sử dụng tín hiệu áp suất điều khiển tốc độ động cơ sử dụng plc s7 1200 và biến tần siemens v20

Ngoài ý nghĩa về mặt điều khiển, nó còn có nhiều chức năng khác như khởi động mềm, hãm, đảo chiều, điều khiểnthông minh… Trong đa số trường hợp, việc/ sử dụng biến tần còn mang lại hiệu

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Mục đích của đề tài

a) Đặt vấn đề

Sự phát triển của PLC đã đem lại nhiều thuận lợi và làm cho các thao tác máytrở nên nhanh, nhạy, dễ dàng và tin cậy hơn Nó có khả năng thay thế hoàn toàn chocác phương pháp điều khiển truyền thống dùng relay, khả năng điều khiển thiết bị dễdàng và linh hoạt dựa trên việc lập trình trên các lệnh logic cơ bản, giải quyết cácvấn đề toán học và công nghệ

Biến tần (Inverter, Variable Speed Drive – VSD) là thiết bị dùng để điềukhiển tốc độ động cơ dựa trên sự thay đổi tần số làm việc Trên thế giới hiện nay,biến tần được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp Ngoài ý nghĩa về mặt điều khiển,

nó còn có nhiều chức năng khác như khởi động mềm, hãm, đảo chiều, điều khiểnthông minh… Trong đa số trường hợp, việc/ sử dụng biến tần còn mang lại hiệu quảkinh tế (tiết kiệm điện năng tiêu thụ) Biến tần được ứng dụng nhiều cho các động cơ

có yêu cầu về thay đổi tốc độ như: bơm, quạt, băng tải, thang máy…

b) Mục đích của đề tài

Mục tiêu của đề tài là ổn định áp suất trong đường ống ở một ngưỡng đặttrước thông qua sự điều khiển của PLC đối với biến tần, hệ thống bơm dựa trên tínhiệu mà cảm biến áp suất trong đường ống đưa về

1.2 Phương pháp đo

a) Định nghĩa

Áp suất là đại lượng có giá trị bằng tỉ số giữa lực tác dụng vuông góc lên một mặt với diện tích của nó

Công thức:

P: áp suất F: lực tác dụng

b) Phương pháp đo áp xuất

ρ: khối lượng riêng của chất lưu

g: gia tốc trọng trường

- Trong cách đo thứ hai, người ta gắn lên thành bình các cảm biến đo ứng suất để đobiến dạng của thành bình.

Đối với chất lưu chuyển động, áp suất chất lưu (p) là tổng áp suất tĩnh (pt) và áp suấtđộng (pđ): p = pt + pđ

Áp suất tĩnh tương ứng với áp suất gây nên khi chất lỏng không chuyển động Áp suấtđộng do chất lưu chuyển động gây nên và có giá trị tỷ lệ với bình phương vận tốc chất lưu :

Khi dòng chảy va đập vuông góc với một mặt phẳng, áp suất động chuyển thành ápsuất tĩnh, áp suất tác dụng lên mặt phẳng là áp suất tổng Do vậy áp suất động được đothông qua chênh lệch giữa áp suất tổng và áp suất tĩnh Thông thường việc đo hiệu ápsuất (p - pt) thực hiện nhờ hai cảm biến nối với hai đầu ra của một ống Pitot (như hình vẽbên dưới), trong đó cảm biến (1) đo áp suất tổng, cảm biến (2) đo áp suất tĩnh

HÌNH 1: PHƯƠNG PHÁP ĐO ÁP SUẤT

 Có thể đo áp suất động bằng cách đặt áp suất tổng lên mặt trước và áp suấttĩnh lên mặt sau của một màng đo, như vậy tín hiệu đo cảm biến cung cấpchính là chênh lệch giữa áp suất tổng và áp suất tĩnh

Đo áp suất động bằng màng

1.3 Tìm hiểu về PLC S7 200

1.3.1 Khái quát về PLC S7 200

a.Giới thiệu 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 nghiệp và

thương mại

- 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

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 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

HÌNH 2: CẤU TRÚC HỆ THỐNG BÊN TRONG 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)

b Giới thiệu về 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

- Đồng hồ thời gian thực.

- Chương trình được bảo vệ bằng Password

- Toàn bộ dung lượng nhớ không bị mất dữ liệu 190 giờ khi PLC bị

™ 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

HÌNH 4: SƠ ĐỒ ĐẤU DÂY CỦA CPU 224 AC/DC/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 Hai đầu

dây nối được bảo vệ bên trong PLC và module.Chúng ta có thể kết nối PLC và

module sát nhau để bảo vệ hoàn toàn dây nối CPU224 cho phép mở rộng tối đa 7

module

1.4 Tìm hiểu về PLC S7-1200

1.4.1 Giới thiệu chung về PLCS7-1200

PLC S7-1200 (Promamable Logic Controller) là kết hợp I/O và các lựa chọn cấp nguồn, bao gồm 9 module các bộ cấp nguồn cả VAC – hoặc VDC – các bộ cấp nguồn với

sự kết hợp I/O DC hoặc Relay Các module tín hiệu để mở rộng I/O và các module giao tiếp dễ dàng kết nối với các mặt của bộ điều khiển Tất cả các mặt của bộ điều khiển Tất

cả các phần cứng Simatic S7-1200 có thể được gắn trên DIN rail tiêu chuẩn hay trực tiếp trên bảng điều khiển, giảm được không gian và chi phí lắp đặt

Được ra đời vào năm 2009 để dùng thay thế dần cho S7-200 và có những tính năng nổi trội hơn

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 nhưđiều khiển AC hoặc DC phạm vi rộng

 2 mạch tương tự và số mở rộng điều khiển mô-đun trực tiếp trên CPU làm giảm chi phí sản phẩm.

 13 module tín hiệu số và tương tự khác nhau

 2 module giao tiếp RS232/RS485 để giao tiếp thông qua kết nối PTP

1.4.2 CPU 1212C

Trong đề tài em sử dụng CPU 1212C DC/DC/relay

a) Hình dạng bên ngoài CPU 1212C

HÌNH 6: HÌNH ẢNH CPU 1212C

CPU 1212C gồm 10 ngõ vào và 6 ngõ ra, có khả năng mở rộng thêm 2 modul tín hiệu (SM), 1 mạch tín hiệu (SB) và 3 modul giao tiếp (CM)

 Các đèn báo trên CPU 1212C:

 STOP / RUN (cam / xanh): CPU ngừng / đang thực hiện chương trình đã nạpvào bộ nhớ

 ERROR (màu đỏ): màu đỏ ERROR báo hiệu việc thực hiện chương trình đã xảy ra lỗi.

 MAINT (Maintenance): led cháy báo hiệu việc có thẻ nhớ được gắn vào hay không

 LINK: Màu xanh báo hiệu việc kết nối với tính thành công

 Rx / Tx: Đèn vàng nhấp nháy báo hiệu tín hiệu được truyền

b) Cấu trúc bên trong.

Cũng giống như các PLC cùng họ khác, PLC S7-1200 gồm 4 bộ phận cơ bản: bộ

xử lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao tiếp xuất / nhập

- Bộ xử lý còn được gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU), chứa bộ vi xử lý, biên dịch các tín hiệu nhập và thực hiện các hoạt động điều khiển theo chương trình được lưu trong bộ nhớ của PLC Truyền các quyết định dưới dạng tín hiệu hoạt động đến các thiết bị xuất

- Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp DC (24V) cần thiết cho bộ xử lý và các mạch điện trong các module giao tiếp nhập và xuất hoạt động

- Bộ nhớ là nơi lưu trữ chương trình được sử dụng cho các hoạt động điều khiển dưới sự kiểm soát của bộ vi xử lý

- Các thành phần nhập và xuất (input / output) là nơi bộ nhớ nhận thông tin từ các thiết bị ngoại vi và truyền thông tin đến các thiết bị điều khiển

c) Tín hiệu nhập có thể từ các công tắc, các bộ cảm biến,… Các thiết bị xuất có thể làcác cuộn dây của bộ khởi động động cơ, các van solenoid,…

- Chương trình điều khiển được nạp vào bộ nhớ nhờ sự trợ giúp của bộ lập trình hay bằng máy vi tính

Hình 7: cấu trúc bên trong

d) Sơ đồ đấu dây của CPU 1212C

HÌNH 8: SƠ ĐỒ ĐẤU DÂY CỦA CPU 1212C DC/DC/RELAY

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

 Biến tần có chế độ ECO cho điều khiển V/f, V2/f

 Mang trong mình những tính năng chuyên biệt cho bơm, quạt và máy nén khí như chế độ ngủ đông (dừng khi động cơ thấp tải), tự khởi động lại khi mất điện và khởi động bám, phát hiện đứt dây đai nhờ việc giámsát momen tải, chế độ nối tầng bơm giúp khởi động thêm bơm khi cần tăng thêm lưu lượng

 Chống xâm thực ngưng tụ và đọng sương

 Bảo vệ quá áp, quá nhiệt, quá tải, lệch pha, mất pha

 Khả năng tiết kiệm điện lên tới 60%

Thông số kỹ thuật của biến tần Siemens V20

Cấp điện áp biến tần V20 1 pha x 200 240V (± 10 %)

3 pha x 380 480V (-15% +10%)

Điều khiển hồi tiếp PID

Giao diện bên ngoài biến tần V20 Với máy tính qua cổng USB, BOP-2,

SD CardPhần mềm cài đặt thông số cà chuẩn

đoán lỗi

 2 đầu vào tương tự

 Dùng cho môi trường chất khí, dầu, nước

 IP68 ( international protection 68 chữ số đầu tiên thể hiện mức độ bảo vệ với các vật thể rắn số 6 thể hiện chống bụi hoàn toàn, chữ số thứ 2 thể hiện chống n xâm nhập vậy số 8 thể hiện chịu đk một thời gian dài dưới nk ở độ sâu trên 1m và có áp lực)

 Nguồn 12 ~ 36 VDC

 Giá: 263,00 USD/cái

2.1.3 Chọn động cơ

 Với đề tài này em chọn động cơ không đồng bộ có thông số sau:

Động cơ không đồng bộ 3 pha Vihem 0,37KW

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

2.2.1 Sơ đồ khối

Quá trình điều khiển chủ yếu được thực hiện từ PLC PLC nhận tín hiệu analog từ cảm biến áp suất (được gắn trên đường ống chính) đưa về, sau khi PLC sử lý tín hiệu đó bằng logic, PLC sẽ ra quyết định điều khiển biến tần bằng tín hiệu analog ở ngõ ra, biến tần sẽ tự động thay đổi tần số theo tín hiệu analog đó, từ đó thay đổi tốc độ bơm, vì thế việc khống chế áp lực trên đường ống trở nên dễ dàng hơn nhiều

Cảm biến áp suất Wise 0~5bar ngõ ra 4-20mA đo áp suất đường ống và chuyển đổi về CPU của S7-1200 Do cảm biến sử dụng tín hiệu ra là dòng mà IW64 của biến tần chỉ nhận tín hiệu áp nên ta sử dụng một bộ biến đổi bên ngoài để biến đổi từ dòng sang áp

2.2.2.Sơ đồ đấu dây

Sơ đồ đấu dây của hệ thống như sau:

HÌNH 9: SƠ ĐỒ DẤU DÂY CỦA HỆ THỐNG

2.2.3.Xây dựng thuật toán

- Thuật toán chương trình điều khiển áp suất như sau:

HÌNH 10: THUẬT TOÁN CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN

- Giải thích thuật toán:

 Lúc đầu bấm start hệ thống hoạt động

 Giá trị áp xuất trả về sẽ xác định các cấp tốc độ chạy của động cơ

 Nếu gái trị áp suất chỉ 0<P≤1 đèn áp suất thấp PLA sẽ sáng Cấp tốc độ lớn nhất (F5 sẽ hoạt động)

 Nếu giá trị áp suất chỉ 1<P≤2 cấp tốc độ số 4 (F4) sẽ hoạt động

 Nếu giá trị áp suất chỉ 2<P≤3 cấp tốc độ số 3 (F3) sẽ hoạt động

 Nếu giá trị áp suất chỉ 3<P≤4 cấp tốc độ số 2 (F2) sẽ hoạt động

 Nếu giá trị áp suất chỉ 4<P≤5 cấp tốc độ thứ nhất (F5) sẽ hoạt động, đèn báo tín hiệu áp suất cao PHA sáng

 Nếu đèn bao P<0 hoặc P>5 thì hệ thống không hoạt động

 Bấm stop động cơ ngừng hoạt động

2.4 Xây dựng phần mềm

Lập trình trên phần mềm Tia portal V13

2.4.1 Phương pháp lập trình điều khiển.

Khác với phương pháp điều khiển cứng, trong hệ thống điều khiển có lập trình, cấu trúc

bộ điều khiển và cách đấu dây độc lập với chương trình

Chương trình định nghĩa hoạt động điều khiển được viết nhờ sự giúp đỡ của một máy vi tính

Để thay đổi tiến trình điều khiển, chỉ cần một thay đổi nội dung bộ nhớ điều khiển, chứ không cần thay đổi cách nối dây bên ngoài Qua đó, ta thấy được ưu điểm của phương pháp điều khiển lập trình được so với phương pháp điều khiển cứng Do đó, phương phápnày được sử dụng rất rộng rãi trong lĩnh vực điều khiển vì nó rất mềm dẻo… Phương pháp điều khiển lập trình được thực hiện theo các bước sau:

Hình 10:Phương pháp lập trình điều khiển

và một ngõ ra relay logic.

Các kí hiệu công tắc trên được dùng để xây dựng nên bất kì mạch logic nào: sự kết hợp nhiều mạch logic có thể biểu diễn mạch điều khiển cho mộtứng dụng có logic điều khiển phức tạp Điều cần thiết cho công việc thiết kế chương trình ladder là lập tài liệu về hệ thống và mô tả hoạt động của chúng để người sử dụng hiểu được mạch ladder một cách nhanh chóng và chính xác

Các qui ước của ngôn ngữ lập trình LAD:

- Các đường dọc trên sơ đồ biểu diễn đường công suất, các mạch được nối kết với đường này

- Mỗi nấc thang (thanh ngang) xác định một hoạt động trong quá trình điều khiển

- Sơ đồ thang được đọc từ trái sang phải và từ trên xuống Nấc ở đỉnh thang được đọc từ trái sang phải, nấc thứ hai tính từ trên xuống cũng đọc tương tự… Khi ở chế độ hoạt động, PLC sẽ đi từ đầu đến cuối chương trình thang sau đó lặp đi lặp lại nhiều lần Quá trình lần lượt đi qua tất cả các nấc thang gọi là chu kỳ quét

- Mỗi nấc thang bắt đầu với một hoặc nhiều ngõ vào và kết thúc với ít nhất một ngõ ra

- Các thiết bị điện được trình bày ở điều kiện chuẩn của chúng Vì vậy, công tắc thường

hở được trình bày ở sơ đồ thang ở trạng thái hở Công tắc thường đóng được trình bày ở trạng thái đóng.

- Thiết bị bất kỳ có thể xuất hiện trên nhiều nấc thang Có thể có một rơle đóng một hoặc nhiều thiết bị

- Các ngõ vào và ra được nhận biết theo địa chỉ của chúng, kí hiệu tùy theo nhà sản xuất qui định

Ngôn ngữ lập trình FDB (Funtion Block Diagram):

b) Phần mềm lập trình SIMATIC TIA Portal STEP7 Basic.

Phần mềm SIMATIC TIA Portal STEP7 Basic cung cấp một môi trường thân thiện với người dùng, từ hiệu chỉnh, thư viện, và bộ điều chỉnh logic cần thiết đến ứng dụng điều khiển

SIMATIC TIA Portal STEP7 Basic cung cấp công cụ cho quản lý và cấu hình tất cả các thiết bị trong project, ví dụ như: PLCs và thiết bị HMI

SIMATIC TIA Portal STEP7 Basic cung cấp hai ngôn ngữ lập trình (LAD và FBD), thích hợp và hiệu quả trong cải tiến lập trình điều khiển trong ứng dụng Ngoài ra

SIMATIC TIA Portal STEP7 Basic cung cấp một hệ thống trợ giúp trực tuyến và cung cấp 2 chế độ hiển thị khác nhau: a project-oriented view và a task-oriented set of portals

Trình tự các bước thiết kế một chương trình điều khiển.

Hình 13 : Sơ đồ thiết kể một chương trình điều khiển

Giao diện của phần mềm SIMATIC TIA Portal STEP7 Basic.

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

Hình14 Giao diện chính của phần mềm.

Để tạo một project mới ta thực hiện theo các bước sau:

Từ giao diện chính của phần mềm, chọn Start / Create new project / Create / Create a PLC program / Main

Lúc này vùng soạn thảo chương trình dưới dạng Ladder hiện ra

Stop

Chèn / xóa network

Thanh công cụ lệnhCác phần tử lập trình thường dùng:

Các lệnh logic:

Các lệnh Timer

Các lệnh Counter

Các lệnh So sánh

Các lệnh Toán học

Các lệnh Chuyển đổi.

2.4.2 Xây dựng chương trình điều khiển

Bảng định địa chỉ:

- Chương trình hoạt động theo điều khiển 3 tín hiệu

 Từ các chân ngoài của biến tần điều khiển theo cấp tốc độ giá trị tần số cố định cài đặt trên biến tần

 Cấp tín hiệu đầu ra của PLC với tín hiệu vào của biến tần dựa vào tín hiệu

áp suất để điều khiển

 Thiết kế gồm 2 chế độ:

 chế độ bằng tay

 chế độ tự động

Chương trình chính:

Chương trình con:

Chế độ tự động:

Chế độ bằng tay:

2.5 Cài đặt thông số cho biến tần V20

 Sau khi đưa tín hiệu PLC vào biến tần Ta tiến hành cài đặt một số thông số của

nó, điều khiển tốc độ máy bơm nước, nhằm ổn định áp suất trên đường ống

 Đưa tín hiệu tương tự AQW0 vào đầu vào analog số 1(+), chân số 3 của biến tần

 Cài đặt thông số cho biến tần điều chỉnh tốc độ máy bơm

 P307=công suất định mức động cơ(KW) Với P100=0

 P308=hệ số cos φ định mức của động cơ

 P309=hiệu suất định mức động cơ(%)