Đồ án môn học thiết bị Điều khiển

KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN Độc lập — Tự do — Hạnh phúc ĐỎ AN MON HOC THIET BI DIEU KHIEN Đề 7 Thiết kế điều khiển hệ thống ba động cơ làm việc luân phiên với bai chế độ Hoạt động của máy theo

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN

DA HOC DIEN LỰC

ELECTRIC POWER UNIVERSITY

DO AN MON HOC THIET BI DIEU KHIEN

Gido vién huéng dan : TS LUU THI HUE

Sinh vién thuc hién =: TRINH QUANG LINH

KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN Độc lập — Tự do — Hạnh phúc

ĐỎ AN MON HOC THIET BI DIEU KHIEN

Đề 7

Thiết kế điều khiển hệ thống ba động cơ làm việc luân phiên với bai chế độ Hoạt động của máy theo hai chế độ như sau:

- Chế độ 1: Nhắn nút start máy l và máy 2 chạy Nhân KĐ3 máy 3 chạy khi máy l và

máy 2 vẫn chạy Sau khi máy 3 chạy được 50 phút thì máy | đừng lại

- Chế độ 2: Nhắn start thì ca ba máy chạy luân phiên cách nhau 10 phút, lặp lại chu ky

3 lần rồi tự chuyển sang chế độ 1, chờ người vận hành nhân start dé bắt đầu chế độ I làm việc Hai chế độ hoạt động độc lập, chưa chọn chế độ hoạt động thì nhân nút start

không có tác dụng Trong khi I trong 2 chế độ đang vận hành nhắn nút chọn chế độ bat ky thì hệ thống sẽ dừng và chuyển sang chế độ tương ứng Nút start dùng chung

Chương 3: Các thiết bị sử dụng trong hệ thông

3.1 Yêu cầu công nghệ

3.2 Nút chọn chế độ

3.3 Nút nhắn

3.4 Động cơ không đồng bộ ba pha

3.5 Các thiết bị phụ trợ khác

Chương 4: Thiết kế điều khiên cho hệ thống

4.1 Giản đồ thời gian cho 2 chế độ

4.2 Thiết kế mạch lực

4.3 Thiết kế mạch điều khiển

4.4 Sơ đồ đi dây

4.5 Kết quả mô phỏng

Kết luận

MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU

Chương 1: Tổng quan về các hệ thống làm việc luân phiên - 52s 5c: 1

Churong 2: PLC S7 = 1200.000.00 00.ccccccceccsssessstessessssessessesssssetstssssesstsseeseessntinssessneeeesees 3 2.1 Giới thiệu về PLC §7 — 12001 - 22: 212221222122112211221122112112221.1121 2e 3 2.2 PLC §7 - 1200 CPU 1212 AC/DC/Relay: ©2252 2S22112212112 11112 E1 e6 5

2.4 Phần mềm cho PLC S7 — 1200: 2-5222 2E2212212221221221221271211221211 22 tre 9 Chương 3: Các thiết bị sử dụng trong hệ thống - St tt re rrưên 15

3.1 Yêu cầu công nghệ 1 ST tt 1111222111 12111 1 H11 nu 15

3.2 Nut nhan chon ché d6 0c0.ccccccccccccsssessesssessessssestsssssssesensssesinssvesenssveseetssesenensees 15 3.3 Nút nhấn - ¿©2121 2212212221211221121121112112112 1121211212212 re l6

3.4 Động cơ không đồng bộ ba pha S5 ST 1E E212 2112212121211 rrre 16

3.5 Các thiết bị phụ trợ khác - + ss 2 1 112111121121111 22111 1 tk HH He re 16

Chương 4: Thiết kế điều khiển cho hé th6ng 0.0 0 0.ccccccccccccccececssesceseseereeevsrees 19

4.1 Giản đồ thời gian cho 2 chế độ -5- s SE E1 112111 112111121 1111 are ra 19

AD Thiét ké mach We cccccccccccccscscscsescscssevsesesesvsssesestsssesssssesesesevesesesseseseveveveveceeaveves 20

4.3 Thiết kế mach didu Khi6n o.oo ccccccecsssessssvesesessesesessessvesseesesetesenssseetinesees 21

4.5 Kết quả mô phỏng - - S25 1 EEE121E11211111111110 11 121110121 1E 24

KẾT LUẬN - 5 5c 1 E2 E212 2n HH HH nh HH ghe 25

LOI MO DAU

Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, việc tối ưu hóa hiệu suất và độ tin cậy của các

hệ thông máy móc là hết sức quan trọng Đặc biệt, trong các ứng dụng đòi hỏi sự liên

tục và ôn định của quá trình vận hành, việc thiết kế một hệ thông điều khiển động cơ linh hoạt và hiệu quả trở nên cần thiết Việc phân phối công việc một cách đều đặn

giữa các động cơ không chỉ giúp giảm thiêu sự mài mòn do hoạt động liên tục gây ra,

mà còn đảm bảo rằng không có động cơ nào bị quá tải Điều này đặc biệt quan trọng

trong các ngành công nghiệp nặng né, noi ma viéc thay thế hoặc sửa chữa động cơ có

thê gây ra đình trệ sản xuất và tốn kém chỉ phí Đồ án này tập trung vào việc thiết kế một hệ thống điều khiển cho ba động cơ, cho phép chúng làm việc luân phiên nhằm mục đích tăng cường tuôi thọ của từng động cơ và cải thiện tổng hiệu suất của hệ thống

Trong thời gian thực hiện đề tài cùng với sự cố gắng tìm hiểu của bản thân em đã nhận được rất nhiều từ các thầy cô trong khoa Đặc biệt là giảng viên TS LƯU THỊ HUE đã hướng dẫn em làm đề tài nảy

Song với kiến thức còn hạn chế nên bài làm của em không thể tránh khỏi những thiếu sót Do vậy em kính mong nhận được sự góp ý chỉnh sửa của các thầy cô cùng

với sự giúp đỡ của các bạn đề em có thể hoàn thiện đề tài của mình và hoàn thành tốt việc học tập trong nhà trường

Em xm chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 15 tháng 04 năm 2024

Sinh viên thực hiện

Trinh Quang Linh

Chương 1: Tống quan về các hệ thống làm việc luân phiên

Bơm nước được ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực của đời sống và sản xuất, trong đó hệ thông đa bơm được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và sinh hoạt như trạm cấp nước, trạm xử lí nước, các chung cư cao tầng, hệ thống sục khí nuôi tôm, bơm máy nhuộm, bơm cứu hỏa, bơm cát và hàng loạt ứng dụng khác

Một hệ thống bơm cung cấp nước liên tục thường được xây dựng ở chế độ bơm luân phiên, tức là các bơm sẽ thay nhau làm việc trong một khoảng thời gian nhất định

thì sẽ chuyển sang bơm khác hoạt động Nhằm mục đích đảm bảo an toàn cho hệ thong, tính liên tục của hệ thong, dam bảo việc kéo dài tuổi thọ cho bơm Một tủ

điện điều khiển bơm luân phiên về cơ bản sẽ bao gồm các thành phần như sau:

- Cung cấp nguôn và bảo vệ: Chủ yêu sử đụng Aptomat đề cấp nguồn tong cho tu điện, các bộ nguồn 24VDC nếu cần thiết

- Mạch lực điều khiển: Có thể sử dụng Contactor hoặc biến tần nhiệm vụ chính là

dé bat tắt động cơ bơm

— Mach điều khiên: Là sự kết hợp giữa Relay trung gian, Nút nhắn, Đèn bao, Timer

định thời gian luân phiên, Có thể tích hợp chung đề sử dụng PLC, HMI

— Hién thi: Dong hé do V, A

zi

Việc áp dụng hệ thống điều khiên bơm nước luân phiên có nhiều lợi ích quan trọng, bao gôm:

- Cân băng tải công suất: Khi sử dụng nhiều bơm nước trong một hệ thống, việc luân phiên hoạt động các bơm giúp cân bằng tải công suất giữa chúng Điều này giúp

tránh tình trạng quá tải hoặc thiếu tải cho một bơm cu thé, tăng tuổi thọ và hiệu suất

hoạt động của các bơm trong thoi gian dai

- Đảm bảo liên tục cung cấp nước: Khi một bơm gặp sự cô hoặc cần được báo dưỡng, các bơm khác trong hệ thống có thể tiếp tục hoạt động để đảm bảo liên tục cung cấp nước Điều này làm giảm nguy cơ mat nước đột ngột và hạn chế tác động xấu lên các quá trình sử đụng nước như trong các công trình, nhà máy hoặc các khu dân cư

- Tăng hiệu suất và tiết kiệm năng lượng: Sử dụng nhiều bơm nước đồng thời trong tủ điện bơm nước luân phiên giúp tăng hiệu suất hoạt động Khi các bơm được

kích hoạt tuần tự, hệ thông có thê khắc phục hiện tượng hệ thống nước “đâm” (water

hammer) và giảm mất áp suất Đồng thời, điều khiển các bơm để hoạt động ở mức công suất tôi ưu cũng giúp tiết kiệm năng lượng

- Giảm tác động môi trường: Bằng cách tận dụng tối đa các bơm có sẵn trong hệ thống, tủ điện bơm nước luân phiên giảm cần sử dụng thêm bơm mới hoặc công suất cao hơn Điều này giúp giảm lượng vật liệu và năng lượng tiêu thụ để sản xuất các bơm mới, giảm tác động môi trường và tiết kiệm tài nguyên

Chuwong 2: PLC Š7 —- 1200

2.1 Giới thiệu về PLC S7 — 1200:

2.1.1 Khái niệm:

PLC viết tắt của Programmable logic controller, 1a thiết bị điều khiển có thể lập

trình được (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiến logic thông qua một ngôn ngữ lập trình Một khi sự kiện được kích hoạt thật sự, nó bật ON hay OFF thiết bị điều khiển bên ngoài được gọi là thiết bị vật lý Một bộ điều khiên

lập trình sẽ liên tục “lặp” trong chương trình do “người sử dụng lập ra” chờ tín hiệu ở

ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ ra tại các thời điểm đã lập trình

Đề khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối( bộ điều khiển

bằng Relay) người ta đã chế tạo ra bộ PLC nhằm thỏa mãn các yêu cầu:

- Giảm 80% số lượng dây nói

- Số lượng rơle và timer ít hơn nhiều so với hệ thông điều khiến cỗ điền

- Lập trình đễ dàng, ngôn ngữ lập trình đễ đọc

- Gon nhe, dé dang bao quan, sửa chữa

- Dung lượng bộ nhớ lớn đề có thê chứa được những chương trình phức tạp

- Giá cả có thể cạnh tranh được

2.1.2 Tổng quan về PLC S7 — 1200:

— S7-1200 ra đời năm 2009 dùng đề thay thế dần cho S7-200 So với S7-200 thì S7-

1200 có những tính năng nỗi trội hơn

— 7-1200 được thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, và một tập lệnh mạnh giúp những

giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng với 87-1200

— S7-1200 cung cấp một công PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP

+ Các thành phần của PLC S7-1200 bao gồm:

— 3 bộ điều khiển nhỏ gọn với sự phân loại trong các phiên bản khác nhau giống như

điều khiển AC, RELAY hoặc DC phạm vi rộng

— 2 mạch tương tự và số mở rộng ngõ vào/ra trực tiếp trên CPU làm giảm chỉ phí sản pham

— 13 module tin hiệu số và tương tự khác nhau bao gém (module SM va SB)

—2 module giao tiếp RS232/RS485 đề giao tiếp thong qua két noi PTP

Removable user wiring con- nectors (behind the doors) Status LEDs for the on- board I/O

PROFINET connector (on the bottom of the CPU)

Ví du cau tao cua 1 dong S7 - 1200

M6 ta:

1 Nguồn kết nói (AC/DC)

2 Khe cắm thẻ nhớ mở rộng

3 Tam chan bao vé

4 Đèn LEDs hiển thị các vi trí đầu vào và ra

5 Giao thức kết nỗi PROFINET

2.2 PLC S7 — 1200 CPU 1212 AC/DC/Relay:

+ Tích hợp nguồn 24 V cho encoder hoặc cảm biên Nguồn dòng 300 mA sử dụng

cho các loại tải khác

+ Tích hợp 8 ngõ DI 24 VDC, 6 ngõ DO,

+ 2 nguồn xung với tần số lên đến 100kHz

+ Tích hợp giao tiếp Ethemet (TCP/IP native, ISO-on-TCP)

+6 counter với 3 counter 100 kHz va 3 counter 30 kHz

+ Board tín hiệu mở rộng tương tự hoặc số được cắm trên CPU

+ Tích hợp điều khiển PID, và đồng hồ thời gian thực

PLC 87 - 1200 AC/DC/Relay sử dụng nguồn cung cấp cho CPU là AC(220V), dau vào (DI) là DC(24V), dau ra(DO) la Relay

RELAY DC24V

2.3 Các tập lệnh sử dụng:

a Ngõ vào, ngõ ra:

Ngõ vào và ngõ ra là các bộ nhớ L bit, nhưng các bít đó có ảnh hưởng trực tiếp đến trạng thái của các ngõ vào và ngõ ra vật lý Ngõ vào nhận tín hiệu trực tiếp từ cảm biến và ngõ ra là các relay, transistor hay triac vật lý Các ngõ vào và ngõ ra cần được

ký hiệu và đánh số đề có địa chi xác định và duy nhất

= RB +— —| _ Tiép điểm thường mở sẽ được bit: I, Q, M, V, SM, Bool

- Lệnh LD dùng để đặt một contact logic thường mở (NO) vào chương trình Trong

chương trình dạng Instruction, lệnh LD luôn xuất hiện ở vị trí đầu tiên ở một dong

chương trình hoặc mé dau cho mét khéi logic Trong chuong trinh dang Ladder, lénh

LD thể hiện contact logic thường mở dau tiên nồi trực tiếp vào đường bus bên trai của một nhánh chương trình hay contact thường mở đầu tiên của một khối logic

- Lệnh LDN dùng để đặt một contact logic thường đóng (NC) vào chương trình

Trong chương trình dạng Instruction, lệnh LDN luôn xuất hiện ở vị trí đầu tiên ở một

dòng chương trình hoặc mở đầu cho một khối logic Trong chương trinh đạng Ladder, lênh LDN thé hién contact logic thường đóng đầu tiên nối trực tiếp vào đường bus bên trái của một nhánh chương trình hay contact thường đóng đầu tiên của một khối logic

nã Cuộn dây đâu ra ở trạng thái ON _ | bit: I, Q,M, V, SM,

= bịt 1T | khi có dòng điện điêu khiên đi Ted Bool

qua

Lệnh = dùng đề đặt một relay logic vào cuối chương trình Trong chương trình dạng

Ladder, lệnh = được thực hiện khi điều kiện bên trái thỏa mãn

Chú ý:

- Lệnh = được nối trực tiếp với đường bus bên phải Lệnh = không dùng đề điều

khiến thiết bị ngõ vào loai “T”

- Nhiéu lệnh = có thể nôi song song với nhau

d Lệnh SET và RESET:

SET —tsy— |Đặtmộtthiếtbi | y yg

RST (Reset)

—{rk}-—

Đặt một thiết bi

(bit) xuống OFF

Y,M,S,D, V,

Z, C, T

Lệnh SET ding dé dat trạng thái của tham số lệnh (chỉ cho phép toán hạng bit) lên logic 1 vĩnh viễn (chốt trạng thái l) Trong chương trình Ladder, lệnh SET luôn luôn xuất hiện ở cuối nhánh, phía bên phải của contact cuỗi cùng trong nhánh, và được thi hành khi điều kiện logic của tổ hop cac contact bén trái thỏa mãn

Lệnh RST dùng đề đặt trạng thái của tham số lệnh (chỉ cho phép toán hạng bit) lên

logic 0 vĩnh viễn (chốt trạng thái 0) Trong chương trình Ladder, lệnh RST luôn luôn xuất hiện ở cuối nhánh, phía bên phải của contact cuỗi cùng trong nhánh, và được thi hành khi điều kiện logic của tổ hợp các contact bên trái thỏa mãn Tác dụng của lệnh

RST hoàn toàn ngược với lệnh SET

Lệnh SET và RST có thê được dùng cho cùng một thiết bị bao nhiêu lần tùy ý Tuy nhiên, trạng thái của lệnh cuối cùng được kích hoạt mới là trạng thái có ảnh hưởng

e Lénh TIMER:

Các bộ định thì hoạt động bằng cách đếm các xung clock (xung 1, 10 va 100 ms)

Ngõ ra của bộ định thì được kích hoạt khi giá trị đếm được đạt đến giá trị đặt Khoảng

thời gian trôi qua được tính bằng lấy giá trị đếm được nhân với độ phân giải của bộ định thì

E KN khoảng thời gian cài đặt| PT: IW,

2081 Dau ra chay sau 1 T, C, AC,

PT: gia tri cai dat

Khai báo bộ đếm tiến

theo sườn lên của tín

hiệu đầu vào CU Khi

gi tri đếm tức thời C-

Word lớn hơn hoặc

bằng giá trị đặt trước

PV, thi bit trang thai

co gia tri bang 1 Bộ đếm được Reset khi R

CD Q

— Khai báo bộ đếm lùi

theo sườn lên của tín

hiệu đầu vào C Khi gí trị đếm tức thời C-

Word lớn hơn hoặc

bằng giá trị đặt trước

PV, hti bit trang thai

co gia tri bang 1 Bộ đếm được Reset khi R

Đề có thể lập trình cho S7 — 1200 1214DC/DC/DC ta dùng phần mềm TIA Portal

2.4.1 Tổng quan phần mềm TIA Portal:

TIA Portal viét tat cua Totally Integrated Automation Portal la một phần mềm tổng hợp của nhiều phần mềm điều hành quản lý tự động hóa, vận hành điện của hệ thống Có thê hiểu, TIA Portal là phần mềm tự động hóa đầu tiên, có str dung chung |

môi trường/ nen tang để thực hiện các tac vu, diéu khién hé thong

biệt đề thông nhất tạo hệ thông

TIA Portal - Tích hợp tự động toàn điện là phần mềm cơ sở cho tất cả các phần mềm khác phát triển: Lập trình, tích hợp cấu hình thiết bị trong đải sản phẩm Đặc điểm TIA Portal cho phép các phần mềm chia sẻ cùng l cơ sở dữ liệu, tạo nên tính thống nhất, toàn vẹn cho hệ thống ứng dụng quản lý, vận hành

+ TIA Portal tạo môi trường dễ đàng dé lập trình thực hiện các thao tac:

- Thiết kế giao diện kéo nhã thông tin dễ dàng, với ngôn ngữ hỗ trợ da dang

- Quản lý phân quyền User, Code, Project tổng quát

- Thực hiện go online và Diagnostic cho tất cả các thiết bị trong project để xác định

bệnh, lỗi hệ thống

- Tích hợp mô phỏng hệ thống

- Dễ đảng thiết lập cau hình và liên kết giữa các thiết bị Siemens

- Hiện tại phần mềm TIA Portal có nhiều phiên bản như TIA Portal V14,TIA Portal

V15, TIA Portal V16 và mới nhất là TIA Portal VI7 Tùy theo nhu cầu sử dụng mà người dùng sẽ lựa chọn cài đặt TIA portal phiên bản tương ứng

10