ĐIỀU KHIỂN BƠM TIÊU NƯỚC SỬ DỤNG PLC S7200

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘIKHOA ĐIỆN----™™™---- BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN BƠM TIÊU NƯỚC SỬ DỤNG PLC S7-200.Giáo vi

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN ™™™

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC

ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN BƠM TIÊU NƯỚC SỬ DỤNG PLC S7-200.Giáo viên hướng dẫn: NGUYỄN DUY LONG

Sinh viên thực hiện: HOÀNG VĂN MẠNH 1631040361

Nội dung đề tài: Điều khiển hệ thống bơm tiêu nước sử dụng PLC S7-200 điều

khiển biến tấn

Hệ thống bớm tiêu nước gồm:

- Cảm biến mức thấp : I0.0

- Cảm biến mức trung bình : I0.2

- Cảm biến mức cao : I0.2

- Bơm 1 : Q0.0

- Bơm 2 :Q0.1

- Đèn báo mức cao : Q0.2

Yêu cầu công nghệ:

- Khi mức nước dâng lên mức trung bình thì chạy bơm 1 Q0.0

- Khi mức nước dâng lên mức cao thì chạy bơm 2 Q0.1 và đèn báo mức cao Q0.2

- Khi mức nước tụt xuống dưới mức cao thì tắt đèn báo mức cao Q0.2

- Khi mức nước tụt từ mức cao xuống dưới mức trung bình thì dừng bơm 2: Q0.1

- Khi mức nước tụt từ mức trung bình xuống dưới mức thấp thì dừng bơm 1

MỤC LỤC

1.1.Mục đích 6

1.1.2 Mục tiêu của đề tài 6

1.1.4 Ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài 6

1.2 Phương pháp đo mức nước 6

1.3 Tìm hiểu về PLC S7 200 7

1.3.1 Khái quát về PLC S7 200 7

1.3.2 Giới thiệu về module Analog 11

1.4 S7-200 PC Access 19

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 20

2.1 Lựa chọn thiết bị 20

2.1.1 Biến tần MM440 20

20

23

2.1.2 Cài đặt thông số biến tần MM440 23

2.1.2 Chọn Cảm biến đo mức nước 24

2.1.3 Chọn động cơ 26

2.2 Xây dựng sơ đồ khối, sơ đồ đấu dây 26

2.2.1 Sơ đồ khối 26

2.2.2 Sơ đồ đấu dây 27

2.4 Chương trình điều khiển 29

2.5 Thiết kế giao diện giám sát trên Wincc 7.0 31

2.5.1 Giới thiệu Wincc 7.0 31

2.5.2 Cách sử dụng Wincc 7.0 31

3

Chương 4: Kết quả đề tài 36

4.1.Kết luận nội dung đề tài 36

4.2.Các hạn chế 36

4.3.Biện pháp khắc phục 36

Tài liệu tham khảo 37

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 bơm tiêu nước sử dụng PLC S7-200 ” 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 4/ K16 đặc biệt là giảng viên Đỗ Duy Long - 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 thầy góp ý để em hoàn thành bài tập lớn này được tốt hơn sau này

Em xin chân thành cảm ơn !

5

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 bơm tiêu nước sử dụng PLC S7-200 ” 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 bơm tiêu nước sử dụng PLC S7-200điều khiển với biến tần, hệ thống bơm dựa trên tín hiệu mà cảm biến mức nướctrong bể chứa đặt trước một ngưỡng nhất định báo về biến tần

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 kếthợp với cảm biến đo mức nước

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 bơm tiêu nước sử dụng PLC S7-200” xây dựng mô hình kết hợp PLC với

biến tần để điều khiển lưu lượng nước trong bể chưa một cách tối ưu nhất

1.2 Phương pháp đo mức nước

Hiện nay có rấ nhiều loại cảm biến đo mức nước, tùy vào ứng dụng, mục đích sử dụng khác nhau thì sẽ có những loại cảm biến đo mức phù hợp và một

điều chắc chắn là phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố môi trường, nhiệt độ, vị trí lắp đặt, điện tích lắp đặt.

- cảm biến đo mức nước dạng phao

- cảm biến đo mức nước dạng phao tuyến tính

- cảm biến đo mức nước dạng quang

- cảm biến đo mức nước dạng siêu âm

- 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

7

- 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,…

- 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

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

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

- Bộ nhớ loại EEFROM

- Có 14 cổng vào, 10 cổng ra

- Có thể thêm vào 7 modul mở rộng kể cả modul Analog

- Chương trình được bảo vệ bằng Password

- Tồn bộ dung lượng 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

11

• 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: 1.5msđến 95%

•Chế độ Mode chung: Điện áp vào đầu cộng củachế độ Mode chung nhỏ hơn hoặc bằng 12V

•Kiểu dữ liệu đầu vào input:

 Kiểu không dấu (đơn cực) tầm từ 0 đến32000,

 Kiểu có dấu (đa cực) tầm từ –32000 đến32000

c Đầu ra

• Phạm vi áp ngõ ra : +/- 10V

• Phạm vi dòng điện ngõ ra: 0 -> 20mA

• Độ phân giải:

 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 đến32000

• Thời gian gửi tín hiệu đi:

 Điện áp: 100us

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 điện áp.

Các bước chỉnh đầu vào.

 Tắt nguồn Module, chọn tầm đầu vào mong

 Đọc giá trị vào PLC bằng kênh đầu vào thích

 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 đốivới module EM 231.

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

15

Switch chỉnh chọn độ lợi, đơn cực hoặc lưỡng cực vàđộ 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:

17

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

12 bit dữ liệu trước khi đưa vào bộ chuyển đổi DACđược canh trái đều (left justified) trong word dữ liệu ngõ

ra Bit MSB là bit dấu: “0” diễn tả giá trị từ dữ liệudương 4 bit thấp có giá trị 0 được loại bỏ trước khi từdữ liệu này được đưa vào bộ chuyển đổi DAC, các bitnày không ảnh hưởng đến giá trị ở ngõ ra

Các chú ý khi cài đặt ngõ ra analog.

 Chắc chắn rằng nguồn 24VDC cung cấp không bịnhiễu 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 chỉdùng cho một mình cảm biến thôi

 Tránh đặt các dây tín hiệu song song với dây cónăng 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 L a ch n thi t b ự ọ ế ị

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

- Tích hợp chức năng bảo vệ nhiệt cho động cơ dùng PTC / KTY.

- Khối chức năng Logic tự do: AND, OR, định thời, đếm

- Moment không đổi khi qua tốc độ 0

- Kiểm soát Moment tải

Thông số của MM440

1.Công suất định mức:

• Công suất từ 0.37 KW đến 200 Kw đối với điện áp vào 3 pha AC 380V-480V

• Công suất từ 0.12Kw đến 3.0kw đối với điện áp vào 1 pha 200V - 240V

• Công suất từ 0.12kw đến 45.0kw đối với điện áp vào 3 pha 200V - 240V

• Có tích hợp bộ điều khiển PID

• Có chức năng hãm DC, hãm tổ hợp và hãm bằng điện trở hay hảm độngnăng

- Phương pháp điều khiển:

• V/f tuyến tính

• V/f bình phương

• V/f đa điểm

21

• Điều khiển dòng từ thông

• Điều khiển vecter

• Điều khiển Momen

• Quá nhiệt động cơ, quá nhiệt biến tần…

- Các tuỳ chọn khác như: Bảng điều khiển BOP, AOP, bộ phụ kiện lắp BOP trêncánh tủ, bộ ghép nối PC, đĩa CD cài đặt, modul profibus, bộ lọc đầu vào, bộ lọcđầu ra, đặc biệt là có thể gắn modul encoder …

* Ứng dụng:

Cho các ứng dụng cao cấp điều khiển chính xác (Cần trục, cầu trục, máy nâng

hạ, cân động, máy đùn ) với công suất nhỏ hơn 250KW

Chú ý: MM40 cuyên ứng dụng cho các Momen không đổi và các momen thay đổi theo tốc độ

Sơ đồ đấu dây của biến tần MM440: