Trong khuôn khổ đề tài ứng dụng PLC để đo, điều khiển và cảnh báo mức nước trong bể chúng ta giải quyết được vấn đề tính cung cấp và duy trì mức nước sử dụng một cách liên tục mà không yêu cầu sự tác động cao của con người . Ngày nay cùng với sự phát triển của công nghệ thì tính tự động hóa luôn được đặt lên hàng đầu .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. Chúng em xây dựng đề tài “ đo, điều khiển và cảnh báo mức trong bể ” .1.1.2 Mục tiêu của đề tài . Mục tiêu của đề tài là đo, điều khiển và cảnh báo mức trong bể thông qua sự điều khiển của PLC đối với biến tần, hệ thống bơm dựa trên tín hiệu mà cảm biến đo mức báo về .1.2 Phương pháp đo.Ngày nay trên thị trường có tới trên 20 loại cảm biến đo mức khác nhau; tìm được một loại cảm biến phù hợp với điều kiện và yêu cầu là một điều không dễ dàng. Trong khuôn khổ đồ án chúng em sẽ giới thiệu sơ lược về một số loại cảm biến đo mức nước và loại cảm biến được chọn trong đồ án.
Trang 1MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, con người cùng với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên
tiến của thế 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 điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ…là những yếu tố
rất cần thiết góp phần cho hoạt động của con người đạt hiệu quả ngày càng cao
hơn.
Tự động hóa đã và 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 nhau cho đến nhu cầu thiết yếu của con người trong cuộc sống hàng ngày Một trong những sản phẩm tiên tiến của nó là PLC Ứng dụng rất quan trọng của ngành công nghệ tự động hóa là việc điều khiển, giám sát các hệ thống với những thiết bị điều 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 “ đo, điều khiển và cảnh báo mức
trong bể ” dùng PLC điều khiển biến tần có sử dụng cảm biến alalog là
module mở rộng ADC của PLC.
Trước hết chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo
Trang 2trong khoa điện, cùng các bạn trong lớp Điện 5- K8 đặc biệt là giảng viên
Nguyễn Thu Hà - giảng viên khoa điện trường ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI , người đã trực tiếp giảng dạy và cho chúng em kiến thức để hoàn thành
đồ án môn học này Kính mong cô góp ý để Nhóm hoàn thành bài tập lớn này được tốt hơn sau này.
Chúng em xin chân thành cảm ơn !
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Mục đích
1.1.1 Mục đích chọn đề tài
Trong khuôn khổ đề tài ứng dụng PLC để đo, điều khiển và cảnh báo
mức nước trong bể chúng ta giải quyết được vấn đề tính cung cấp và duy trì mức nước sử dụng một cách liên tục mà không yêu cầu sự tác động cao của con người
Ngày nay cùng với sự phát triển của công nghệ thì tính tự động hóa luôn được đặt lên hàng đầu 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 Chúng
em xây dựng đề tài “ đo, điều khiển và cảnh báo mức trong bể ”
1.1.2 Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu của đề tài là đo, điều khiển và cảnh báo mức trong bể thông qua sự điều khiển của PLC đối với biến tần, hệ thống bơm dựa trên tín hiệu
mà cảm biến đo mức báo về
Trang 31.2 Phương pháp đo.
Ngày nay trên thị trường có tới trên 20 loại cảm biến đo mức khác nhau; tìm được một loại cảm biến phù hợp với điều kiện và yêu cầu là một điều không dễ dàng Trong khuôn khổ đồ án chúng em sẽ giới thiệu sơ lược về một số loại cảm biến đo mức nước và loại cảm biến được chọn trong đồ án.
1.2.1 Cảm biến siêu âm
Bộ truyền siêu âm hoạt động dựa trên việc gửi một sóng âm, được phát ra
từ bộ biến năng áp điện, đến bề mặt của một vật liệu cần đo Bộ truyền âm đo thời gian từ lúc gửi tín hiệu cho tới khi nhận được tín hiệu phản hồi Thành công của phép đo phụ thuộc vào sóng, độ phản xạ từ vật cần đo Những yếu tố như bụi, hơi nước (chất lỏng) dày đặc; độ cản trở bình chứa, nhiễu loạn gây bởi bề mặt; những chất tạo bọt và thậm chí là độ gồ ghề hoặc góc tạo bởi chùm sóng với bề mặt cần đo đều góp phần tạo những thông tin không mong muốn ở tín hiệu phản hồi
Lợi ích lớn nhất của công nghệ đo mức thông qua môi trường khí như siêu âm, rada và laze là những thiết bị đo không tiếp xúc với vật cần đo (hình 3) Chỉ có một vài điểm tín hiệu cần tiếp xúc với bề mặt chất cần đo nhằm tạo
Trang 4ra những tín hiệu phản hồi về cảm biến Điều này giải thích tại sao chất lượng không khí giữa bề mặt chất lỏng với cảm biến luôn là vấn đề và tại sao chất lượng của bề mặt chất lỏng (hoặc bình chứa) cần luôn được tính đến khi sản xuất và lắp đặt cảm biến vì mọi nhiễu loạn về tín hiệu sẽ góp phần vào sai số của phép đo.
Như vậy, cảm biến đo mức dùng siêu âm là một giải pháp phù hợp cho những đối tượng với những yêu cầu về hình dạng, môi trường ổn định và có thể biết trước Khi lắp đặt chúng ta không được quên rằng bộ phát siêu âm chỉ có hiệu quả khi cảm biến đón nhận được tín hiệu phản hồi.
1.2.2 Rada dẫn sóng (GWR)
Rada dẫn sóng là phép đo tiếp xúc sử dụng đầu dò để dẫn sóng điện từ cao tần từ bộ biến âm đến vật cần đo GWR hoạt động dựa trên nguyên lý bộ phản xạ miền thời gian (TDR) Với TDR, một xung sóng điện từ năng lượng thấp được dẫn dọc đầu dò Khi xung này tiếp xúc với bề mặt cần đo, năng
Trang 5lượng xung sẽ được phản xạ về đầu dò và mạch đo sau đó phần xử lý tín hiện
sẽ xử lý và tính toán mức chất lỏng hoặc dòng dựa trên sự sai khác về xung gửi đi và xung nhận về Cảm biến có thể xuất tín hiệu ra là mức chất lỏng đã được phân tích thông qua hiển hiện tương tự hoặc số.
Không giống như công nghệ truyền thống, GWR cho khả năng đọc phép
đo độc lập với những tính chất lý hóa của môi trường đo mà nó tiếp xúc Thêm vào đó, GWR hoạt động tốt trong cả môi trường lỏng và môi trường rắn GWR phù hợp với nhiều ứng dụng đo mức khác nhau.
Trang 6Tín hiệu do cảm biến tạo ra được đưa vào một mạch khuyếch đại tín hiệu và đưa đến ECU.
*Cảm biến hoạt động theo nguyên tắc:
Khi màng biến dạng thì lớp điện trở đặt trên màng sẽ thay đổi giá trị
Sự biến dạng là do áp suất tăng lên trong hệ thống, sự thay đổi điện trở gây
ra sự thay đổi điện thế của mạch cầu điện trở.
Điện áp thay đổi được khuyếch đại bởi mạch khuyếch đại và thay đổi trong khoảng từ 5mA đến 40mA Sự thay đổi này sẽ được đọc bởi module mở rộng của PLC để trả ra giá trị digital, tùy theo độ phân giải được chọn mà giá trị digital trả ra có thể thay đổi.
Từ giá trị digital đọc được ta có thể tính được giá trị áp suất đáy bình
Áp dụng công thức với P = áp suất đo được, ρ = khối lượng
riêng, g = gia tốc trọng lực, h = chiều cao của cột chất lỏng ta có thể tính ngược lại được chiều cao của cột chất lỏng.
Việc kiểm soát một cách chính xác áp suất của ống là điều bắt buộc để
hệ thống hoạt động đúng Đây cũng là nguyên nhân tại sao cảm biến áp suất ống phải có sai số nhỏ trong quá trình đo Trong dải hoạt động của động cơ,
độ chính xác khi đo đạt khoảng 2% Nếu cảm biến áp suất ống bị hư thì van điều khiển áp suất sẽ được điều khiển theo giá trị định sẵn ECU.
Với mục đích nghiên cứu module mở rộng Alalog của PLC, nhóm chọn cảm biến áp suất làm nhiệm vụ đọc giá trị mức nước.
1.3 Tìm hiểu về PLC ( PLC S7-200 )
1.3.1 Khái quát về PLC.
PLC ( Programmable Logic Controller ): Bộ điều khiển lập trình, PLC được xếp vào trong họ máy tính, được sử dụng trong các ứng dụng công
Trang 7nghiệp và thương mại S7-200 là thiết bị của hãng Siemens, cấu trúc theo kiểu module có các module mở rộng.
Toàn bộ nội dung chương trình được lưu trong bộ nhớ của PLC, trong trường hợp dung lượng bộ nhớ không đủ ta có thể sử dụng bộ nhớ ngoài để lưu
chương 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
chuỗi sự kiện.
PLC có đầy đủ chức năng và tính toán như vi xử lý Ngoài ra, PLC có
tích hợp thêm một số hàm chuyên dùng như bộ điều khiển PID, dịch chuyển khối dữ liệu, khối truyền 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 chóng 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 81.3.1.1 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:
Trang 9- SF (đèn đỏ): Đèn đỏ SF báo hiệu lỗi 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
Trang 101.3.1.2 Cổng truyền thông:
1.3.1.3 Kết nối PLC và máy tính :
-Sử dụng cổng RS485 để ghép nối với máy tính hoặc thiết bị khác.
-Tốc độ truyền là 9600 bauds.
-Cấu trúc cổng truyền thông được mô phỏng như sau :
Ghép nối PLC và máy tính sử dụng cáp PC/PPI chuyển đổi giữa RS232 và RS485 - Chuyển đổi và kết nối như hình
Trang 11Vùng chương trình: Là vùng bộ nhớ được sử dụng để lưu trữ các lệnh
chương trình vùng này thuộc bộ nhớ trong đọc và ghi được.
Vùng tham số: Là vùng lưu giữ các tham số như: Từ khoá, địa chỉ
trạm….cũng giống như vùng chương trình thuộc bộ nhớ trong đọc và ghi được.
Vùng dữ liệu: Là vùng nhớ động được sử dụng cất các dữ liệu của
chương trình bao gồm các kết quả các phép tính nó được truy cập theo từng bit từng byte vùng này được chia thành những vùng nhớ với các công dụng khác nhau - Vùng I (Input image register): Là vùng nhớ gồm 16 byte I (đọc/ghi): I.O - I.15
- Vùng Q (Output image register): Là vùng nhớ gồm 16 byte Q (đọc/ghi):
- SM200-SM549 đọc/ghi của các module mở rộng:
Vùng đối tượng: Là timer (định thì), counter (bộ đếm) tốc độ cao và các
cổng vào/ra tương tự được đặt trong vùng nhớ cuối cùng vùng này không thuộc kiểu non – volatile nhưng đọc ghi được.
- Timer (bộ định thì): đọc/ghi T0 -T255
Trang 12- Counter (bộ đếm): đọc/ghi C0 - C255
- Bộ đệm vào analog (đọc): AIW0 - AIW30
- Bộ đệm ra analog (ghi): AQW0 - AQW30
- Accumulator (thanh ghi): AC0 - AC3
1.3.2 Các module, đối tượng mở rộng
Khái niệm về module analog.
Module analog là một công cụ để xử lý các tín hiệu tương tự thông qua việc xử lý các tín hiệu số.
Analog input
Thực chất nó là một bộ biến đổi tương tự - số (A/D) Nó chuyển tín hiệu tương tự ở đầu vào thành các con số ở đầu ra Dùng để kết nối các thiết bị đo với bộ điều khiển: chẳng hạn như đo nhiệt độ.
Analog output
Analog output cũng là một phần của module analog Thực chất nó là một
bộ biến đổi số - tương tự (D/A) Nó chuyển tín hiệu số ở đầu vào thành tín hiệu tương tự ở đầu ra Dùng để điều khiển các thiết bị với dải đo tương tự
Trang 13Chẳng hạn như điều khiển Van mở với góc từ 0-100%, hay điều khiển tốc độ biến tần 0-50Hz.
Nguyên lý hoạt động chung của các cảm biến và các tín hiệu đo chuẩn trongcông nghiệp.
Thông thường đầu vào của các module analog là các tín hiệu điện áp hoặc dòng điện Trong khi đó các tín hiệu tương tự cần xử lý lại thường là các tín hiệu không điện như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, lưu lượng, khối lượng Vì vậy người ta cần phải có một thiết bị trung gian để chuyển các tín hiệu này về tín hiệu điện áp hoặc tín hiệu dòng điện – thiết bị này được gọi là các đầu đo hay cảm biến Để tiện dụng và đơn giản các tín hiệu vào của module Analog Input
và tín hiệu ra của module Analog Output tuân theo chuẩn tín hiệu của công nghiệp.Có 2 loại chuẩn phổ biến là chuẩn điện áp và chuẩn dòng điện.
-Điện áp : 0 – 10V, 0-5V,±5V…
-Dòng điện : 4 – 20 mA, 0-20mA,±10mA.
Trong khi đó tín hiệu từ các cảm biến đưa ra lại không đúng theo chuẩn
Vì vậy người ta cần phải dùng thêm một thiết chuyển đổi để đưa chúng về chuẩn công nghiệp Kết hợp các đầu cảm biến và các thiết bị chuyển đổi này thành một bộ cảm biến hoàn chỉnh , thường gọi tắt là thiết bị cảm biến, hay đúng hơn là thiết đo và chuyển đổi đo (bộ transducer)
Các tín hiệu đầu ra của cảm biến sec được đưa vào các module alalog để đọc và trả ra giá trị alalog tương ứng tùy theo độ phân giải của module
Trang 14Hết các PLC đều phải hỗ trợ các công cụ xử lý tín hiệu analog, đối với PLC S7-200 thì đó là các module analog Module analog thực chất là các bộ biến đổi tương tự/số thực hiện việc chuyển đổi các tín hiệu tương tự sang số để thực hiện các hoạt động tính toán bên trong PLC Có hai loại module analog tương ứng với các chức năng này là module đọc và xuất tín tín hiệu analog.
Để đọc tín hiệu analog vào PLC ta cần có bộ chuyển đổi tín hiệu không điện thành tín hiệu điện (sensor nhiệt độ, áp suất…), bộ chuyển đổi tín hiệu điện tiêu chuẩn (PT350…) và module đầu vào analog S7-200 hỗ trợ hai môdule đọc tín hiệu analog là EM231 và EM235
1.3.2.1 Giới thiệu về module analog (EM235)
PLC S7-200 có các module Analog mở rộng như sau :
Trang 15+ Bộ lọc đầu vào input -3Db tai 3.1 Khz
+ Điện áp cực đại cung cấp cho module : 30 VDC.
+ Dòng điện cực đại cung cấp cho module : 32 mA.
+ Có LED báo trạng thái
+ Có núm điều chỉnh OFFSET và chỉnh độ lợi ( GAIN ).
b Đầu vào
+ Phạm vi ngõ vào: +/- 10V.
+ Phạm vi dòng điện ngõ ra: 0 -> 20 mA.
+ Có các bộ chuyển đổi analog sang digital : < 250 µs.
+ 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 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.
+ Kiểu dữ liệu đầu ra:
• Kiểu dữ liệu không dấu ( đơn cực ): từ 0 đến 32000.
• Kiểu dữ kiểu dữ liệu có dấu ( đa cực ): từ -32000 đến 32000.
+ Thời gian gửi tín hiệu đi :
• Điện áp : 100us.
Trang 16• 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 chon cực tính áp ngõ vào: ON đối với áp đơn cực, OFF đối với áp lưỡng cực; contact 2,3,4,5,6 chọn phạm vi điện áp.
Các bước điều 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 dể đưa tín hiệu giá trị chuẩn zero vào trong 1 các đầu vào.
Đọc giá trị vào PLC bằng kênh đầu vào thích hợp.
Trang 17 Chỉnh giá trị OFFSET có thể cho đến khi giá trị đọc vào là zero hoặc nhận ra giá trị dữ liệu số.
Ngắn mạch đầu vào các ngõ vào không 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 dong ngõ vào đối với module EM 231
Switch chỉnh chọn điện áp hoặc dòng ngõ vào đối với module EM 235.
Trang 18Switch 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.
Trang 19Tín 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 khuyeechs đại rồi đưa đến khối chuyển đổi ADC, chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tính 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.
Trang 2012 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 giá trị từ
dữ liệu dương 4 bit thấp có giá trị 0 được loại bỏ trước khi từ dữ liệu này được đưa vào bộ chuyển đổi DAC, các bit này không ảnh hưởng đến giá trị ở ngõ ra.
Các chú ý khi cài đặt ngõ ra ở analog.