Mục đích của đề tài là ổn định áp suất 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 áp suất trong đường ống đưa về.
Trang 1LỜI 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 “Ứng dụng đo, điều khiển và cảnh báo áp
suất trên đường ống với giải đo 0-5 bar” 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, 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 em kiến thức để hoàn thành đồ án môn học này Mong cô góp ý để em hoànthành bài tập lớn này được tốt hơn sau này
Em xin chân thành cảm ơn !
Điều Khiển Lập Trình PLC
Trang 2CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT.
1.1 Mục đích của đề tài
Mục đích của đề tài là ổn định áp suất trong đường ống ở một ngưỡngđặt trước thông qua sự điều khiển của PLC đối với biến tần, hệ thống bơm dựatrên tín hiệu mà cảm biến áp suất trong đường ống đưa về
1.2 Phương pháp đo áp suất
1.2.1 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
S: tiết diện
Đối với các chất lỏng, khí hoặc hơi ( gọi chung là chất lưu), áp suất là một thông
số quan trọng xác định trạng thái nhiệt động học của chúng
Trong công nghiệp, việc đo áp suất chất lưu có ý nghĩa rất lớn trong việc đảm bảo an toàn thiết bị, cũng như giúp cho việc kiểm tra và điều khiển hoạt động của máy móc thiết bị có sử dụng chất lưu.Trong hệ đơn vị quốc tế (SI), đơn vị áp suất là
Pascal: 1 Pascal là áp suất tạo bởi một lực có độ lớn bằng 1N phân bố đồng đều trên một diện tích 1m 2 theo hướng pháp tuyến
Trang 31.2.2 Nguyên lý đo áp suất
Đối với chất lưu không chuyển động, áp suất chất lưu là áp suất tĩnh Do vậy, đo
áp suất chất lưu thực chất là xác định lực tác dụng lên một diện tích thành bình Đối với chất lưu không chuyển động chứa trong một ống hở đặt thẳng đứng, áp suất tĩnh tại một điểm M cách bề mặt tự do một khoảng h được xác định theo công thức:
p = p0 + ρghTrong đó: p0 là áp suất khí quyển
ρ: khối lượng riêng của chất lưu
g: gia tốc trọng trường
Trong cách đo thứ nhất, phải sử dụng một cảm biến đặt sát thành bình Trongtrường hợp này, áp suất cần đo được cân bằng với áp suất thủy tĩnh do cột chất lỏngmẫu tạo nên hoặc tác động lên một vật trung gian có phần tử nhạy cảm với lực do
áp suất gây ra Khi sử dụng vật trung gian để đo áp suất, cảm biến thường trang bịthêm bộ phận chuyển đổi điện
Trong cách đo thứ hai, người ta gắn lên thành bình các cảm biến đo ứng suất để
đo biến dạng của thành bình
Đối với chất lưu chuyển động, áp suất chất lưu (p) là tổng áp suất tĩnh (pt) và ápsuất động (pđ): p = pt + pđ
Điều Khiển Lập Trình PLC
Trang 4Áp suất tĩnh tương ứng với áp suất gây nên khi chất lỏng không chuyển động
Áp suất động do chất lưu chuyển động gây nên và có giá trị tỷ lệ với bình phương vận tốc chất lưu :
pd=
Khi dòng chảy va đập vuông góc với một mặt phẳng, áp suất động chuyển thành
áp suất tĩnh, áp suất tác dụng lên mặt phẳng là áp suất tổng Do vậy áp suất độngđược đo thông qua chênh lệch giữa áp suất tổng và áp suất tĩnh Thông thường việc
đo hiệu áp suất (p - pt) thực hiện nhờ hai cảm biến nối với hai đầu ra của một ốngPitot (như hình vẽ bên dưới), trong đó cảm biến (1) đo áp suất tổng, cảm biến (2)
đo áp suất tĩnh
Trang 5Có 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 do cảm biến cung cấp chính làchênh lệch giữa áp suất tổng và áp suất tĩnh
- 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 tíchhợp thêm một số hàm chuyên dùng như bộ điều khiển PID, dịch chuyển khối dữliệu, 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
Điều Khiển Lập Trình PLC
Trang 6+ 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)
Trang 7b 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 đƣợc 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
Điều Khiển Lập Trình PLC
Trang 8PLC CPU 224 S7-200
- CPU được cấp nguồn 220VAC.Tích hợp 14 ngõ vào số (mức 1 là 24Vdc,mức 0 là 0Vdc) 10 ngõ ra dạng relay
● 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
Trang 9● Cách đấu nối ngõ vào ra PLC:
• 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 đầudây nối được bảo vệ bên trong PLC và module.Chúng ta có thể kết nối PLC vàmodule sát nhau để bảo vệ hoàn toàn dây nối CPU224 cho phép mở rộng tối đa
7 module
Điều Khiển Lập Trình PLC
Trang 101.3.2 Giới thiệu về module Analog.
PLC S7-200 có các module analog mở rộng như sau:
• 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
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
95%
• Chế độ Mode chung: Điện áp vào đầu cộng củachế độ Mode chung nhỏ hơn hoặc bằng 12V
Kiểu không dấu (đơn cực) tầm từ 0 đến 32000,
Kiểu có dấu (đa cực) tầm từ –32000 đến 32000
Trang 11c Đầu ra
• Phạm vi áp ngõ ra : +/- 10V
• Phạm vi dòng điện ngõ ra: 0 -> 20mA
• Độ phân giải:
• 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:
Trang 12Có 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.
Trang 13Các bước chỉnh đầu vào.
Bật nguồn lên cho CPU và Module sau đó để cho hoạtđộng 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 nhận được
Chỉnh độ lợi có thể cho đến khi giá trị đọc được là32.000 hay nhận được 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:
Điều Khiển Lập Trình PLC
Trang 14Các chú ý khi cài đặt ngõ ra analog.
Chắc chắn rằng nguồn 24VDC cung cấp không bịnhiễu và ổn định
dùng cho một mình cảm 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
Trang 15- Đầu vào: 3AC 380-480 V +10/-10%, 47-63 HZ
- Đối với điện áp vào 1 pha: 200V - 240V
Trang 162.1.2 Chọn Cảm biến đo áp suất.
Đề tài này em sử dụng cảm biến Đo áp suất dải đo 0 ~ 5Bar Nhà sản suất: Wise.Thông số kỹ thuật:
2.1.3 Tính toán thông tin đo ra từ cảm biến
Dải đo của cảm biến là 0 bar-5 bar tương đương với dải đầu ra của bộ chuyển đổi là0-10 V nên ta có đặc tính cảm biến như sau:
từ đó ta có các giá trị chuyển đổi:
Trang 17Đầu ra của cảm biếm đc nối với EM235 với dải chuyển dổi là
0 – 32767 dùng kiểu integer lấy phần dương , nên ta có đặc tính analog như sau:
Ta có các giá trị chuyển đổi:
Với đề tài này em chọn 2 động cơ không đồng bộ có thông số sau:
Động cơ không đồng bộ 3 pha Vihem 0.37KW
• Momen đầu trục cực đại (Nm): 0
(*)Chúng em chọn 2 động cơ có công suất như nhau để đảm bảo công suất và
đề phòng khi động cơ chính có sự cố thì động cơ phụ có thể thay thế
Điều Khiển Lập Trình PLC
Trang 182.2 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 hiệuanalog từ cảm biến áp suất (được gắn trên đường ống chính) đưa về, sau khiPLC sử lý tín hiệu đó bằng logic, PLC sẽ ra quyết định điều khiển biến tần bằngtín 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 trởnên dễ dàng hơn nhiều
- Bộ điều khiển PLC: CPU 224 AC-DC-Relay và Module Analog EM 235 củaSiemens, Module Analog EM 235 dùng để nhận tín hiệu từ cảm biến áp suấtchuyển 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 MM440
- Cảm biến áp suất wise 0~5 bar ngõ ra 4-20mA đo áp suất đường ống và chuyểnđổi để đưa về CPU của S7-200
Ta dùng cổng truyền thông RS485 để kết nối giữa PLC và máy tính
Nhưng do cổng truyền thông của máy tính là RS232 lên do đó cần phải cómột bộ chuyển đổi từ chuẩn RS-232 sang chuẩn RS-485 của PLC
Trang 192.2.2 Sơ đồ đấu dây.
Sơ đồ đấu dây của hệ thống như sau:
Sơ đồ nối dây CPU 224 AC/DC/Relay với nguồn ngoại vi
Điều Khiển Lập Trình PLC
Trang 202.3 Xây dựng thuật toán.
Thuật toán chương trình điều khiển áp suất như sau:
ON
SAI
ÁP SUẤT CAO
ÁP SUẤT THẤP
ĐÚNG
ÁP SUẤT BÌNH THƯỜNG
Trang 212.4 Xây dựng phần mềm.
Lập trình trên phần mềm Step 7 MicroWin 4.0 sp9
Bảng địa chỉ:
Trang 22Chương trình điều khiển:
Hình 3.4.2: Network 1: Khởi động hệ thống
Hình 3.4.3: Network 2: Đèn báo hệ thống làm việc
Trang 23Hình 3.4.4: Network 3: chuyển đổi tín hiệu từ cảm biến sang tín hiệu interger,
từ tín hiệu interger sang duoble interger, từ duoble interger sang real
Hình 3.4.5: Network 4: Đèn báo áp suất thấp
Điều Khiển Lập Trình PLC
Trang 24Hình 3.4.6: Network 5: Áp suất bình thường
Hình 3.4.7: Network 6:Đèn báo áp suất cao
Trang 25Hình 3.4.9: Network 8 : Bơm chính hoạt động
Hình 3.4.10 :Mô phỏng hệ thống
Điều Khiển Lập Trình PLC
Trang 26CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ ĐỀ TÀI.
- Hiểu thêm một số phần mêm: wincc7.0, Step 7 MicroWin,…
- Hiểu được nguyên tắc lập trình điều khiển áp suất trên đường ống dùng lậptrình PLC
-Đưa ra được lưu đồ giải thuật và sơ đồ khối
3.2.Kết quả thực nghiệm-hạn chế và biện pháp khắc phục
• Kết quả thực nghiệm
-Do chưa có điều kiện nên chúng em chưa thể thực hiện thực nghiệm được mà chỉ
mô phỏng được trên phần mền
Trang 27Tài Liệu Tham Khảo
1.Điều khiển lập trình PLC
2.Giáo trình đo lường và cảm biến
3.Các tài liệu trên Internet
Điều Khiển Lập Trình PLC
Trang 28MỤC LỤC