PLC.

+ Cáp kết nối (cáp PPI): Thiết bị cần thiết để truyền dữ liệu từ thiết bị lập trình xuống PLC.

PLC đều có thành phần chính là: Một bộ nhớ chương trình RAM bên trong (có thể mở rộng thêm một số bộ nhớ ngoài EPROM).

Một bảng tín hiệu (SB) cho phép người dùng thêm vào I/O cho CPU Người dùng có thể thêm một SB với cả I/O kiểu số hay kiểu tương tự SB kết nối vào phía trước của CPU  SB với 4 I/O kiểu số (ngõ vào 2 x DC và ngõ ra 2 x DC)  SB với 1 ngõ ra kiểu tương tự.

1 Các LED trạng thái trên SB

2 Bộ phận kết nối nối dây của người dùng có thể tháo ra

Người dùng có thể sử dụng các module tín hiệu để thêm vào CPU các chức năng. Các module tín hiệu kết nối vào phía bên phải của CPU.

1 Các LED trạng thái dành cho I/O của module tín hiệu

2 Bộ phận kết nối đường dẫn

3 Bộ phận kết nối nối dây của người dùng có thể tháo ra

Họ S7-1200 cung cấp các module truyền thông (CM) dành cho các tính năng bổ sung vào hệ thống Có 2 module truyền thông: RS232 và RS485.

 CPU hỗ trợ tối đa 3 module truyền thông

 Mỗi CM kết nối vào phía bên trái của CPU (hay về phía bên trái của một CM khác)

1 Các LED trạng thái dành cho module truyền thông

2 Bộ phận kết nối truyền thông

Phần mên lập trình TIA Portal V14

Phần mềm SIMATIC TIA Portal STEP7 Basic chạy hệ điều hành Windows, phần mềm làm nhiệm vụ trung gian giữa người lập trình và PLC

 Để lập trình SIMATIC S7-1200 từ PC hay Laptop cần một kết nối TCP/IP

 Để PC và SIMATIC S7-1200 có thể giao tiếp với nhau, điều quan trọng là các địa chỉ IP của cả hai thiết bị phải phù hợp với nhau Sau đây là cách tạo một project trên

Một số thao tác cơ bản khi làm quen với phần mềm

Bước 1: Từ màn hình desktop nhấp đúp chọn biểu tượng Tia Portal V14

Hình 2.8: Biểu tượng của phần mền

Bước 2: Click chuột vào Create new project để tạo dự án

Hình 2.9: Giao diện taok Project

Bước 3: Nhập tên dự án vào Project name sau đó nhấn create new project

Bước 5: Chọn add new device

Bước 6: Chọn loại CPU PLC sau đó chọn add

Hình 2.13: Chọn loại CPU PLC sau đó chọn add

Bước 7: Project mới được hiện ra

Giao diện giám sát Wincc

WinCC là một trong những chương trình ứng dụng cho mạng HMI, Scada trong lĩnh vực dân dụng cũng như công nghiệp.

WinCC (Windows Control Center) là phần mềm của hãng Siemens dùng để giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu trong quá trình sản xuất Nói rỏ hơn, 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: Siemens, Mitsubishi, Allen braddly, Omron, thông qua cổng COM với chuẩn RS232 của PC và chuẩn RS485 của PLC.

Với WinCC, ta có thể tận dụng nhiều giải pháp khác nhau cho để giải quyết công việc, từ thiết kế cho hệ thống có quy mô nhỏ đến quy mô lớn, hệ thống thực hiện sản xuất – MES (Manufacturing Excution System) WinCC có thể mô phỏng bằng hình ảnh các sự kiện xảy ra trong quá trình điều khiển dưới dạng chuổi sự kiện Để đáp ứng yêu cầu công nghệ ngày càng phát triển, WinCC cung cấp nhiều hàm chức năng cho mục đích hiển thị, thông báo, ghi báo cáo, xử lý thông tin đo lường, các tham số công thức, và là một trong những chương trình thiết kế giao diện Người và Máy – HMI được tin dùng nhất hiện nay.

2.6.2 Chức năng của WinCC(HMI)

Quá trình được hiển thị trên thiết bị HMI(Wincc) Màn hình trên thiết bị HMI được cập nhật một cách năng động Điều này được dựa trên các sự chuyển tiếp quá trình.

 Điều khiển vận hành của quá trình:

Người vận hành có thể điều khiển quá trình bởi GUI Ví dụ, người vận hành có thể đặt trước các giá trị tham khảo cho điều khiển hay khởi động một động cơ.

 Hiển thị các cảnh báo:

Các quá trình nghiêm trọng tự động khởi phát báo động, ví dụ, khi giá trị đặt được vượt quá.

 Lưu trữ các giá trị và cảnh báo quá trình:

Hệ thống HMI có thể ghi lại các cảnh báo và giá trị quá trình Tính năng này cho phép bạn lưu giữ các dãy quá trình và lấy ra các dữ liệu của sản xuất từ trước.

 Ghi chép các cảnh báo và các giá trị quá trình:

Hệ thống HMI có thể đưa ra các báo cáo giá trị quá trình và các cảnh báo Tính năng này cho phép bạn in ra các dữ liệu sản xuất ở cuối của ca làm việc.

 Quản lí thông số máy móc và quá trình:

Hệ thống HMI có thể lưu giữ các thông số của các quá trình và máy móc dưới dạng công thức Ví dụ, bạn có thể download những thông số trên một đường dẫn từ thiết bị HMI tới PLC để thay đổi toàn kiểu sản xuất của sản phẩm.

Các bước cấu hình và kết nối wincc với plc

THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Sơ đồ khối của hệ thống

Sơ đồ khối của hệ thống a Chương trình đã soạn thảo

Là chương trình(code) đã được soạn thảo trên phần mền hỗ trợ lập trình PLC S7-

1200 TIA Portal và dc nạp xuống khối sử lý trung tâm

Hình 3.2: Giao diện soạn thảo b Khối sử lý trung tâm

Gồm có PLC S7-1200 CPU 1211C AC/DC/RLY để điều khiển vận hành toàn bộ hệ thống

Hình 3.3: Plc sử lý c Khối chấp hành

 Là khối chứa giao diện đã thiết kế trên WinCC để giám sát

Hình 3.4: Giao diện giám sát

Nguyên lý hoạt động

Khi chưa nhấn Start hệ thống đèn báo đỏ báo hệ thống k hoạt động

Nhấn Start đèn báo Start sang báo hệ thống hoạt động Có 2 chế độ :

+ Chế độ Auto: Nhấn nút Auto đèn báo Auto sáng, Nhập giá trị mong muốn SetPoint để hệ thống PLC tự sử lý vào đưa ra tần số cho động cơ.Cảm biến thế tích chất lỏng sẽ chuyển báo thể tích chất lỏng về bộ điều khiển PID.

+Chế độ Manual: Nhấn nút Manual đèn Manual sang,Nhấn nút On bật động cơ bơm

Off tắt động cơ bơm

Cảm biến áp xuất trong đường ống sẽ gửi vể giá trị áp xuất của đường ô, nếu giá trị vượt quá giá trị chịu được ap suất của đường ông thi hệ thống sẽ báo Sự cố đường ống vời chờ kĩ thuật viên sử chữa,sau đó nhấn nút khắc phục

Lưu đồ thuật toán

Đánh giá hệ thông thiết kết

Trong vòng 1 tháng làm đồ án, em đã nghiên cứu đạt được các kết quả như sau: Nghiên cứu sâu hơn về các dòng PLC đặc biệt là dòng S7 -1200.

Nghiên cứu sử dụng được cảm biến vật cản hồng ngoại áp suất

Nghiên cứu được một số hệ thống cấp nước

Nghiên cứu và thiết kế giao diện giám sát và điều khiển Wincc.

Tìm hiểu và biết các sử dụng phần mềm lập trình PLC —TIA Portal Ưu, nhược điểm của hệ thống

 Thiết kế giao diện đẹp mắt đơn giản dễ hiểu.

 Nguyên lý hoạt động theo đúng yêu cầu của bài toán

 Ứng dụng thực tế cao được sử dụng nhiều trong công nghiệp

 Giao diện quả lý trực quan, dễ giám sát và sử dụng thuận tiện hơn trong việc giám sát và điều khiển hệ thống

 Hệ thống còn chưa ổn định, chưa có sản phẩm mô hình tương tự

Phương hướng phát triển

Một số hướng phát triển để hoàn thiện đề tài:

- Kết nối Web Server giám sát thông số.

- Thiết kế giao diện Web để quản lý hệ thống từ xa.

CHƯƠNG TRÌNH

 Khối chương trình chính Main[OB1]

 Khối Cyclic interrupt [OB30]: Khối đọc giá trị thu được mức nước

 Khối AnaLog_Input [FC2]: Khối đọc về Analog điều khiển đầu vào

 Khối AnaLog_Output [FC1]: Khối đọc về Analog điều khiển đầu ra

 Khối Ap_Suat [FC3]: khối thiết kế điều khiển áp suất nước trong hệ thống.

Thiết kế hệ thống

3.7.1 Thiết kế hệ thống bằng WINCC