Ứng dụng PLC cảnh báo, đo lưu lượng ống nước

LỜI NÓI ĐẦU3CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT41.1.Mục đích41.1.1.Mục đích chọn đề tài41.1.2. Mục tiêu của đề tài41.1.3. Giới hạn nghiên cứu của đề tài41.1.4. Ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài41.2. Phương pháp đo lưu lượng51.3. Tìm hiểu về PLC S7 20061.3.1 Khái quát về PLC S7 20061.3.2. Giới thiệu về module Analog.101.4. S7200 PC Access.17CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG182.1 Lựa chọn thiết bị.182.1.1 Biến tần MM440182.1.2. Cài đặt thông số biến tần MM440.212.1.2 Chọn Cảm biến đo lưu lượng.222.1.3 Chọn động cơ.232.2. Xây dựng sơ đồ khối, sơ đồ đấu dây.232.2.1. Sơ đồ khối.232.2.2. Sơ đồ đấu dây.242.3. Xây dựng thuật toán.252.4. Chương trình điều khiển262.5. Thiết kế giao diện giám sát trên Wincc 7.0.282.5.1. Giới thiệu Wincc 7.0.282.5.2. Cách sử dụng Wincc 7.0292.5.2.1. Tạo mới một Project:292.5.2.2. Tạo Driver kết nối giữa WinCC và PLC:302.5.2.3. Tạo Tag group:322.5.2.4. Tạo tag:322.5.2.5. Tạo picture:33Chương 4: Kết quả đề tài.334.1.Kết luận nội dung đề tài334.2.Các hạn chế344.3.Biện pháp khắc phục34Tài liệu tham khảo35

LỜI NÓI ĐẦU 3

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

1.1.Mục đích 4

1.1.2 Mục tiêu của đề tài 4

1.1.3 Giới hạn nghiên cứu của đề tài 4

1.1.4 Ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài 4

1.2 Phương pháp đo lưu lượng 5

1.3 Tìm hiểu về PLC S7 200 6

1.3.1 Khái quát về PLC S7 200 6

1.3.2 Giới thiệu về module Analog 10

1.4 S7-200 PC Access 17

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 18

2.1 Lựa chọn thiết bị 18

2.1.1 Biến tần MM440 18

18

21

2.1.2 Cài đặt thông số biến tần MM440 21

2.1.2 Chọn Cảm biến đo lưu lượng 22

2.1.3 Chọn động cơ 23

2.2 Xây dựng sơ đồ khối, sơ đồ đấu dây 23

2.2.1 Sơ đồ khối 23

2.2.2 Sơ đồ đấu dây 24

2.3 Xây dựng thuật toán 25

2.4 Chương trình điều khiển 26

2.5 Thiết kế giao diện giám sát trên Wincc 7.0 28

2.5.1 Giới thiệu Wincc 7.0 28

2.5.2 Cách sử dụng Wincc 7.0 29

2.5.2.1 Tạo mới một Project: 29

2.5.2.2 Tạo Driver kết nối giữa WinCC và PLC: 30

2.5.2.3 Tạo Tag group: 32

2.5.2.4 Tạo tag: 32

2.5.2.5 Tạo picture: 33

Chương 4: Kết quả đề tài 33

4.1.Kết luận nội dung đề tài 33

4.2.Các hạn chế 34

4.3.Biện pháp khắc phục 34

Tài liệu tham khảo 35

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, con người cùng với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiêntiến của thế giới, chúng ta đã và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đạihơn

Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với cácđặc điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ…là những yếu tốrất cần thiết góp phần cho hoạt động của con người đạt hiệu quả ngày càng caohơn

Tự động hóa đang trở thành một ngành khoa học đa nhiệm vụ Tự động hóa

đã đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng của các ngành, lĩnh vực khác nhaucho đến nhu cầu thiết yếu của con người trong cuộc sống hàng ngày Một trongnhững sản phẩm tiên tiến của nó là PLC Ứng dụng rất quan trọng của ngànhcông nghệ tự động hóa là việc điều khiển, giá sát các hệ thống với những thiết bịđiều khiển từ xa rất tinh vi và đạt được năng suất, kinh tế thật cao

Xuất phát từ những ứng dụng đó, chúng em xin phép được thiết kế một

mạch ứng dụng của PLC, biến tần đó là “điều khiển và cảnh báo lưu lượng

trên đường ống” dùng PLC điều khiển biến tần

Đầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo

trong khoa điện, cùng các bạn trong lớp TĐH2 K5 đặc biệt là giảng viên TỐNG

THỊ LÝ - giảng viên khoa điện trường ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

người đã trực tiếp giảng dạy và cho em kiến thức để hoàn thành đồ án môn họcnày Mong cô góp ý để em hoàn thành bài tập lớn này được tốt hơn sau này

Em xin chân thành cảm ơn !

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Mục đích

1.1.1 Mục đích chọn đề tài

Các trạm bơm cung cấp nước với công suất lớn thường được sử dụngtrong khu công nghiệp, khu dân cư, các chung cư, khách sạn và tòa nhà caotầng, hệ thống phân phối nước sạch trong mạng lưới cấp nước sinh hoạt, cáctrạm cấp nước nông thông… Các trạm bơm nước phổ biến hiện nay đều đượcthiết kế theo phương pháp truyền thống với đặc điểm là các bơm được khởiđộng trực tiếp sao/ tam giác và tất cả các động cơ đều hoạt động ở tốc độ địnhmức Phương pháp này có nhược điểm chính là tổn hao điện năng lớn và khókiểm soát được lưu lượng trong đường ống

Trên cơ sở những kiến thức được trang bị trên ghế nhà trường, dựa vàonhững tính năng ưu việt của PLC và biến tần Em xin được lựa chọn đề tài

“điều khiển và cảnh báo lưu lượng trên đường ống” với những chức năng cơ

bản giống với một hệ thống biến tần đa bơm

1.1.2 Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu của đề tài là điều khiển và cảnh báo lưu lượng trên đường ốngtrong đường ống ở một ngưỡng đặt trước thông qua sự điều khiển của PLC đốivới biến tần, hệ thống bơm dựa trên tín hiệu mà cảm biến lưu lượng trongđường ống đưa về

1.1.3 Giới hạn nghiên cứu của đề tài

Do kiến thức, thời gian, kinh nghiệm thực tế còn hạn chế nên đề tài chỉđược thực hiện dưới dạng thiết kế một mô hình với 2 bơm có công suất nhỏ

1.1.4 Ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài

Điều khiển tự động là xu thế phát triển tất yếu trong các lĩnh vực côngnghiệp cũng như sinh hoạt bởi những ưu điểm vượt trội của nó Ở các hệ thốngđiều khiển tự động có quy mô vừa và lớn thì PLC được sử dụng làm thiết bịđiều khiển cho toàn hệ thống

Kết hợp xây dựng một hệ thống điều khiển tự động với các thiết bị điện

tử công suất có ý nghĩa khoa học lớn trong việc xây dựng một hệ thống tự

động hoàn chỉnh cả về chức năng lẫn hiệu quả kinh tế Đề tài “điều khiển và

cảnh báo lưu lượng trên đường ống ” xây dựng mô hình kết hợp PLC với

biến tần để điều khiển lưu lượng nước trong đường ống một cách tối ưu nhất

Về mặt thực tiễn, đề tài đi theo hướng phát triển mới cho các hệ thốngcung cấp nước cho các tòa nhà, khu dân cư…, khắc phục được các nhược điểmtrong hệ thống cung cấp nước cũ.

1.2 Phương pháp đo lưu lượng

Lưu lượng và đơn vị đo

Lưu lượng chất lưu là lượng chất lưu chảy qua tiết diện ngang của ống trong một đơn vị thời gian Tuỳ theo đơn vị tính lượng chất lưu (theo thể tích hoặc khối lượng) người ta phân biệt:

- Lưu lượng thể tích (Q) tính bằng m3/s, m3/giờ

- Lưu lượng khối (G) tính bằng kg/s, kg/giờ

Lưu lượng trung bình trong khoảng thời gian Δt = t2 - t1 xác định bởi biểu thức:

(20.27)Trong đó ΔV, Δm là thể tích và khối lượng chất lưu chảy qua ống trong thời khoảng gian khảo sát

Lưu lượng tức thời xác định theo công thức:

(20.28)

Để đo lưu lượng người ta dùng các lưu lượng kế Tuỳ thuộc vào tính chất chất lưu, yêu cầu công nghệ, người ta sử dụng các lưu lượng kế khác nhau Nguyên lý hoạt động của các lưu lượng kế dựa trên cơ sở:

- Đếm trực tiếp thể tích chất lưu chảy qua công tơ trong một khoảng thời gian xác định Δt

- Đo vận tốc chất lưu chảy qua công tơ khi lưu lượng là hàm của vận tốc

- Đo độ giảm áp qua tiết diện thu hẹp trên dòng chảy, lưu lượng là hàm phụthuộc độ giảm áp

Tín hiệu đo biến đổi trực tiếp thành tín hiệu điện hoặc nhờ bộ chuyển đổi điện thích hợp

Các phương pháp đo lưu lượng:

1 Đo lưu lượng theo nguyên lý chênh áp – Differential Pressure

2 Đo lưu lượng theo nguyên lý Vortex

3 Đo lưu lượng theo nguyên lý từ tính.

4 Đo lưu lượng theo nguyên lý chiếm chổ (Positive Displacement Sensor)

5 Đo lưu lượng theo nguyên lý Turbine

6 Đo lưu lượng theo nguyên lý gia nhiệt

7 Đo lưu lượng theo nguyên lý Coriolis

Ở bài này ta sử dụng phương pháp đo lưu lượng theo nguyên lý từ tính:Nguyên lý đo này được sử dụng với những lưu chất dẫn điện, sử dụng nguyên lýcủa máy phát điện: Khi vật liệu dẫn điện đi qua từ trường thì nó sẽ sinh ra điện

áp, lưu lượng càng nhiều thì điện áp sinh ra càng lớn

Dựa theo nguyên lý trên thì thiết bị đo sẽ có hai cuộn dây đặt đối xứng phát ra từ trường và điện áp cảm ứng do sự di chuyển của lưu chất sẽ được cảm ứng bởi một sensor, sensor này sẽ chuyển đổi điện áp cảm ứng thành tín hiệu điện (4-20mA; 1-5V ) tỉ lệ với lưu lượng của lưu chất Chú ý rằng lưu chất phảiđược cách ly với ống dẫn

- Toàn bộ nội dung chương trình được lưu trong bộ nhớ của PLC, trongtrường hợp dung lượng bộ nhớ không đủ ta có thể sử dụng bộ nhớ ngoài để lưuchương trình và dữ liệu(Catridge )

- Dòng PLC S7-200 có hai họ là 21X ( loại cũ) và 22X ( loại mới), trong đó

họ 21X không còn sản xuất nữa.Họ 21X có các đời sau:210, 212, 214, 215-2DP,216; họ 22X có các đời sau:221, 222, 224, 224XP, 226, 226XM

- PLC đặt biệt sử dụng trong các ứng dụng hoạt động logic điều khiển chuổi sự kiện

- PLC có đầy đủ chức năng và tính toán như vi xử lý Ngoài ra, PLC cótích hợp thêm một số hàm chuyên dùng như bộ điều khiển PID, dịch chuyểnkhối dữ liệu, khối truyền thông,…

+ Dễ dàng và nhanh chống thay đổi cấu trúc của mạch điều khiển.

+ PLC có các chức năng kiểm tra lỗi, chẩn đoán lỗi

+ Có thể nhân đôi các ứng dụng nhanh và ít tốn kém

Cấu trúc bên trong của PLC

Một hệ thống lập trình cơ bản phải gồm có 2 phần: Khối xử lý trung tâm(CPU: Central Processing Unit) và hệ thống giao tiếp vào/ra ( I/O)

Mô tả các đèn báo trên S7-200:

- SF (đèn đỏ): Đèn đỏ SF báo hiệu khi PLC có hỏng hóc.

- RUN (đèn xanh): Đèn xanh sáng báo hiệu PLC đang ở chế độ làm việc

và thực hiện chương trình nạp ở trong máy

- STOP (đèn vàng): Đèn vàng sáng báo hiệu PLC đang ở chế độ dừng,

không thực hiện chương trình hiện có

- Ix.x (đèn xanh)chỉ trạng thái logic tức thời của cổng Ix.x Đèn sáng

tương ứng mức logic là 1

- Qx.x (đèn xanh): chỉ trạng thái logic tức thời của cổng Qx.x Đèn sáng

tương ứng mức logic là 1

Cách đấu nối ngõ vào ra PLC:

Cổng truyền thông:

Chân 1: nối đất

Chân 2: nối nguồn 24VDC

Chân 3: truyền và nhận dữliệu

Chân 4: không sửdụng

Chân 5: đất

Chân 6: nối nguồn 5VDC

Chân 7: nối nguồn 24VDC

Chân 8: Truyền và nhận dữliệu

Chân 9: không sử dụng

b Giới thiệu về PLC S7-200 CPU224 AC/DC/RELAY

Với đề tài này em sử dụng PLC S7-200 CPU224 AC/DC/RELAY

Thông tin: - Nguồn cấp: 85-264VAC 47-63Hz

- Kích thước: 120.5mm x 80mm x 62mm

- Dung lượng bộ nhớ chương trình: 4096 words

- Dung lượng bộ nhớ dữ liệu: 2560 words

- Chương trình được bảo vệ bằng Password

- Tồn bộ dung lƣợng nhớ khơng bị mất dữ liệu 190 giờ khi PLC bị mất điện

- Xuất sứ: Siemens Germany

- CPU được cấp nguồn 220VAC.Tích hợp 14 ngõ vào số (mức 1 là 24Vdc,mức 0 là 0Vdc) 10 ngõ ra dạng relay

Cách đấu nối S7-200 và các module mở rộng:

- S7-200 và module vào/ra mở rộng được nối với nhau bằng dây nối Haiđầu dây nối được bảo vệ bên trong PLC và module.Chúng ta cĩ thể kết nối PLC

và module sát nhau để bảo vệ hồn tồn dây nối CPU224 cho phép mở rộng tối

đa 7 module

1.3.2 Giới thiệu về module Analog.

PLC S7-200 có các module analog mở rộng như sau:

• EM 231: gồm có 4 ngõ vào analog

• EM 232: gồm có 2 ngõ ra analog.

• EM 235: gồm có 4 ngõ vào và 1 ngõ ra analog

a Đặc tính chung

• Trở kháng vào input >= 10MΩ

• Bộ lọc đầu vào input –3Db tại 3.1Khz

• Điện áp cực đại cung cấp cho module: 30VDC

• Dòng điện cực đại cung cấp cho module: 32mA

• Có LED báo trạng thái

• Có núm chỉnh OFFSET và chỉnh độ lợi (GAIN)

b Đầu vào

•Phạm vi áp ngõ vào: +/- 10V

•Phạm vi dòng điện ngõ ra: 0 -> 20mA

•Có các bộ chuyển đổi ADC, DAC (12 bit)

•Thời gian chuyển đổi analog sang digital : <250µs

•Đáp ứng đầu vào của tín hiệu tương tự: 1.5ms đến 95%

•Chế độ Mode chung: Điện áp vào đầu cộng của chế độ Mode chungnhỏ hơn hoặc bằng 12V

•Kiểu dữ liệu đầu vào input:

 Kiểu không dấu (đơn cực) tầm từ 0 đến 32000,

 Kiểu có dấu (đa cực) tầm từ –32000 đến 32000

c Đầu ra

• Phạm vi áp ngõ ra : +/- 10V

• Phạm vi dòng điện ngõ ra: 0 -> 20mA

• Độ phân giải:

 Điện áp: 12 bit

 Dòng điện: 11 bit

• Kiểu dữ liệu đầu ra:

Kiểu dữ liệu không dấu (đơn cực): từ 0 đến 32000

Kiểu dữ liệu có dấu (đa cực): từ –32000 đến 32000

• Thời gian gửi tín hiệu đi:

 Điện áp: 100us

 Dòng điện: 2ms

Sơ đồ kết nối với các thiết bị ngoại vi, sử dụng theo dạng áp và dòng:

Có các contact (switch) để lựa chọn phạm vi áp ngõ vào (contact ở một trong hai vị trí ON và OFF) Contact 1 lựa chọn cực tính áp ngõ vào: ON đối với áp đơn cực, OFF với áp lưỡng cực; contact 2, 3, 4, 5, 6 chọn phạm vi điệnáp.

Các bước chỉnh đầu vào.

 Tắt nguồn Module, chọn tầm đầu vào mong muốn

 Bật nguồn lên cho CPU và Module sau đó để cho hoạt động ổn định trong 15 phút

 Sử dụng transmitter, nguồn dòng hoặc áp chuẩn dùng để đưa tín hiệu giá trị chuẩn zero vào 1 trong các đầu vào

 Đọc giá trị vào PLC bằng kênh đầu vào thích hợp

 Chỉnh giá trị OFFSET có thể cho đến khi giá trị đọc vào là zero hoặc nhận ra giá trị dữ liệu số.

 Đặt giá trị tín hiệu toàn tầm đo vào ngõ vào, đọc giá trị mà CPU nhậnđược

 Chỉnh độ lợi có thể cho đến khi giá trị đọc được là 32.000 hay nhậnđược giá trị dữ liệu số

 Ngắn mạch đầu vào các ngõ vào khơng sử dụng

 Tránh gọt các đầu dây quá nhọn

 Lặp lại các quá trình, chỉnh Gain và Offset cho đến khi đạt yêu cầu

Sơ đồ chỉnh độ lợi (GAIN) và OFFSET:

Switch chỉnh chọn điện áp hoặc dòng ngõ vào đối với module EM 231

Switch chỉnh chọn điện áp hoặc dòng ngõ vào đối với module EM 235

Switch chỉnh chọn độ lợi, đơn cực hoặc lưỡng cực và độ suy giảm

(attenuation)

Sơ đồ khối các ngõ vào của EM 235 và EM 231

Tín hiệu tương tự được đưa vào các đầu vào A+, A-, B+, B-, C+, C-, sau đó qua các bộ lọc nhiễu, qua bộ đệm, bộ suy giảm, bộ khuếch đại rồi đưa đến khối chuyển đổi ADC, chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số 12 bit 12 bit dữ liệu này được đặt bên trong word ngõ vào analog của CPU như

sau:

12 bit dữ liệu ra từ bộ chuyển đổi ADC được canh trái đều (left justified)trong word dữ liệu ngõ ra Bit MSB là bit dấu: “0” dùng để diễn tả giá trị word dữ liệu dương, “1” dùng để diễn tả giá trị word dữ liệu âm

Sơ đồ khối các ngõ vào của EM 235:

12 bit dữ liệu được đặt bên trong word ngõ ra analog của CPU như sau:

12 bit dữ liệu trước khi đưa vào bộ chuyển đổi DAC được canh trái đều(left justified) trong word dữ liệu ngõ ra Bit MSB là bit dấu: “0” diễn tả giátrị từ dữ liệu dương 4 bit thấp có giá trị 0 được loại bỏ trước khi từ dữ liệunày được đưa vào bộ chuyển đổi DAC, các bit này không ảnh hưởng đến giátrị ở ngõ ra

Các chú ý khi cài đặt ngõ ra analog.

 Chắc chắn rằng nguồn 24VDC cung cấp không bị nhiễu và ổn định

 Xác định được Module

 Dùng dây cảm biến ngắn nhất nếu có thể

 Sử dụng dây bọc giáp cho cảm biến và dây chỉ dùng cho một mìnhcảm biến thôi

 Tránh đặt các dây tín hiệu song song với dây có năng lượng cao Nếu hai dây bắt buộc phải gặp nhau thì bắt chéo chúng về góc bên phải

 Với đề tài này em sử dụng module EM235

1.4 S7-200 PC Access.

PC Access là một OPC Server dành riêng cho PLC Simatic S7-200 PCAccess có thể làm việc với bất kỳ chuẩn OPC Client như : Excel Client,Protool/Pro Client, Visual Basic Client S7-200 PC Access giúp cho việc thiếtlập và xác định cấu hình của mạng làm việc một cách dễ dàng và đơn giản

Những tiện ích của PC ACCESS :

- Xây dựng một OPC Test Client

- Có thể đưa Excel Client vào để có thể quan sát được những bảng tính

- Cung cấp giao diện chuẩn cho bất kỳ OPC Client

- Tích hợp bảng biểu tượng Micro/Win bao gồm biểu tượng nhận xét

- Làm đơn giản giao diện người dùng (User Interface) giúp cho việc cài đặt và xác định cấu hình nhanh chóng

- Time Stamp cho biết thời gian mỗi tag được cập nhật

- Sự cải tiến trong việc chọn lựa Chẳng hạn như việc thông báo giới hạn trên (Hight) và dưới (Low)

- Có thể làm việc với tất cả các kiểu dữ liệu của PLC S7-200

- Không hạn chế số lượng Item được đọc hay viết

- PC Access cung cấp phương thức để những bộ điều khiển nhỏ có thể cải tiến về :

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2.1 Lựa chọn thiết bị.

2.1.1 Biến tần MM440

Với mô hình này em sử dụng biến tần MM440 của siemens

Micromaster 440 là loại biến tần mạnh mẽ nhất trong dòng các biến tần

tiêu chuẩn Khả năng điều khiển vector ổn định tốc độ hay khả năng điều khiểnvòng kín bằng bộ PID có sẵn đem lại độ chính xác tuyệt vời cho các hệ thốngtruyền động quan trọng như các hệ nâng chuyển, các hệ thống định vị Khôngchỉ có vậy, một loạt khối Logic có sẵn lập trình tự do cung cấp cho người dùng

sự linh hoạt tối đa trong việc điều khiển hàng loạt thao tác một cách tự động

Nét nổi bật của MICROMASTER 440:

- Thiết kế nhỏ gọn và dễ dàng lắp đặt

- Điều khiển Vector vòng kín (Tốc độ/Moment)

- Có nhiều lựa chọn truyền thông: PROFIBUS, Device Net, CANopen

- 3 bộ tham số trong 1 nhằm thích ứng biến tần với các chế độ hoạt động khác nhau

- Định mức theo tải Moment không đổi hoặc Bơm, Quạt

- Dự trữ động năng để chống sụt áp

- Tích hợp sẵn bộ hãm dùng điện trở cho các biến tần đến 75kW

- 4 tần số ngắt quãng tránh cộng hưởng lên động cơ hoặc lên máy

- Khởi động bám khi biến tần nối với động cơ quay