bài tập lớn plc: Ứng dụng PLC của Siemens đo, điều khiển và cảnh báo áp suất trên đường ống nước với giải đo:0 ÷ 5bar

Phân tích yêu cầu công nghệ Khảo sát và chọn công nghệ trong thực tiễn ứng dụng hệ thống điều áp suất trên đường ống Tính chọn các thiết bị trên mô hình đã chọn (cấu tạo, nguyên lý, sơ đồ chân..) Vẽ sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý mạch lực, mạch cách lyXác định chu trình cần điều khiển Xác định các biến cần điều khiểnLập bảng địa chỉVẽ sơ đồ đấu dây Thiết lập lưu đồ sơ đồ ghép nối hệ thống với PLC thuật toán Viết chương trình điều khiển trên PLC

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA

VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

ĐỒ ÁN HỌC PHẦN: ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC

Số : ……01……

Họ và tên HS-SV : Lớp :

Nhóm :

Khoá : ………K10……… Khoa : ……Điện

Giáo viên hướng dẫn: Tống Thị Lý

NỘI DUNG

Đề tài: Ứng dụng PLC của Siemens đo, điều khiển và cảnh báo áp suất trên đường

ống nước với giải đo:[0 ÷ 5]bar

PHẦN THUYẾT MINH

Yêu cầu về bố cục nội dung:

1: Phân tích yêu cầu công nghệ

- Khảo sát và chọn công nghệ trong thực tiễn ứng dụng hệ thống điều áp suất trên đường ống

- Tính chọn các thiết bị trên mô hình đã chọn (cấu tạo, nguyên lý, sơ đồ chân )

- Vẽ sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý mạch lực, mạch cách ly

- Xác định chu trình cần điều khiển

2: Vẽ

- Xác định các biến cần điều khiển

- Lập bảng địa chỉ

Mục lục

LỜI MỞ 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 các đặcđiểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ…là những yếu tố rấtcần thiết góp phần 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 đãđáp 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

Bài tập lớn môn PLC là một bài tập vô cùng quan trọng trong hành trangcủa mỗi sinh viên Nó cũng như đánh dấu 1 bước trưởng thành mới của mỗichúng em Để hoàn thành được bài đồ án môn này cho phép nhóm chúng em xin

được bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy cô giáo trong Khoa Điện- Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội đã truyền thụ những kiến thức vô cùng quý báu và

bổ ích trong thời gian đã qua

Nhóm sinh viên thực hiện đề tài“ Ứng dụng PLC đo, điều khiển và cảnh báo áp suất trên đường ống với giải đo:[0 ÷ 5]bar” của chúng em cũng xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới cô: TỐNG THỊ LÝ- Bộ Môn Đo Lường Và Điều Khiển- Khoa Điên- Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội.

Cô đã luôn tận tình giúp đỡ chỉ bảo, cung cấp tài liệu và tạo mọi điều kiện thuậnlợi cho nhóm trong suốt thời gian tìm hiểu, nghiên cứu và xây dựng đề tài

Em xin chân thành cảm ơn !

Chương 1 Tổng Quan

1 Đặt vấn đề

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

Biến tần (Inverter,Variable Speed Drive-VSD) là thiết bị dùng để điều khiển tốc

độ động cơ dựa trên sự thay đổi tần số làm việc Trên thế giới hiện nay ,biến tầnđược áp dụng rộng rãi trong công nghiệp Ngoài ý nghĩa về mặt điều khiển ,nócòn 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 được ứng dụngnhiều cho các động cơ có yêu cầu về thay đổi tốc độ như :bơm ,quạt, băng tải,thang máy……

2 Lý do chọn đề tài

Các 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 thốngphân phối nước sạch trong mạng lưới cấp nước sinh hoạt ,các trạm cấp nướcnông thôn… Các trạm bơm nước phổ biến hiện nay đều được thiết kế theophương pháp truyền thống với đặc điểm là các bơm được khởi động trực tiếpsao/tam giác và tất cả các động cơ đều hoạt động ở tốc độ định mức.Phươngpháp này khó kiểm soát được áp suất trong đường ống nước

Khi ở thời gian cao điểm :Lượng nước đầu ra cần sử dụng nhiều hệ thống mặc

dù chạy 100% tải nhưng vẫn sẽ không đủ nước cung cấp cho Nhà máy-Thiếunước.Nếu muốn bổ sung thêm nước người vận hành phải tự Đóng bằng taythêm bơm khác vào hệ thống ,việc này có rất nhiều hạn chế vì việc sử dụng

1 Phương thức điều khiển bơm

Đầu ra của PLC được nối với biến tần để điều khiển biến tần và từ đây biến tầnđiều khiển tốc độ động cơ Khi sử dụng thiết bị biến tần cho phép điều chỉnhmột cách linh hoạt lưu lượng và áp lực cấp vào mạng lưới theo yêu cầu tiêu thụ.Với tín hiệu từ cảm biến áp lực phản hồi về PLC, PLC sẽ so sánh giá trị truyền

về này với giá trị đặt để từ đó ra lệnh cho biến tần giúp thay đổi tốc độ của động

cơ bằng cách thay đổi tần số dòng điện đưa vào động cơ để đảm bảo áp suấtnước trong đường ống là ổn định

+ Điều khiển theo hình thức biến tần điều khiển một bơm Một máy bơm chínhthông qua thiết bị biến tần, các máy bơm còn lại đóng mở trực tiếp bằng khởiđộng mềm Khi tín hiệu áp lực và lưu lượng trên mạng lưới hồi tiếp về PLC Bộ

vi xử lý sẽ so sánh với giá trị cài đặt và điều khiển tốc độ máy bơm chính chạyvới tốc độ phù hợp Khi mà bơm được điều khiển bằng biến tần hoạt động ở chế

độ định mức mà vẫn chưa đáp ứng được áp suất trên được ống thì PLC sẽ ralệnh để đưa các máy bơm khởi động mềm tham gia vào hệ thống nhằm duy trìđược áp suất mong muốn trong đường ống Đến một lúc nào đó, khi mà áp suấttrong đường ống đã đủ thì PLC sẽ ngắt các bơm phụ ra dần dần tránh áp suất caogây nguy hiểm cho đường ống Trong trường hợp ngắt tất cả các bơm mà áp suấtvẫn còn cao thì PLC sẽ ra lệnh cho biến tần để biến tần giảm dần tần số củađộng cơ để đưa áp suất trong đường ống về gần bằng giá trị đặt nhanh nhất trongthời gian có thể Tất cả những việc này thì được theo dõi và giám sát bằngWinCC qua màn hình máy tính (hoặc được điều khiển bằng tay)

2 Mô tả hoạt động của hệ thống (được điều khiển theo hình thức biến tần điều khiển một bơm)

Trong hệ thống có 2 máy bơm: Một máy bơm 3 pha và một máy bơm 1 pha.Biến tần sẽ điều khiển trực tiếp máy bơm 3 pha, máy bơm 1 pha sẽ bơm dựphòng khi mà máy bơm 3 pha chạy hết công suất định mức mà áp suất vẫn chưa

ổn định ở giá trị setpoint Máy bơm dự phòng này sẽ được điều khiển trực tiếpbằng điện lưới 220V

Khởi động hệ thống lên thì máy bơm 3 pha được điều khiển bằng biến tần sẽđiều khiển động cơ chạy cho tới khi đạt được áp suất đặt Khi áp suất trongđường ống đã bằng áp suất đặt thì biến tần sẽ giữ ổn định tốc độ của máy bơmnày Trường hợp tải thay đổi tức là áp suất thay đổi, tùy theo tải tăng hay giảmthì biến tần sẽ điều khiển máy bơm chạy nhanh hay chậm Khi tải tăng tức là ápsuất giảm, lúc này muốn ổn định áp suất thì biến tần sẽ điều khiển máy bơmchạy nhanh hơn (tức tăng tần số của máy bơm 3 pha) cho tới khi đạt được ápsuất đặt Ngược lại, khi tải giảm thì biến tần sẽ giảm tần số của máy bơm xuốngcho tới khi đạt được áp suất đặt Nếu lúc tải giảm mạnh nhất (áp suất tăng lêncao) thì bơm dự phòng sẽ tự động dừng chỉ còn bơm biến tần hoạt động Hệthống cứ hoạt động liên tục như vậy, áp suất trong đường ống luôn luôn giữ ổnđịnh tránh tình trạng áp suất tăng quá cao sẽ gây vỡ đường ống cấp nước

4 Hệ thống điều khiển áp suất

1 Yêu cầu công nghệ

Hệ thống sẽ tự động giám sát áp suất nước trên đường ống mạng và điều khiểnngược lại để đảm bảo giữ đúng áp suất theo yêu cầu PLC sẽ điều khiển áp suấtnước trên đường ống mạng theo đồ thị phụ tải ngày, tức là hệ thống sẽ điềukhiển áp suất theo thời gian thực Hệ thống điều khiển tự động này một số chứcnăng chính sau:

- Đo lường: Do đầu đo áp suất đo lường và chuyển đổi để đưa về CPU củaPLC

- Xử lý thông tin: Bộ điều khiển trung tâm sẽ đảm nhiệm vấn đề này

- Điều khiển: PLC sẽ phối hợp với biến tần làm việc này theo yêu cầu

- Giám sát: PLC sẽ kết đầu đo áp suất để giám sát hệ thống hoạt động

- Hệ thống có thể chuyển đổi qua lại giữa các motor bơm chạy với biến tầnnhằm mục đích nâng cao tuổi thọ bơm, phục vụ bảo trì bảo dưỡng màkhông làm gián đoạn sản xuất

Đồng thời để cho phép mở rộng và phát triển phụ tải sau này, hệ thống có thể sửdụng cùng lúc hai bơm nếu cần Bơm thứ hai sẽ đươc tự động đóng chạy trựctiếp thông qua công tắc tơ như là một bơm nền và bơm có biến tần sẽ chạy điềuchỉnh đỉnh cho phù hợp với phụ tải

2 Phương pháp đo áp suất

Trong hệ đơn vị quốc tế (SI), đơn vị áp suất là Pascal: 1 Pascal là áp suất tạobởi một lực có độ lớn bằng 1N phân bố đồng đều trên một diện tích 1m2 theo

p = p0 + ρgh

Trong đó: p0 là áp suất khí quyển

ρ: khối lượng riêng của chất lưu

g: gia tốc trọng trường

Để đo áp suất tĩnh có thể tiến hành bằng các cách sau:

- Đo áp suất chất lưu lấy qua một lỗ được khoan trên thành bình nhờ cảmbiến thích hợp

- Đo trực tiếp biến dạng của thành bình do áp suất gây nên

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 chấtlỏng mẫu tạo nên hoặc tác động lên một vật trung gian có phần tử nhạy cảm vớilực do áp suất gây ra Khi sử dụng vật trung gian để đo áp suất, cảm biến thườngtrang bị thêm 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

áp suất động (pđ):

p = pt + pđ

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

Trong đó là khối lượng riêng chất lưu

Khi dòng chảy va đập vuông góc với một mặt phẳng, áp suất động chuyểnthành áp suất tĩnh, áp suất tác dụng lên mặt phẳng là áp suất tổng Do vậy ápsuất động được đo thông qua chênh lệch giữa áp suất tổng và áp suất tĩnh Thôngthường việc đo hiệu áp suất (p - pt) thực hiện nhờ hai cảm biến nối với hai đầu racủa một ống Pitot (như hình vẽ bên dưới), trong đó cảm biến (1) đo áp suất tổng,cảm biến (2) đo áp suất tĩnh

Hình 1: cảm biến áp suất

Hình 2: Đo áp suất động bằng ống pitol

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 do cảm biến cung cấp chính

là chênh lệch giữa áp suất tổng và áp suất tĩnh

1, màng đo

2, phần tử áp điện

Hình 3: Đo áp suất động bằng màng

c Phương pháp đo lựa chọn cho hệ thống

Do chất lưu trong ống luôn chuyển động khi bơm nên ta dùng phương pháp đo

áp suất đối với chất lưu động

Chương 2 Thiết kế hệ thống

sử dụng là MicroMaster 440.MM440 chính là họ biến tần mạnh mẽ nhất trongdòng các biến tần tiêu chuẩn Khả năng điều khiển vector cho tốc độ và moomenhay khả năng điều khiển vòng kín bằng bộ PID có sẵn đem lại độ chính xáctuyệt vời cho các hệ thống truyền động quan trọng như các hệ thống nângchuyển ,các hệ thống định vị Không chỉ cí vậy ,một loạt khối logic sẵn có lậptrình tự do cung cấp cho người sử dụng sự linh hoạt tối đa trong việc điều khiểnhàng loạt các thao tác một cách tự động MicroMaster 440 là bộ biến đổi tần sốdùng điều khiển tốc độ động cơ 3 pha xoay chiều Có nhiều loại khác nhau từ120W nguồn vào 1 pha đến 200KW nguồn vào ba pha.Các biến tần dùng vi xử lí

để điều khiển và dùng công nghệ transistor lưỡng cực nửa cách ly.Điều này làmcho chúng đáng tin cậy và linh hoạt Một phương pháp điều chế độ rộng xungđặc biệt với tần số xung được chọn cho phép động cơ làm việc êm Biến tần cónhiều chức năng bảo vệ động cơ

Hình 4: Biến tần MM440Biến tần MicroMaster 440 với các thông số đặt mặc định của nhà sản xuất ,cóthể phù hợp với một số ứng dụng điều khiển động cơ đơn giản .Biến tầnMicroMaster 440 cũng được dùng cho nhiều các ứng điều khiển động cơ cấpcao nhờ danh sách cá thông số hỗn hợp của nó.

Biến tần MicroMaster 440 có thể dùng trong hai ứng dụng “Kết hợp và riêng lẻ”khi tích hợp trong “hệ thống tự động hóa”

b Cấu tạo chung và nguyên tắc hoạt động

Sơ đồ nguyên lý của biến tần

Hình 5: Sơ đồ nguyên lý của biến tần MM440,Biến tần MM 440 thay đổi điện áp hay tốc độ cho động cơ xoay chiều bằng cáchchuyển đổi dòng điện xoay chiều cung cấp (AC Supply) thành dòng điện mộtchiều trung gian (DC Link) sử dụng cầu chỉnh lưu Sau đó điện áp một chiều DCLink lại được nghịch lưu thành điện áp xoay chiều cung cấp cho động cơ với giátrị tần số thay đổi Nguồn cung cấp cho biến tần có thể sử dụng nguồn xoaychiều một pha (cho công suất thấp), hay sử dụng nguồn xoay chiều ba pha Phầnđiện áp một chiều trung gian chính là điện áp trên các tụ điện, các tụ điện đóngvai trò san phẳng điện áp một chiều sau chỉnh lưu và cung cấp cho phần nghịchlưu Điện áp trên tụ không điều khiển được và phụ thuộc vào điện áp đỉnh củanguồn xoay chiều cung cấp

Điện áp một chiều được chuyển thành điện áp xoay chiều sử dụng phương phápđiều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation – PWM) Dạng sóng mongmuốn được tạo lên bởi sự đóng cắt ở đầu ra của các transistors MM440 sử dụngcác IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) ở mạch nghịch lưu, điện áp xoaychiều mong muốn đựơc tạo ra bằng cách thay đổi tần số đóng cắt của các

IGBTs Điện áp xoay chiều ở đầu ra là sự tổng hợp của hàng loạt các xungvuông với các giá trị khác nhau ở đầu ra của các IGBTs, được thể hiện ở hình 3

c các tính chất của biến tần

Các đặc điểm chính

Dễ dùng lắp đặt,đặt thông số vận hành

Thời gian tác động lắp đến các tín hiệu điều khiển nhanh

Các thông số hỗn hợp cho phép thực hiện được nhiều ứng dụng

Đầu nối cáp đơn giản

Có các đầu ra rơ le

Có các đầu ra tương tự(0-20mA)

6 cổng vào số cách ly NPN/PNP

2 cổng vào tương tự

AIN1:0-10V,0-20mA và -10-+10

AIN2:0-10V,0-20mA

2 đầu vào tương tự có thể dùng như cổng vào số 7 và 8

Thiết kế các ,moodul với cấu hình cực kì linh hoạt

Tần số chuyển mạch cao làm giảm độ ồn của động cơ khi làm việc

Những lựa chọn ngoài cho truyền thông với PC ,panel vận hành cơ bản(BOP),panel điều khiển cấp cao (AOP) và module kết nối mạng profibus

Hãm kết hợp để cải thiện việc hãm động cơ

Với chương trình điều khiển thời gian khởi động /dừng động cơ mềm

Các đặc tính bảo vệ

Bảo vệ cho cả biến tần và động cơ

Bảo vệ quá áp và áp thấp

Bảo vệ quá nhiệt biến tần.

Bảo vệ lỗi nối đất

Bảo vệ ngắn mạch

Bảo vệ nhiệt động cơ theo phương thức I2 t

d Sơ đồ đấu dây của biến tần

Hình 6: Sơ đồ đấu dây của biến tần MM440

e các đầu dây điều khiển

2 Module analog EM 235

a Khái niệm về analog

Module analog là một công cụ để xử lý các tín hiệu tương tự thông qua việc xử

Hình 7: Module EM 235

Hình 8: Sơ đồ chân module EM235

b Các thành phần của module analog EM235.

4 đầu vào tương tự

được kí hiệu bởi

các chữ cái

A,B,C,D

A+ , A- , RA Các đầu nối của đầu vào AB+ , B- , RB Các đầu nối của đầu vào BC+ , C- , RC Các đầu nối của đầu vào CD+ , D- , RD Các đầu nối của đầu vào D

1 đầu ra tương tự (MO,VO,IO) Các đầu nối của đầu ra

Switch cấu hình Cho phép chọn dải đầu vào và độ

phân giải

c Sơ đồ khối của đầu vào Analog

Hình 9: Sơ đồ khối của đầu vào Analog

d Sơ đồ khối đầu ra Analog

Kí hiệu vùng nhớ : AIWxx (Ví dụ AIW0, AIW2…)

Dữ liệu đầu ra:

- Kí hiệu vung nhớ AQWxx (Ví dụ AQW0, AQW2…)