: 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 2: Vẽ sơ đồ ghép nối hệ thống với PLC Xác định các biến cần điều khiểnLập bảng địa chỉVẽ sơ đồ đấu dây 3: Thiết lập lưu đồ thuật toán 4: Viết chương trình điều khiển trên PLC
Trường Đại học Công nghiệp Hà nội Điều khiển lập trình PLC MỤC LỤC Trường Đại học Cơng nghiệp Hà nội Điều khiển lập trình PLC BỘ CƠNG THƯƠNG CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Độc lập - Tự - Hạnh phúc ĐỒ ÁN HỌC PHẦN: ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC Số : ………… Họ tên HS-SV : Lê Quang Hòa Lưu Huyền Đức Lớp : ĐH ĐIỆN Khoá : ……………………K10………………………… Khoa :…Điện Giáo viên hướng dẫn: Tống Thị Lý NỘI DUNG Đề tài: Ứng dụng PLC Siemens điều khiển áp suất đường ống hệ thống cấp nước dân dụng PHẦN THUYẾT MINH Yêu cầu bố cục nội dung: 1: Phân tích u cầu cơng nghệ - Khảo sát chọn công nghệ thực tiễn ứng dụng hệ thống điều áp suất đường ống - Tính chọn thiết bị mơ hình chọn (cấu tạo, ngun lý, sơ đồ chân ) - Vẽ sơ đồ khối sơ đồ nguyên lý mạch lực, mạch cách ly - Xác định chu trình cần điều khiển 2: Vẽ sơ đồ ghép nối hệ thống với PLC - Xác định biến cần điều khiển - Lập bảng địa - Vẽ sơ đồ đấu dây 3: Thiết lập lưu đồ thuật tốn 4: Viết chương trình điều khiển PLC Yêu cầu thời gian: Ngày giao đề Ngày hồn thành Giáo viên hướng dẫn TRƯỞNG BỘ MƠN Trường Đại học Công nghiệp Hà nội Điều khiển lập trình PLC 1.Phân tích u cầu cơng nghệ 1.1 Khảo sát thực tiễn Hệ thống bơm nước Nhà máy, Khu cơng nghiệp, Tòa nhà đa phần hoạt động liên tục 100% tải từ khởi động dừng hệ thống Việc gây nhiều hạn chế lãng phí cho hệ thống như: - - Khi thời gian cao điểm: Lượng nước đầu cần sử dụng nhiều hệ thống chạy 100% tải không đủ nước cung cấp cho Nhà máy → Thiếu nước Nếu muốn bổ sung thêm nước người vận hành phải tự Đóng Bằng Tay thêm bơm khác vào hệ thống việc có nhiều hạn chế việc sử dụng nước đầu không cố định thay đổi liên tục Khi thời gian thấp điểm: Lượng nước đầu sử dụng bơm chạy 100% cơng suất → Gây lãng phí Vì việc nghiên cứu, ứng dụng hệ thống điều khiển ổn định áp suất cho đường ống nước PLC biến tần cần thiết, đắn đáp ứng nhu cầu ngày tăng xã hội đại hóa Mỗi trạm bơm thường có nhiều máy bơm cấp nước vào đường ống Áp lực lưu lượng đường ống thay đổi hàng theo nhu cầu Bơm thiết bị kèm đường ống van, đài nước thiết kế với lưu lượng nước bơm lớn Vì điều chỉnh lưu lượng nước bơm thực phương pháp sau: - Điều chỉnh cách khép van ống đẩy bơm - Điều chỉnh đóng mở máy bơm hoạt động đồng thời - Điều khiển thay đổi tốc độ quay khớp nối thủy lực Điều khiển theo phương pháp không tiết kiệm lượng điện tiêu thụ mà gây nên hỏng hóc thiết bị đường ống chấn động đóng mở van gây nên, đồng thời máy bơm cung cấp không bám sát chế độ tiêu thụ mạng lưới Để giải vấn đề kể sử dụng phương pháp điều khiển truyền động biến đổi tốc độ thiết bị biến tần Thiết bị biến tần thiết bị điều chỉnh biến đổi quay động cách thay đổi tần số dòng điện cung cấp cho động 1.2 Chọn công nghệ thực tiễn Đầu PLC nối với biến tần để điều khiển biến tần từ biến tần điều khiển tốc độ động Khi sử dụng thiết bị biến tần cho phép điều chỉnh cách linh hoạt lưu lượng áp lực cấp vào mạng lưới theo yêu cầu tiêu thụ Với tín hiệu từ cảm biến áp lực phản hồi PLC, PLC so sánh giá trị truyền với giá trị đặt để từ lệnh cho biến tần giúp thay đổi tốc độ động cách thay đổi tần số dòng điện đưa vào động để đảm bảo áp suất nước đường ống ổn định Trường Đại học Cơng nghiệp Hà nội Điều khiển lập trình PLC Sự điều chỉnh linh hoạt máy bơm sử dụng biến tần cụ thể sau: - Điều chỉnh tốc độ quay áp suất thay đổi Đa dạng phương thức điều khiển máy bơm trạm bơm Một thiết bị biến tần điều khiển tới máy bơm 1.2.1 Phương thức điều khiển bơm Có phương thức điều khiển máy bơm: + Điều khiển theo mực nước Trên sở tín hiệu mực chất lỏng bể hút hồi tiếp PLC Bộ vi xử lý so sánh tín hiệu hồi tiếp với mực chất lỏng cài đặt Trên sở kết so sánh PLC điều khiển đóng mở máy bơm cho phù hợp để mực chất lỏng bể giá trị cài đặt Ngược lại tín hiệu hồi tiếp lớn giá trị cài đặt, biến tần điều khiển bơm để mực chất lỏng đạt giá trị đặt + Điều khiển theo hình thức chủ động thụ động Mỗi máy bơm nối với biến tần có biến tần chủ động, biến tần khác thụ động Khi tín hiệu hồi tiếp biến tần chủ động vi xử lý biến tần so sánh với tín hiệu đặt để từ tác động đến biến tần thụ động điều chỉnh tốc độ quay máy bơm cho phù hợp không gây tượng đập thủy lực phản hồi từ hệ thống Phương thức điều khiển linh hoạt khắc phục khó khăn q trình vận hành bơm khác với thiết kế Phương thức sử dụng có trường hợp thay đổi lưu lượng áp suất mạng lưới + Điều khiển theo hình thức biến tần điều khiển bơm Một máy bơm thơng qua thiết bị biến tần, máy bơm lại đóng mở trực tiếp khởi động mềm Khi tín hiệu áp lực lưu lượng mạng lưới hồi tiếp PLC Bộ vi xử lý so sánh với giá trị cài đặt điều khiển tốc độ máy bơm chạy với tốc độ phù hợp Khi mà bơm điều khiển biến tần hoạt động chế độ định mức mà chưa đáp ứng áp suất ống PLC lệnh để đưa máy bơm khởi động mềm tham gia vào hệ thống nhằm trì áp suất mong muốn đường ống Đến lúc đó, mà áp suất đường ống đủ PLC ngắt bơm phụ tránh áp suất cao gây nguy hiểm cho đường ống Trong trường hợp ngắt tất bơm mà áp suất cao PLC lệnh cho biến tần để biến tần giảm dần tần số động để đưa áp suất đường ống gần giá trị đặt nhanh thời gian Tất việc theo dõi giám sát WinCC qua hình máy tính (hoặc điều khiển tay) 1.2.2 Những ưu điểm điều khiển tốc độ bơm thiết bị biến tần - Hạn chế dòng khởi động cao - Tiết kiệm lượng - Điều khiển linh hoạt máy bơm Trường Đại học Cơng nghiệp Hà nội Điều khiển lập trình PLC - Dãy công suất rộng từ 1,1 – 400Kw Tự động ngừng đạt tới điểm cài đặt Tăng tốc nhanh giúp biến tần bắt kịp tốc độ thời động Tự động tăng tốc giảm tốc tránh tải điện áp khởi động Bảo vệ động khi: ngắn mạch, pha, lệch pha, tải, dòng, nhiệt… - Kết nối với máy tính chạy hệ điều hành Windows - Kích thước nhỏ gọn khơng chiếm diện tích nhà trạm - Mô-men khởỉ động cao với chế độ tiết kiệm lượng - Dễ dàng lắp đặt vận hành - Hiển thị thông số động biến tần 1.2.3.Mô tả hoạt động hệ thống (được điều khiển theo hình thức biến tần điều khiển bơm) Trong hệ thống có máy bơm: Một máy bơm pha máy bơm pha Biến tần điều khiển trực tiếp máy bơm pha, máy bơm pha bơm dự phòng mà máy bơm pha chạy hết công suất định mức mà áp suất chưa ổn định giá trị setpoint Máy bơm dự phòng điều khiển trực tiếp điện lưới 220V Khởi động hệ thống lên máy bơm pha điều khiển biến tần điều khiển động chạy đạt áp suất đặt Khi áp suất đường ống áp suất đặt biến tần giữ ổn định tốc độ máy bơm Trường hợp tải thay đổi tức áp suất thay đổi, tùy theo tải tăng hay giảm biến tần điều khiển máy bơm chạy nhanh hay chậm Khi tải tăng tức áp suất giảm, lúc muốn ổn định áp suất biến tần điều khiển máy bơm chạy nhanh (tức tăng tần số máy bơm pha) đạt áp suất đặt Ngược lại, tải giảm biến tần giảm tần số máy bơm xuống đạt áp suất đặt Nếu lúc tải giảm mạnh (áp suất tăng lên cao) bơm dự phòng tự động dừng bơm biến tần hoạt động Hệ thống hoạt động liên tục vậy, áp suất đường ống luôn giữ ổn định tránh tình trạng áp suất tăng cao gây vỡ đường ống cấp nước 1.3 Tính chọn thiết bị mơ hình 1.3.1 PLC * Khái qt chung PLC S7-200 Siemen S7-200 thiết bị điều khiển logic lập trình loại nhỏ hãng Siemens, có cấu trúc theo kiểu module có module mở rộng Các module đươc sử dụng cho nhiều ứng dụng lập trình khác - S7-200 thuộc nhóm PLC loại nhỏ, quản lý số lượng đầu vào/ra tương đối Trường Đại học Cơng nghiệp Hà nội Điều khiển lập trình PLC - Có từ đầu vào/ đầu số (CPU221) đến 24 đầu vào/ 16 đầu số (CPU226) Có thể mở rộng đầu vào/ra số module mở rộng - Kiểu đầu vào IEC 1131-2 SIMATIC Đầu vào sử dụng mức điện áp 24VDC, thích hợp với cảm biến - Có kiểu ngõ Relay Transitor cấp dòng - Tích hợp sẵn cổng Profibus hay sử dụng module mở rộng, cho phép tham gia vào mạng Profibus Slave thơng minh - Có cổng truyền thông nối tiếp RS485 vơi đầu nối chân Tốc độ truyền cho máy lập trình kiểu PPI 9600 bauds, theo kiểu tự 300 – 38.400 bauds - Tập lệnh có đủ lệnh bit logic, so sánh, đếm, dịch/quay ghi, timer cho phép lập trình điều khiển Logic dễ dàng - Ngơn ngữ lập trình: LAD, STL, FBD * Cấu tạo, nguyên lý, sơ đồ chân PLC S7-200 CPU 224 (6ES72141BD23-0XB0) - Kích thước: 120.5mm x 80mm x 62mm - Dung lượng nhớ chương trình: 4096 words - Dung lượng nhớ liệu: 2560 words - Bộ nhớ loại EEFROM - Có 14 cổng vào, 10 cổng - Có thể thêm vào 14 modul mở rộng kể modul Analog - Tốc độ xử lý lệnh logic Boole 0.37µs Trường Đại học Công nghiệp Hà nội Điều khiển lập trình PLC - Có 256 timer , 256 counter, hàm số học số nguyên số thực - Có đếm tốc độ cao, tần số đếm 20 KHz - Có phát xung nhanh kiểu PTO PWM, tần số 20 KHz CPU DC - Có điều chỉnh tương tự - Các ngắt: phần cứng, theo thời gian, truyền thơng,… - Đồng hồ thời gian thực - Chương trình bảo vệ Password - Toàn dung lượng nhớ không bị liệu 190 PLC bị điện Trường Đại học Công nghiệp Hà nội Điều khiển lập trình PLC Cấu trúc bên PLC * Module Analog EM 235 1.3.2 Biến tần * Nguyên lý hoạt động Giai đoạn 1: Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều pha hay pha chỉnh lưu lọc thành nguồn chiều phẳng Công đoạn thực chỉnh lưu cầu diode tụ điện Điện đầu vào pha ba pha, mức điện áp tần số cố định Trường Đại học Cơng nghiệp Hà nội Điều khiển lập trình PLC Giai đoạn 2: Điện áp chiều biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều pha đối xứng Mới đầu, điện áp Một chiều tạo trữ giàn tụ điện Điện áp chiều mức cao Tiếp theo, thơng qua trình tự kích hoạt thích hợp biến đổi IGBT (IGBT từ viết tắt Tranzito Lưỡng cực có Cổng Cách điện hoạt động giống công tắc bật tắt cực nhanh để tạo dạng sóng đầu Biến tần) Biến tần tạo điện áp Xoay chiều ba pha phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) Nhờ tiến công nghệ vi xử lý công nghệ bán dẫn lực nay, tần số chuyển mạch xung lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động giảm tổn thất lõi sắt động Hệ thống điện áp xoay chiều pha đầu thay đổi giá trị biên độ tần số vô cấp tuỳ theo điều khiển (khi cần tăng giảm tốc độ động cơ) Trường Đại học Cơng nghiệp Hà nội Điều khiển lập trình PLC * Cấu tạo biến tần + Bộ chỉnh lưu Phần trình biến điện áp đầu vào thành đầu mong muốn cho động trình chỉnh lưu Điều đạt cách sử dụng chỉnh lưu cầu đi-ốt sóng tồn phần Bộ chỉnh lưu cầu đi-ốt tương tự với chỉnh lưu thường thấy nguồn, dòng điện xoay chiều pha chuyển đổi thành chiều Tuy nhiên, cầu đi-ốt sử dụng Biến tần cấu hình đi-ốt bổ sung phép chuyển đổi từ điện xoay chiều ba pha thành điện chiều Các đi-ốt cho phép luồng điện theo hướng, cầu đi-ốt hướng dòng electron điện từ Dòng Xoay chiều (AC) thành Dòng Một chiều (DC) + Tuyến dẫn Một chiều Tuyến dẫn Một chiều giàn tụ điện lưu trữ điện áp Một chiều chỉnh lưu Một tụ điện trữ điện tích lớn, xếp chúng theo cấu hình Tuyến dẫn Một chiều làm tăng điện dung Điện áp lưu trữ sử dụng giai đoạn IGBT tạo điện cho động + IGBT Thiết bị IGBT công nhận cho hiệu suất cao chuyển mạch nhanh Trong biến tần, IGBT bật tắt theo trình tự để tạo xung với độ rộng khác từ điện áp Tuyến dẫn Một chiều trữ tụ điện Bằng cách sử dụng Điều biến Độ rộng Xung PWM, IGBT bật tắt theo trình tự giống với sóng dạng sin áp dụng sóng mang Trong hình bên dưới, sóng hình tam giác nhiều chấm biểu thị sóng mang đường tròn biểu thị phần sóng dạng sin 10 Trường Đại học Công nghiệp Hà nội Điều khiển lập trình PLC + Cách lắp theo số chân cảm biến áp lực pa-21y: - Chân số 1: kết nối với mass nguồn đồng thời ngõ tín hiệu - Chân số 3: kết nối với nguồn dương tín hiệu vào dương 24VDC + Hình tiêu biểu cảm biến áp suất keller Có nhiều loại cảm biến đo áp suất, hình đại diện loại màng (loại ứng dụng nhiều ngành thực phẩm ngành nước giải khát) loại cảm biến phổ biến hay sử dụng với dãy đo có sẵn như: 1bar, 2.5bar, 4bar, 6bar, 10bar, 16bar, 25bar, 250bar, 400bar Thông số cảm biến áp suất keller - Thụy Sỹ - Đặc điểm nỗi bật sensor áp suất keller màng inox 316 - Thân cảm biến inox - Cảm biến thường có kết nối ren G¼ - Cảm biến loại màng thường có kết nối G1/2, clamp kẹp - Nhiệt độ chịu đựng lên đến 120oC với dòng cảm biến áp lực hãng keller - Thông thường cảm biến đo áp suất cho tín hiệu chuẩn 4-20ma 0-10v giúp thiết bị điều khiển nhận diện dễ dàng 1.4 Sơ đồ khối sơ đồ nguyên lý mạch lực mạch cách ly Sử dụng biến tần điều khiển trơn cho động bơm, công suất tiêu thụ động biến tần điều chỉnh cho phù hợp với nhu cầu phụ tải Động thứ sử dụng chạy sau phụ tải phát triển lớn Một sensor áp suất đưa vào đầu cấp nước Nhà máy để đo áp lực nước đưa hệ thống điều khiển Hệ thống điều khiển PLC đảm bảo cho việc tự động hóa hồn tồn q trình bơm cấp nước Nhà máy Vận hành hệ thống thông qua WinCC Hệ thống hoạt động chế độ tay WinCC Việc chuyển đổi hai chế độ tự động tay thực công tắc chuyển đổi vị trí Hệ thống 16 Trường Đại học Cơng nghiệp Hà nội Điều khiển lập trình PLC cũ đấu nối đảm bảo xác, vận hành an tồn tình Đảm bảo tính an tồn cao hệ thống Hình 1.4.1: Biểu đồ minh họa hoạt động điều khiển bơm Như với việc đưa biến tần vào hệ thống hoạt động bám sát theo thực tế lưu lượng phụ tải, giảm đáng kể lượng tiêu hao không cần thiết vào phụ tải thấp điểm Hệ thống tự động giám sát áp suất nước đường ống mạng điều khiển ngược lại để đảm bảo giữ áp suất theo yêu cầu PLC điều khiển áp suất nước đường ống mạng theo đồ thị phụ tải ngày, tức hệ thống điều khiển áp suất theo thời gian thực Hệ thống điều khiển tự động số chức sau: Đo lường: Do đầu đo áp suất đo lường chuyển đổi để đưa CPU PLC Xử lý thông tin: Bộ điều khiển trung tâm đảm nhiệm vấn đề Điều khiển: PLC phối hợp với biến tần làm việc theo yêu cầu Giám sát: PLC kết đầu đo áp suất để giám sát hệ thống hoạt động Giao tiếp người vận hành thiết bị: Sử dụng phần mềm giao diện người máy (HMI) WinCC Hệ thống chuyển đổi qua lại motor bơm chạy với biến tần nhằm mục đích nâng cao tuổi thọ bơm, phục vụ bảo trì bảo dưỡng mà khơng làm gián đoạn sản xuất Đồng thời phép mở rộng phát triển phụ tải sau này, hệ thống sử dụng lúc hai bơm cần Bơm thứ hai đươc tự động đóng chạy trực tiếp thơng qua cơngtắctơ bơm bơm có biến tần chạy điều chỉnh đỉnh cho phù hợp với phụ tải 17 Trường Đại học Công nghiệp Hà nội Điều khiển lập trình PLC Hình 1.4.2: Sơ đồ khối hệ thống 1.5 Xác định chu trình cần điều khiển Quá trình điều khiển chủ yếu thực từ PLC PLC nhận tín hiệu analog từ cảm biến áp suất (được gắn đường ống chính) đưa về, sau PLC sử lý tín hiệu logic, PLC định điều khiển biến tần tín hiệu analog ngõ ra; biến tần tự động thay đổi tần số theo tín hiệu analog đó, từ thay đổi tốc độ bơm, việc khống chế áp lực đường ống trở nên dễ dàng nhiều Bộ điều khiển PLC: CPU 224 AC-DC-Relay Module Analog EM 235 Siemens, Module Analog EM 235 dùng để nhận tín hiệu từ cảm biến áp suất chuyển đổi tín hiệu đưa PLC để xử lý, sau xử lý xong Modul Analog EM 235 nhận tín hiệu từ PLC để điều khiển biến tần G110 - Cảm biến áp suất keller ngõ 4-20mA đo áp suất đường ống chuyển đổi để đưa CPU S7-200 18 Trường Đại học Công nghiệp Hà nội Điều khiển lập trình PLC Ta dùng cổng truyền thông RS485 để kết nối PLC máy tính Nhưng cổng truyền thơng máy tính RS232 lên cần phải có chuyển đổi từ chuẩn RS-232 sang chuẩn RS-485 PLC 2.Sơ đồ ghép nói hệ thống với PLC 2.1 Xác minh biến cần điều khiển 2.2 Lập bảng địa Địa Ký hiệu I0.0 ON I0.1 OFF M0.0 M0.1 Q0.0 Den_Run Q0.1 Den_PHA Q0.2 Den_PLA Q0.3 Binh_thuong Q0.4 Bom_phu AIW0 AQW0 Chức Nút bấm khởi động hệ thống Nút bấm dừng hệ thống Đèn báo hệ thống hoạt động Đèn báo áp suất cao Đèn báo áp suất thấp Đèn báo áp suất bình thường Đầu contactor điều khiển bơm phụ Đầu vào Analog Đầu Analog 2.3 Sơ dồ đấu dây * Module mở rộng EM 235 19 Trường Đại học Công nghiệp Hà nội Điều khiển lập trình PLC 20 Trường Đại học Cơng nghiệp Hà nội Điều khiển lập trình PLC 3.Thiết lập lưu đồ thuật tốn 21 Trường Đại học Cơng nghiệp Hà nội Điều khiển lập trình PLC 4.Viết chương trình điều khiển PLC 22 Trường Đại học Công nghiệp Hà nội Điều khiển lập trình PLC 23 Trường Đại học Cơng nghiệp Hà nội Điều khiển lập trình PLC 24 Trường Đại học Công nghiệp Hà nội Điều khiển lập trình PLC 25 Trường Đại học Cơng nghiệp Hà nội Điều khiển lập trình PLC 26 Trường Đại học Cơng nghiệp Hà nội Điều khiển lập trình PLC 27 Trường Đại học Công nghiệp Hà nội Điều khiển lập trình PLC 28 Trường Đại học Cơng nghiệp Hà nội Điều khiển lập trình PLC 29 Trường Đại học Cơng nghiệp Hà nội Điều khiển lập trình PLC 30 ... AQW0 Chức Nút bấm khởi động hệ thống Nút bấm dừng hệ thống Đèn báo hệ thống hoạt động Đèn báo áp suất cao Đèn báo áp suất thấp Đèn báo áp suất bình thường Đầu contactor điều khiển bơm phụ Đầu vào... trình PLC 20 Trường Đại học Công nghiệp Hà nội Điều khiển lập trình PLC 3.Thiết lập lưu đồ thuật tốn 21 Trường Đại học Công nghiệp Hà nội Điều khiển lập trình PLC 4.Viết chương trình điều khiển PLC. .. trình PLC 23 Trường Đại học Cơng nghiệp Hà nội Điều khiển lập trình PLC 24 Trường Đại học Cơng nghiệp Hà nội Điều khiển lập trình PLC 25 Trường Đại học Cơng nghiệp Hà nội Điều khiển lập trình PLC