Các trạm bơm cung cấp nước với công suất lớn thường được sử dụng trong khu công nghiệp, khu dân cư, các chung cư, khách sạn và tòa nhà cao tầng, hệ thống phân phối nước sạch trong mạng lưới cấp nước sinh hoạt, các trạm cấp nước nông thông… Các trạm bơm nước phổ biến hiện nay đều được thiết kế theo phương pháp truyền thống với đặc điểm là các bơm được khởi động trực tiếp sao tam giác và tất cả các động cơ đều hoạt động ở tốc độ định mức. Phương pháp này có nhược điểm chính là tổn hao điện năng lớn và khó kiểm soát được lưu lượng trong đường ống. Trên cơ sở những kiến thức được trang bị trên ghế nhà trường, dựa vào những tính năng ưu việt của PLC và biến tần. Em xin được lựa chọn đề tài “ Ứng dụng PLC, điều khiển và cảnh báo lưu lượng trên đường ống với giải đo010ls” 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 ống trong đường ống ở một ngưỡng đặt trước thông qua sự điều khiển của PLC đối với biến tần, hệ thống bơm dựa trên tín hiệu mà cảm biến lưu lượng trong đường 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 chỉ được thực hiện dưới dạng thiết kế một mô hình với 2 bơm có công suất nhỏ.
Trang 1LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, con người cùng với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến củathế giới, chúng ta đã và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn
Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các đặc điểmnổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ…là những yếu tố rất cần thiết gópphần cho hoạt động của con người đạt hiệu quả ngày càng cao hơn
Tự động hóa đang trở thành một ngành khoa học đa nhiệm vụ Tự động hóa đã đápứng được những đòi hỏi không ngừng của các ngành, lĩnh vực khác nhau cho đến nhu cầuthiết yếu của con người trong cuộc sống hàng ngày Một trong những sản phẩm tiên tiếncủa nó là PLC Ứng dụng rất quan trọng của ngành công nghệ tự động hóa là việc điềukhiển, giá sát các hệ thống với những thiết bị điều khiển từ xa rất tinh vi và đạt đượcnăng 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 “Ứng dụng PLC, điều khiển và cảnh báo lưu lượng trên đường ống với giải đo [0-10]l/s ” 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 Điện 2-K7 đặc biệt là giảng viên Phạm Văn Hùng - 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 học này Mong cô góp ý để em hoàn thànhbài tập lớn này được tốt hơn sau này
Em xin chân thành cảm ơn !
Nhóm sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Giáp
Nguyễn Thị Hiên Đặng Văn Hải Nguyễn Ngọc Dương Ngô Văn Hiệp
Nhận xét của giáo viên:
Trang 2
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Mục đích của đề tài
1.1.1. Mục đích chọn đề tài
Trang 3Các trạm bơm cung cấp nước với công suất lớn thường được sử dụng trong khucông nghiệp, khu dân cư, các chung cư, khách sạn và tòa nhà cao tầng, hệ thống phânphối nước sạch trong mạng lưới cấp nước sinh hoạt, các trạm cấp nước nông thông…Các trạm bơm nước phổ biến hiện nay đều được thiết kế theo phương pháp truyền thốngvới đặc điểm là các bơm được khởi động trực tiếp sao/ tam giác và tất cả các động cơđều hoạt động ở tốc độ định mức Phương pháp này có nhược điểm chính là tổn haođiện năng lớn và khó kiểm soát được lưu lượng trong đường ống.
Trên cơ sở những kiến thức được trang bị trên ghế nhà trường, dựa vào những
tính năng ưu việt của PLC và biến tần Em xin được lựa chọn đề tài “ Ứng dụng PLC, điều khiển và cảnh báo lưu lượng trên đường ống với giải đo[0-10]l/s” 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 ống trongđường ống ở một ngưỡng đặt trước thông qua sự điều khiển của PLC đối với biến tần,
hệ thống bơm dựa trên tín hiệu mà cảm biến lưu lượng trong đường 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 chỉ được thựchiện 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 công nghiệpcũng như sinh hoạt bởi những ưu điểm vượt trội của nó Ở các hệ thống điều khiển tựđộng có quy mô vừa và lớn thì PLC được sử dụng làm thiết bị điều khiển cho toàn hệthống
Kết hợp xây dựng một hệ thống điều khiển tự động với các thiết bị điện tử côngsuất 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 “Ứng dụng PLC, điều khiển và cảnh báo lưu lượng trên đường ống với giải đo[0-10]l/s” 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 thống cung cấpnước cho các tòa nhà, khu dân cư…, khắc phục được các nhược điểm trong hệ thốngcung cấp nước cũ
1.2 Phương pháp đo lưu lượng
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:
Trang 4- 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:
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:
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 phụ thuộc độgiảm 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
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
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
Trang 5Ở 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 lý của 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 phải được cách ly với ống dẫn
- Toàn bộ nội dung chương trình được lưu trong bộ nhớ của PLC, trong trường hợpdung lượng bộ nhớ không đủ ta có thể sử dụng bộ nhớ ngoài để lưu chương trình và dữliệu(Catridge )
- Dòng PLC S7-200 có hai họ là 21X ( loại cũ) và 22X ( loại mới), trong đó họ 21Xkhông còn sản xuất nữa.Họ 21X có các đời sau:210, 212, 214, 215-2DP, 216; họ 22X cócác 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 có tích hợpthêm một số hàm chuyên dùng như bộ điều khiển PID, dịch chuyển khối dữ liệu, khốitruyền thông,…
- PLC có những ưu điểm:
+ Có kích thước nhỏ, được thiết kế và tăng bền để chịu được rung động, nhiệt, ẩm
và tiếng ồn, đáng tin cậy
+ Rẻ tiền đối với các ứng dụng điều khiển cho hệ thống phức tạp
+ 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
Trang 6Cấu trúc bên trong của P LC
Hình 1.1: Cấu trúc bên trong của CPU 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
Trang 7Hình 1.2: Cách đầu nối phần cứng 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
Hình 1.3: Cổng truyền thông kết nối PLC với PC
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:
Trang 8- 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
- Toàn bộ dung lƣợng nhớ không bị mất dữ liệu 190 giờ khi PLC bị mất điện
- Xuất sứ: Siemens Germany
Trang 9- S7-200 và module vào/ra mở rộng được nối với nhau bằng dây nối Hai đầu dâynối được bảo vệ bên trong PLC và module.Chúng ta có thể kết nối PLC và module sátnhau để bảo vệ hoàn toàn dây nối CPU224 cho phép mở rộng tối đa 7 module.
1.3.2 Giới thiệu về module Analog.
PLC S7-200 có các modul mở rộng như sau:
• Bộ lọc đầu vào input –3Db tới 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
• 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 chung nhỏ hơn hoặcbằng 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
• Kiểu dữ liệu ngõ ra:
Kiểu không dấu (đơn cực) tầm từ 0 đến 32000
Kiểu có dấu ( đa cực) tầm từ -32000 đến 32000
• Thời gian gửi dữ liệu đi:
Điện áp: 100us
Dòng điện: 2ms
Trang 10Hình 1.5: 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 ngõ vào ( contact ở một trong 2 vị trí
ON và OFF) Contact 1 lựa chọn cực tính áp ngõ vào: ON đối cới áp đơn cực, OFF với áplưỡng cực, contact 2,3,4,5,6 chọn phạm vi điện áp
Các bước chỉnh đầu vào:
1 Tắt nguồn của Modul, chọn tầm ngõ vào thích hợp
2 Cấp nguồn cho CPU và Modul Để cho modul ổn định trong vòng 15 phút
Trang 113 Sử dụng máy phát tín hiệu, nguồn áp hoặc nguồn dòng đặt tín hiệu có giá trịbằng 0 tới một trong những đầu nối của ngõ vào.
4 Đọc giá trị thu được cho CPU bằng kênh ngõ vào thích hợp
5 Điều chỉnh OFFSET của máy đo điện thế cho đến khi bằng 0, hoặc giá trị dữliệu dạng số mong muốn
6 Kết nối một giá trị toàn thang tới một trong những đầu nối của ngõ vào Đọc dữliệu thu được cho CPU
7 Điều chỉnh GAIN của máy đo điện thế cho đến khi bằng 32000, hoặc giá trị dữliệu dạng số mong muốn
8 Lặp lại sự chỉnh định OFFSET và GAIN theo yêu cầu
Hình 1.6: Switch chỉnh chọn điện áp hoặc dòng ngõ vào đối với modul
EM235.
Bảng 1.1: Bảng chọn dải điện áp hoặc dòng điện đầu vào
Trang 12Dải đối xứng Dải đầu vào Độ phân giải
S
ơ đồ kh ố i c á c ng õ v à o c ủ a EM 235 :
Hình 1.7: Sơ đồ khối ngõ vào modul analog EM235
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,
Trang 13chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiếu số 12 bit, 12 bit dữ liệu này được đặt bên trong word ngõ vào analog của CPU như sau:
Dữ liệu đầu vào:
- Kí hiệu vùng nhớ : AIWxx (Ví dụ AIW0, AIW2…)
Trang 14Sơ đồ khối ngõ ra EM 235:
Hình 1.8: Sơ đồ khối ngõ ra modul analog EM 235
Dữ liệu đầu ra:
- Kí hiệu vung nhớ AQWxx (Ví dụ AQW0, AQW2…)
Trang 15Các chú ý khi cái đặt ngõ vào ra analog.
Chắc chăn rằng nguồn 24VDC cung cấp không bị nhiễu và ổn định
Xác định được Modul
Dùng dây cảm biến ngắn nhất có thể
Sử dụng dây bọc giáp cho cảm biến và dây dùng cho một mình cảm biến
Tránh đặt các dây tín hiệu song song với các dây có năng lượng cao Nếu hai dây bắt buộc phải gặp nhau thì bắt chéo chúng về góc bên phải
Trang 16
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2.1 Lựa chọn thiết bị.
2.1.1 Biến tần M420
Hình 2.1: Biến tần M420
Ở đề tài này em chọn biến tần M420
Họ biến tần MICROMASTER 420 - 6SE6420 có công suất định mức từ 0.37KW đến 11KW đối với điện áp vào 3 pha AC 380V đến 480V, 0.12 KW đến 5.5KW đối với điện
áp vào 3 pha AC 200V đến 240V và 0.12KW đến 3KW đối với điện áp vào 1 pha AC 200V đến 240V tần số ngõ vào 50/60Hz
• Điện áp định mức ngõ ra: 1/3 pha 220VAC và 3 pha 380VAC tuỳ theo chọn mãhàng, tần số ngõ ra từ 0Hz đến 650Hz
• Các đầu đấu nối vào và ra: 3 đầu vào số,1 đầu vào tương tự, 1 đầu ra rơle, 1 đầu ratương tự,1 cổng RS485, có chức năng hãm DC và hảm hổn hợp
• Phương pháp điều khiển: Phương pháp điều khiển V/F tuyến tính, V/F đa điểm,V/f bình phương, điều khiển dòng từ thông FCC
• Chức năng bảo vệ: quá tải, thấp áp, quá áp, chạm đất, ngắn mạch, quá nhiệt động
cơ, quá nhiệt biến tần
• Các tuỳ chọn khác như: Bảng điều khiển BOP, bảng điều khiển AOP, bộ ghép nối
PC, đĩa CD cài đặt, modul profibus, bộ lọc đầu vào, lọc đầu ra
Trang 17Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý biến tần M420
Cài đặt thông số biến tần:
P0300 = 1( Động cơ không đồng bộ)
Trang 18P0304 =380(V) điện áp định mức động cơ (V).
P0305 = 0.56A)dòng điện định mức động cơ (A)
P0307=0.18(kW) công suất định mức động cơ( kW hoặc hp) Nếu P100=0 hoặc 2 là
P1120 = 10s (thời gian tăng tốc)
P1121 = 10s (thời gian giảm tốc)
2.1.2 Chọn Cảm biến đo lưu lượng.
Mag 5000 là bộ chuyển đổi tín hiệu dùng cho các dòng cảm biến đo lưu lượng Mag
1100, Mag 1100F, Mag 5100W, Mag 3100W, và Mag 3100 Bộ chuyển đổi tín hiệu này
có độ chính xác cao 0.5% và giá rẻ, nó dùng kèm với các cảm biến lưu lượng trong cácứng dụng thông thường và không yêu cầu chức năng định mẻ (Batching controller)
+ Độ chính xác 0.5%
+ Không có chức năng định mẻ (Batching controller)
+ Hiển thị lưu lượng tức thời và lưu lượng tổng, có thể hiển thị lưu lượng tổng theochiều thuận, ngược của dòng chảy và lưu lượng tuyệt đối Có thể tuỳ chọn không có mànhình hiển thị
+ Tín hiệu ra: Một tín hiệu ra tương tự 0-10V, một tín hiệu ra xung, một tín hiệu raRelay
+ Nguồn cung cấp: Có thể chọn DC 11…30V, AC 11 … 24V hoặc AC 115… 230V
+ Cảm biến tương thích: Mag 5100W, Mag 3100, Mag 3100W, Mag 1100, Mag1100F Mag 5000 có thể lắp trực tiếp (compact) hoặc lắp từ xa với Sensor ở mọi kích cỡ
Trang 19+ Chuẩn truyền thông có thể chọn Hart
Hình 2.3: Bộ chuyển đổi Mag 5000 và cảm biến lưu lượng
2.1.3 Chọn động cơ
Hình 2.4: Động cơ không đồng bộ ba pha
- Với đề tài này em chọn động cơ không đồng bộ 3 pha có thông số sau:Hãng sản xuất: Seimens
Điện áp định mức : 400(V)
Dòng điện định mức 0.56A
Công suất định mức của động cơ: 0.18(kW)
Hệ số công suất Cosphi=0.77
Trang 20Tần số định mức :50Hz
Tốc độ định mức của động cơ: 1350vòng/phút
2.2 Xây dựng sơ đồ khối, sơ đồ đấu dây.
2.2.1 Sơ đồ khối.
Hình 2.5 Sơ đồ khối của hệ thống
Quá trình điều khiển chủ yếu được thực hiện từ PLC PLC nhận tín hiệu analog từcảm biến lưu lượng (được gắn trên đường ống chính) đưa về, sau khi PLC sử lý tínhiệu đó bằng logic, PLC sẽ ra quyết định điều khiển biến tần bằng tín hiệu analog ở ngõra; biến tần sẽ tự động thay đổi tần số theo tín hiệu analog đó, từ đó thay đổi tốc độbơm, vì thế việc khống chế áp lực trên đường ống trở nên dễ dàng hơn nhiều
- Bộ điều khiển PLC: CPU 224 AC-DC-Relay và Module Analog EM 235 của Siemens, Module Analog EM 235 dùng để nhận tín hiệu từ cảm biến áp suất chuyển đổi tín hiệu đưa về PLC để xử lý, sau khi xử lý xong thì Modul Analog EM 235 sẽ nhận tín hiệu từ PLC để điều khiên biến tần M420