Nghiên cứu dùng biến tần điều khiển tốc độ các máy bơm nước và ổn định áp suất trong đường ống (SCADA cho trạm bơm nước)

Luận Văn Tốt Nghiệp MỤC LỤC PHẦN CHƯƠNG 1:GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI 1.1 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU: 1.2 VÀI NÉT VỀ ĐỀ TÀI: 1.3 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI: 1.4 MÔ TẢ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG: 1.5 HƯỚNG THỰC HIỆN ĐỀ TÀI: CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ PLC S7-200 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC 2.1.1 Giới thiệu sơ lược PLC S7-200: 2.1.2 Thiết bị nhập xuất: 10 2.1.3 Cấu trúc vùng nhớ: 11 2.1.4 Nguyên tắc thực chương trình: 12 2.2 GIỚI THIỆU VỀ PLC S7-200 CPU-224 AC/DC/RELAY: 14 2.2.1 Hình ảnh PLC S7-200 CPU- 224: .14 2.2.2 Giới thiệu module mở rộng: 15 2.3 NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH CỦA S7_200 18 2.3.1 Phương pháp lập trình: 18 2.3.2 Bảng lệnh s7-200: 19 2.2.3 Lệnh vào/ra: 27 CHƯƠNG 3:TÌM HIỂU S7-200 PC ACCESS 43 3.1 TỔNG QUAN VỀ S7-200 PC ACCESS : .43 3.1.1 Giới thiệu : 43 3.1.2 Những tiện ích PC ACCESS : 43 3.1.3 Khả giao tiếp PC Access : 44 3.1.4 Xác định tốc độ baud địa network : .44 3.1.5 Các giao thức S7-200 PC Access network: 45 3.2 CỬA SỔ LÀM VIỆC CỦA S7-200 PC ACCESS : 47 3.2.1 tree view: .48 S Luận Văn Tốt Nghiệp 3.2.2 Item view: 49 3.2.3 Test Client view: .50 3.3 Sự giao tiếp Server Client S7-200 PC Access: 51 3.4 VÙNG NHỚ VÀ KIỂU DỮ LIỆU CỦA ITEM: 51 3.5 SỰ GIAO TIẾP GIỮA AUTOMATION CLIENT VỚI S7-200 PC ACCESS: 52 3.5.1 Excel client: 52 3.5.2 Visual Basic Client: 53 3.6 Các bước tạo Tag PC- Access .54 CHƯƠNG 4:TÌM HIỂU PHẦN MỀM WINCC 60 4.1 Giới thiệu WinCC: .60 4.1.1 Control Center hệ thống WinCC: 60 4.1.2 Nội dung Control Center: 61 4.1.3 Soạn thảo: 62 4.1.4 Các bước để tạo Project WinCC: 63 4.1.5 Trình tự tạo Project: 63 4.2 Cách lập trình WinCC: .73 4.3 Cấu hình truyền thơng: 76 CHƯƠNG 5: GIỚI THIỆU VỀ BIẾN TẦN .79 5.1 Giới thiệu Biến tần Danfoss: 79 5.2 Hình ảnh Biến tần Danfoss: 80 5.3 Sơ đồ đấu nối Terminal điều khiển: 80 5.4 Chú thích đèn báo LED: 83 PHẦN 2: 90 CHƯƠNG 6:THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH 91 BƠM CẤP NƯỚC 91 6.1 GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN 91 6.1.1 CPU 224 AC-DC-Relay PLC Siemens S7-200 91 6.1.2 Module Analog EM 235 PLC Siemens S7-200 91 6.1.3 Giới thiệu cảm biến áp suất: .91 6.1.4 Giới thiệu đồng hồ áp lực nước: 92 S Luận Văn Tốt Nghiệp 6.1.5 Van chiều: 92 6.1.6 Relay: 92 6.1.7 Máy bơm: 93 6.2 SƠ ĐỒ ĐIỆN 94 6.3 QUY ĐỊNH NGÕ RA NGÕ VÀO: 95 6.4 Hình ảnh mơ hình 96 6.5 THIẾT KẾ GIAO DIỆN : 97 6.6 CÁC THÔNG SỐ SỬ DỤNG CHO BIẾN TẦN: 101 6.6.1 Điều khiển biến tần Wicc: 101 6.6.2 Điều khiển biến tần theo ngõ vào analog: 102 6.6.3 Sơ đồ đấu nối bơm pha vào biến tần: .102 6.7 XỬ LÝ PID: 102 6.8 Ngắt xử lý ngắt: 108 6.9 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT: 110 6.10 LẬP TRÌNH PLC: .112 CHƯƠNG 7:TÀI LIỆU THAM KHẢO .119 S Luận Văn Tốt Nghiệp S TRANG Luận Văn Tốt Nghiệp CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI 1.1 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU: Trên giới Việt Nam nhu cầu tiêu thụ lượng tăng dần có nhiều cảnh báo tiết kiệm lượng Các ngành cơng nghiệp nói chung ngành cấp thoát nước ngày sử dụng cơng nghệ truyền động khơng thích hợp, điều khiển thụ động không linh hoạt Điều kiểm chứng với nhà máy nước hoạt động điều kiện làm việc khác xa so với thiết kế Chúng ta biết yếu tố cấu thành giá nước chi phí điện bơm nước chiếm tỷ lệ lớn khoảng 30 – 35%.Trước có tồn quan điểm cho việc đầu tư vào tiết kiệm lượng công việc tốn không mang lại hiệu thiết thực Với công nghệ biến tần tính tốn việc đầu tư vào hệ thống điều khiển tiết kiệm lượng cho trạm bơm cấp II có thời gian hồn vốn đầu tư ngắn làm giảm chi phí cho cơng tác quản lý vận hành thiết bị Máy bơm quạt gió ứng dụng thích hợp với truyền động biến đổi tốc độ tiết kiệm lượng Vì phạm vi đồ án tốt nghiệp đề cập đến việc sử dụng thiết bị biến tần điều khiển tốc độ tiết kiệm lượng cho máy bơm nước ổn định áp suất đường ống cấp nước 1.2 VÀI NÉT VỀ ĐỀ TÀI: Mỗi trạm bơm thường có nhiều máy bơm cấp nước vào đường ống chung Áp lực lưu lượng đuờng 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 thuỷ lực Điều khiển theo phưong 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 đôỉ tốc độ quay động cách thay đổi tần số dòng điện cung cấp cho động Hiện thiết bị biến tần giới có nhiều nhà cung cấp thiết bị biến tần Danfoss ,Siemen S TRANG Luận Văn Tốt Nghiệp ,ABB…Khơng cung cấp thiết bị cho ngành cấp nước mà cho nhiều ngành cơng nghiệp khác • Ngun tắc điều khiển máy bơm thiết bị biến tần: + 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 thiết bị biến tần, vi xử lý biến tần so sánh giá trị truyền với giá trị cài đặt để từ thay đổi tần số dòng điện, điện áp cung cấp cho động làm thay đổi tốc độ quay động để đảm bảo lưu lượng áp lực cấp vào mạng lưới +Sự điều chỉnh linh hoạt máy bơm sử dụng biến tần cụ thể sau: ƒ Điều chỉnh tốc độ quay áp suất thay đổi ƒ Đa dạng phương thức điều khiển máy bơm trạm bơm Một thiết bị biến tần điều khiển đến máy bơm Có ba phương thức điều khiển máy bơm: Điều khiển theo mực nước:Trên sở tín hiệu mực chất lỏng bể hút hồi tiếp biến tần Bộ vi xử lý so sánh tín hiệu hồi tiếp với mực chất lỏng cài đặt Trên sở kết so sánh biến tần điều khiển đóng mở máy bơm cho phù hợp để mực chất lỏng bể giá trị cài đặt Ngược lại tín hồi tiếp lớn giá trị cài đặt, biến tần điều khỉên cắt bơm để mực chất lỏng đạt ổn định giá trị cài 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 cài đặt để từ tác động đến biến tần thụ động điều chỉnh tốc độ quay máy bơm cho phù hợp không gây tượng va đập thuỷ lực phản hồi từ hệ thống Phương thức điều khiển linh hoạt nhất, khắc phục khó khăn q trình vận hành bơm khác với thiết kế Phương thức sử dụng cho trường hợp thay đổi lưu lượng áp lực mạng lưới Điều khiển theo hình thức biến tần điều khiển bơm: Một máy bơm điều chỉnh thông qua thiết bị biến tần, máy bơm cịn lại đóng mở trực tiếp khởi động mềm Khi tín hiệu áp lực lưu lượng mạng lưới hồi tiếp biến tần Bộ vi xử lý so sánh với giá trị cài đặt, điều khiển tốc độ máy bơm chạy với tốc độ phù hợp điều khiển đóng mở máy bơm lại cho phù hợp với nhu cầu mạng lưới đồng thời điều chỉnh tốc độ bơm S TRANG Luận Văn Tốt Nghiệp cho hạn chế tối đa tượng va đập thuỷ lực mạng lưới cấp nước Phương thức điều khiển áp dụng cho trường hợp áp lực máy bơm với thiết kế lưu lượng thay đổi Bằng phương thức điều khiển linh hoạt theo nhu cầu tiêu thụ mạng lưới thay đài nước mạng lưới ƒ Những ưu điểm điều khiển tốc độ bơm thiết bị biến tần _ Hạn chế dòng điện khởi động cao _Tiết kiệm lượng _Điều khiển linh hoạt máy bơm _Sử dụng cơng nghệ điều khiển vecto Ngồi cịn ưu điểm khác thiết bị biến tần như: _Dãy công suất rộng từ 1,1 – 400 Kw _ Tự động ngừng đạt tới điểm cài đặt _Tăng tốc nhanh giứp biến tần bắt kịp tốc độ thời động cơ, _Tự động tăng tốc giảm tốc tránh tải qúa điện áp khởi động, _Bảo vệ động : 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 khởi động cao với chế độ tiết kiệm lượng, _Dễ dàng lắp đặt vận hành, _Hiển thị thông số động biến tần ƒ Từ ưu điểm thiết bị biến tần ta lựa chọn phương án lắp máy biến tần cho trạm bơm thay cho việc xây dựng đài nước mạng lưới nhằm tiết kiệm chi phí xây dựng vận hành quản lý 1.3 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI: Từ kiến thức học trường ngồi thực tế luận văn em thực số cơng việc mà thơi Em cịn hạn chế kiến thức khả kinh tế thời gian có hạn nên tạo mơ hình nhỏ, với mơ hình thể quy trình hoạt động hệ thống bơm cấp nước thực tế Một số công việc thực luận văn: Tìm hiểu mơ hình bơm cấp nước hoạt động thực tế Tìm hiểu nghiên cứu PLC S7 – 200 Giao tiếp PLC với Wincc giám sát hệ thống Giao tiếp PLC với Biến tần, thiết kế giao diện điều khiển tự động WinCC Điều khiển PID cho máy bơm chạy cho giá trị áp suất khơng thay đổi dù tải có thay đổi S TRANG Luận Văn Tốt Nghiệp Trên hình điều khiển cho thấy tất trạng thái hoạt động hệ thống, số liệu cập nhật liên tục để tiện theo dõi Kiểm tra xử lý có cố bất thường, quan sát điều khiển thơng qua dao diện Scada Thi cơng mơ hình phần cứng 1.4 MÔ TẢ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG: Trong hệ thống có tất máy bơm: hai máy bơm pha máy bơm pha Biến tần điều khiển trực tiếp máy bơm pha, máy bơm pha bơm dự phịng mà máy bơm pha chạy hết cơng suất định mức mà áp suất chưa ổn định giá trị setpoint Máy bơm dự phòng điều khiển trực tiếp điện lưới 220V Còn máy bơm pha lại dùng để bơm nước thải sau xử lý sông Khi khởi động hệ thống lên máy bơm pha điều khiển Biến tần khởi động chạy đạt áp suất đặt, 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 nhay hay chạy 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 Trường hợp, máy bơm pha chạy hết công suất mà chưa đạt áp suất đặt lúc máy bơm dự phịng (máy bơm pha) khởi động lên, máy bơm dự phịng khởi động chắn áp suất đường ống tăng lên vượt qua áp suất đặt, lúc biến tần tự động giảm tần số lại áp suất với áp suất đặt Nếu lúc tải giảm mạnh (áp suất tăng lên cao) bơm dự phịng tự động dừng bơm biến tần hoạt động Hệ thống hoạt động liên tục vậy, áp suất đường ống luôn ổn định tránh tình trạng áp suất tăng cao gây vỡ đường ống cấp nước S TRANG Luận Văn Tốt Nghiệp Sơ đồ nguyên lý hệ thống 1.5 HƯỚNG THỰC HIỆN ĐỀ TÀI: Đối với hệ thống bơm cấp nước thực tế người ta sử dụng máy bơm công suất lớn, biến tần công suất lớn, để bơm cấp nước cho khu dân cư, thành phố, cho khu công nghiêp Nhưng với đề tài em mơ hình hóa hệ thống nên em sử dụng máy bơm biến tần có cơng suất nhỏ, mà em ổn định áp suất đặt với giá trị nhỏ Một phần máy bơm cơng suất lớn nặng to nên em khơng thể làm mơ hình được, lý chi phí cho máy bơm biến tần cơng suất lớn q lớn khả em ƒ Nghiên cứu kỹ hệ thống bơm cấp nước sử dụng biến tần thực tế ƒ Nắm rõ trình tự điều khiển máy bơm ƒ Tìm hiểu biến tần sử dụng ƒ Lựa chọn máy bơm biến tần có cơng suất hợp lý ƒ Tìm hiểu giao tiếp PLC với biến tần ƒ Lập trình PLC ƒ Lập trình PID để điều khiển máy bơm ƒ Thiết kế giao diện SCADA để giám sát hệ thống ƒ Giao tiếp PLC với SCADA thông qua phần mềm PC – Access ƒ Thi cơng mơ hình chạy thử kiểm tra, sửa lỗi S TRANG Luận Văn Tốt Nghiệp ™ SƠ ĐỒ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SCADA S PLC S7- 200 PHẦN TỬ CHẤP HÀNH TRANG Luận Văn Tốt Nghiệp //1 Nhập giá trị setpoint vào VD104 //2 Nhập giá trị khuếch đại Kc vào VD112 S TRANG 105 Luận Văn Tốt Nghiệp //3 Thiết lập thời gian lấy mẫu Ts //4 Thiết lập thời gian tích phân Ti //5 Không thiết lập thời gian vi phân //6 Thời gian ngắt Timer0 100ms // Cho phép ngắt Timer0 //7 Gọi ngắt Timer0 cho phép ngắt timer //8 Thực ngắt Timer Cứ 100ms chương trình tự động nhảy vào thực chương trình ngắt Timer0, ngắt Timer0 xảy chương trình khác dừng PLC thực công việc lập trình ngắt Timer, sau thực xong chương trình ngắt quay trở lại nơi mà bị dừng xảy ngắt Trong đề tài chương trình ngắt thực cơng việc đọc tín hiệu analog từ cảm biến áp suất với đầu dòng -20mA Module EM 235 đọc tín hiệu analog ta quan sát thơng qua vùng nhớ AIW0 Vì PLC xử lý số thực nên AIW0 chuyển sang số thực để thực phép tính, scale giá trị từ – để đưa vô giá trị đặt PV (VD100) Sau chương trình ngắt Timer0 sử dụng đề tài này: // Scale giá trị đặt thành số thực //1 Biến đổi I thành DI //2 Biến đổi số DI thành số thực Real S TRANG 106 Luận Văn Tốt Nghiệp //3 Scale giá trị tầm – //4 Lưu vào giá trị đặt PV ( VD100) // Cài đặt vòng lặp cho PID khởi động // Khối để Scale giá trị ngõ Mn thành số nguyên ( I ) Giá trị ngõ phải đơn cực không số âm //1 Ngõ đưa vào cộng //2 Scale giá trị //3 Biến đổi số thực thành số DI //4 Biến đổi số DI thành I //5 Xuất số nguyên ( I ) AQW0 để điều khiển biến tần AQW0 có giá trị từ -10 Vdc Kết luận: Điều khiển PID cho Biến tần để ổn định áp suất đặt, PID điều khiển tín hiệu ngõ bám sát tín hiệu setpoint mà ta có xác toán điều khiển tự động Tuy nhiên, đề tài giá trị Kc, S TRANG 107 Luận Văn Tốt Nghiệp Kp, Ki… có dị cách thủ công, tức ta tăng giảm giá trị cho độ vọt lố, thời gian xác lập nhỏ 6.8 Ngắt xử lý ngắt: Nguyên tắc chế độ ngắt giống việc gọi chương trình con, khác chương trình gọi cách chủ động lệnh CALL, xử lý ngắt gọi bị động tín hiệu báo ngắt, hệ thống tổ chức gọi thực chương trình tương ứng vời tín hiệu báo ngắt đó, hay nói cách khác hệ thống tổ chức xử lý tín hiệu báo ngắt Chương trình gọi chương trình xử lý ngắt Trong CPU 214 có kiểu tín hiệu báo ngắt sau đây: Tám ngắt vào/ra theo sườn lên sườn xuống cổng I0.0÷I0.3 Hai ngắt thời gian Hai ngắt truyền thông nối tiếp ( nhận truyền) Bảy ngắt đếm tốc độ cao (CV=PV HSC0 thay đổi hướng, xóa ngồi, CV=PV HSC1 HSC2) S Hai ngắt đầu truyền xung PTO0 PTO1 TRANG 108 Luận Văn Tốt Nghiệp ™ Các kiểu tín hiệu báo ngắt khác CPU 214 trình bày bảng sau Những tín hiệu báo ngắt có CPU 212 Bảng kiện ngắt: Sự kiện Diễn giải CPU 221 CPU 222 Có CPU 224 Có I0.0 Xung cạnh lên I0.0 Xung cạnh xuống Có Có I0.1 Xung cạnh lên Có Có I0.1 Xung cạnh xuống Có Có I0.2 Xung cạnh lên Có Có I0.2 Xung cạnh xuống Có Có I0.3 Xung cạnh lên Có Có I0.3 Xung cạnh xuống Có Có Port Nhận ký tự Có Có Port Truyền thành cơng Có Có 10 Ngắt Timer SMB34 Có Có 11 Ngắt Timer SMB34 Có Có Cịn số ngắt chưa khai báo Trong đề tài sử dụng ngắt ngắt Timer0 Tín hiệu báo ngắt theo thời gian phát đặn theo chu kỳ thời gian Chu kỳ phát tín hiệu báo ngắt theo thời gian số nguyên khoảng 5ms255ms xác định giá trị SMB34, cho tín hiệu báo ngắt thời gian 0, SMB35 cho tín hiệu báo ngắt thời gian Một tín hiệu báo ngắt theo thời gian kích thời điểm khai báo lệnh ATCH Cũng thời điểm chu kỳ phát tín hiệu báo ngắt bắt đầu với chu kỳ phát quy định SMB34 SMB35 Mọi thay đổi sau nội dung hai ô nhớ đặc biệt không ảnh hưởng tới chu kỳ phát khai báo Muốn thay đổi lại chu kỳ phát tín hiệu báo ngắt, bắt buộc phải khai báo lệnh ATCH S TRANG 109 Luận Văn Tốt Nghiệp 6.9 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT: Chương trình Main: START Gọi chương trình PUMP_1 ON (Biến tần) N VD100=VD104 Y N VD108 =1 Y VD100=VD104 VD100