Đồ án chuyên môn đo lường và điều khiển thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát mức nước và áp suất của một nồi hơi

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI BÁO CÁO ĐỒ ÁN CHUYÊN MÔN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỀ TÀI SỐ : THIẾT KẾ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT MỨC NƯỚC VÀ ÁP SUẤT CỦA MỘT NỒI HƠI Hà Nội ngày 19 tháng năm 2017 Lời nói đầu  Ngày nay, người với ứng dụng khoa học kỹ thuật tiên tiến giới, ngày thay đổi, văn minh đại Page Sự phát triển kỹ thuật điện tử tạo hàng loạt thiết bị với đặc điểm bật xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ…là yếu tố cần thiết góp phần tăng hiệu lao động người Tự động hóa trở thành nghành khoa học đa nhiệm vụ Tự động hóa đáp ứng địi hỏi khơng ngừng nghành, lĩnh vực khác nhu cầu thiết yếu người sống hàng ngày Một sản phẩm tiên tiến PLC Ứng dụng quan trọng nghành công nghệ tự động hóa việc điều khiển, giám sát hệ thống với thiết bị điều khiển từ xa tinh vi đạt suất, kinh tế cao Xuất phát từ ứng dụng đó, chúng em xin phép thiết kế mạch ứng dụng PLC thiết hệ hệ thống điều khiển giám sát mức nước áp suất nồi S7 - 300 MỤC LỤC PHẦN 1: CƠ SỞ LÍ THUYẾT 1.1 Mô tả công nghệ phân tích hệ thống 1.1.1.Mô tả công nghệ 1.1.2.Phân tích hệ thống 1.2 Phương pháp đo Page 1.2.1 Đo áp suất 1.2.2 Các phương pháp đo mức chất lỏng: Khi đo liên tục biên độ tần số tín hiệu đo cho biết thể tích chất lưu cịn lại bình chứa Khi xác định theo ngưỡng, cảm biến đưa tín hiệu dạng nhị phân cho biết thơng tin tình trạng mức ngưỡng có đạt hay khơng + Có ba phương pháp hay dùng kỹ thuật đo phát mức chất lưu: - Phương pháp thuỷ tĩnh dùng biến đổi điện - Phương pháp điện dựa tính chất điện chất lưu .7 - Phương pháp xạ dựa tương tác xạ chất lưu Một số loại cảm biến đo mức chất lưu .7 1.3.Tìm hiểu PLC 1.3.1.Khái quát chung PLC S7-300 - Cấu trúc PLC S7-300 1.3.2.Các Module .10 1.3.2.1 Cách thức PLC thực chương trình 15 1.3.2.2.Module analog .16 1.3.3Tìm hiểu HMI 19 1.3.3.1Tìm hiểu HMI 19 1.3.3.2Tìm hiểu WINCC .21 2.Các thành phần WinCC 22 3.Nguyên tắc hoạt động WinCC Một chương trình tạo công cụ soạn thảo ( bao gồm chương trình Graphic System, Alarm Logging, Archive System…) Các thơng số chương trình ta lưu vùng nhớ liệu CS (Configuration database) 22 4.Quy trình tạo project WinCC 23 CHƯƠNG II : THIẾT KẾ HỆ THỐNG 25 2.1 Xây dựng sơ đồ khối 25 2.2 Lựa chọn thiết bị 26 2.2.1 Lựa chọn cảm biến áp suất .26 Page 2.1.2 Lựa chọn cảm biến đo mức 27 2.1.3 Lựa chọn PLC 29 2.1.4 Lựa chọn biến tần 34 2.1.5 Lựa chọn động bơm nước 35 2.3 Xây dựng lưu đồ thuật toán 36 2.5 Xây dựng phần mềm 44 3.1 – Kết đạt .47 3.2-Hạn chế tồn phương hướng khắc phục .47 Page PHẦN 1: CƠ SỞ LÍ THUYẾT 1.1 Mơ tả cơng nghệ phân tích hệ thống 1.1.1.Mơ tả cơng nghệ - Khởi động hệ thống , ấn START hệ thống khởi động Đèn RUN sáng báo hệ thống làm việc Mức nước [0-0,5]m van M mở đèn LAL sáng báo mức nước thấp nước cấp vào nồi hơi, mức nước lớn 0,5m đèn LAL tắt, nước tiếp tục bơm vào nồi Khi mức nước tăng dần đến 1,5m máy bơm hoạt động Khi mức nước vượt 2,5m đèn HAL sáng báo hiệu nước mức cao van M đóng lại, ngừng cấp nước cho nồi Áp suất nồi tăng dần áp suất nồi lớn 25bar đèn HAP sáng cảnh báo áp suất cao Ấn STOP hệ thống ngừng hoạt động Kết thúc trình làm việc Hình 1.1: hình ảnh hệ thống Page 1.1.2.Phân tích hệ thống - Các thông số đo hệ thống + Đo áp suất [0-30]bar + Đo mức nước [0-3]m - Đối tượng điều khiển giám sát nút ấn & đèn + START: Khởi động hệ thống +STOP : Dừng hệ thống +RUN: Hệ thống hoạt động +LAL : Đèn báo mức thấp( Nhỏ 0,5m), +HAL : Đèn báo mức cao( Lớn 2,5m) +HAP: Đèn báo áp suất cao( Lớn 25bar) 1.2 Phương pháp đo 1.2.1 Đo áp suất - Phương pháp đo áp suất phụ thuộc vào dạng áp suất Đo áp suất tĩnh - Đo trực tiếp chất lưu thông qua lỗ khoan thành bình - Đo gián tiếp thơng qua biến dạng thành bình tác động áp suất Đo áp suất động - Dựa theo nguyên tắc chung đo hiệu suất tổng áp suất tĩnh - Có thể đo cách đặt áp suất tổng lên màng trước, đặt áp suất tĩnh lên màng sau màng đo, tín hiệu đưa đọ chênh lệch áp suất tổng áp suất tĩnh - Áp suất có đơn vị đo pascal (Pa) - Trong cơng nghiệp cịn dùng đơn vị đo bar (1bar= 10^5 Pa) Công thức xác định : - dF: lực tác dụng -dS: diện tích thành ống chịu lực tác dụng Page -Trong đề tài Chúng em đo áp suất cách sử dụng Cảm Biến áp suất để đo Với ưu điểm đơn giản, dễ dàng sử dụng, bảo dưỡng định kì Chất lượng đảm bảo 1.2.2 Các phương pháp đo mức chất lỏng: -Có hai dạng đo: đo liên tục xác định theo ngưỡng Khi đo liên tục biên độ tần số tín hiệu đo cho biết thể tích chất lưu cịn lại bình chứa Khi xác định theo ngưỡng, cảm biến đưa tín hiệu dạng nhị phân cho biết thơng tin tình trạng mức ngưỡng có đạt hay khơng + Có ba phương pháp hay dùng kỹ thuật đo phát mức chất lưu: - Phương pháp thuỷ tĩnh dùng biến đổi điện - Phương pháp điện dựa tính chất điện chất lưu - Phương pháp xạ dựa tương tác xạ chất lưu Một số loại cảm biến đo mức chất lưu * Cảm biến độ dẫn Các cảm biến loại dùng để đo mức chất lưu có tính dẫn điện (độ dẫn điện ~ 50μScm-1) Trên hình 1.2 giới thiệu số cảm biến độ dẫn đo mức thông dụng Hình 1.2: Cảm biến độ dẫn a, Cảm biến hai điện cực b, Cảm biến điện cực c, Cảm biến phát mức Page Sơ đồ cảm biến hình 1.2a gồm hai điện cực hình trụ nhúng chất lỏng dẫn điện Trong chế độ đo liên tục, điện cực nối với nguồn nuôi xoay chiều ~ 10V (để tránh tượng phân cực điện cực) Dòng điện chạy qua điện cực có biên độ tỉ lệ với chiều dài phần điện cực nhúng chìm chất lỏng Sơ đồ cảm biến hình 1.2b sử dụng điện cực, điện cực thứ hai bình chứa kim loại Sơ đồ cảm biến hình 1.2c dùng để phát ngưỡng, gồm hai điện cực ngắn đặt theo phương ngang, điện cực cịn lại nối với thành bình kim loại,vị trí điện cực ngắn ứng với mức ngưỡng Khi mức chất lỏng đạt tới điện cực, dòng điện mạch thay đổi mạnh biên độ * Cảm biến tụ điện Khi chất lỏng chất cách điện, tạo tụ điện hai điện cực hình trụ nhúng chất lỏng điện cực kết hợp với điện cực thứ hai thành bình chứa thành bình làm kim loại Chất điện mơi hai điện cực chất lỏng phần điện cực bị ngập khơng khí phần khơng có chất lỏng Việc đo mức chất lưu chuyển thành đo điện dung tụ điện, điện dung thay đổi theo mức chất lỏng bình chứa Điều kiện để áp dụng phương pháp số điện môi chất lỏng phải lớn đáng kể số điện mơi khơng khí (thường gấp đơi) Trong trường hợp chất lưu chất dẫn điện, để tạo tụ điện người ta dùng điện cực kim loại bên ngồi có phủ cách điện, lớp phủ đóng vai trị chất điện mơi cịn chất lưu đóng vai trị điện cực thứ hai 1.3.Tìm hiểu PLC Theo yêu cầu cầu đề tài có sử dụng winCC để mơ hệ thống Mặc dù gần năm chúng em tìm hiểu PLC S7-200 Tuy nhiên Win CC khơng tương thích với loại PLC S7-200 Do chúng em định sử dụng loại PLC S7-300 Chúng tương thích với Win CC Page trình mơ Đây hội cho chúng em biết loại PLC 1.3.1.Khái quát chung PLC S7-300 - Cấu trúc PLC S7-300 PLC thiết bị điều khiển logic khả trình (Programmable Logic Control) loại thiết bị cho phép thực linh hoạt thuật tốn điều khiển số thơng qua ngơn ngữ lập trình PLC điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quanh ( với PLC khác với máy tính) Tồn chương trình điều khiển lưu nhớ PLC dạng khối chương trình ( Khối OB, FC FB) thực theo chu kỳ vịng qt Hình 1.3 Ngun lí chung cấu trúc điều khiển logic khả trình (PLC) Page Để thực chươg trình điều khiển, tất nhiên PLC phải có tính máy tính, nghĩa phải có vi xử lý (CPU), hệ điều hành, nhớ để lưu chương trình điều khiển tất nhiên phải có cổng vào/ để giao tiếp với đối tượng điều khiển để trao đổi thông tin với môi trường xung quanh Bên cạnh đó, nhằm phục vụ tốn điều khiển số, PLC cần phải có thêm khối chức đặc biệt khác đếm (Counter), thời gian (Timer)và khối hàm chuyên dụng (hình 1.4) 1.3.2.Các Module Thơng thường để tăng tính mềm dẻo ứng dụng thực tế mà phần lớn đối tượng điều khiển có số tín hiệu đầu vào/ra khác mà điều khiển PLC thiết kế khơng cứng hố cấu hình Chúng chia nhỏ thành module Số module chia nhiều hay tuỳ theo tốn, song tối thiểu phải có module module CPU Các module cịn lại module nhận/truyền tín hiệu với tín hiệu điều khiển, module chức chuyên dụng module PID, điều khiển động Chúng gọi chung modul mở rộng Tất module gá ray (Rack) Page 10 Hình 2.7 Sơ đồ đấu dây với ngõ vào điện áp ngõ điện áp Hình 2.8 Sơ đồ đấu dây với ngõ vào dòng điện vào ngõ dòng điện Nguồn nội Bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) Các kênh đầu vào Các kênh đầu Bộ chuyển đổi số sang tương tự (DAC) Mạch ghép nối bus Chân nối chung Chân nối mass Page 33 Kết nối chân MANA (chân 15 18) với chân mass M CPU sử dụng dây có tiết diện tối thiểu 1mm Nếu chân không nối với module tắt Ngõ vào lúc có giá trị 7FFFH, ngõ có giá trị Nếu để module hoạt động không nối mass thời gian dẫn tới hư hỏng Tuyệt đối tránh đấu nguồn ngược cực Việc nguyên nhân làm cháy module 2.1.4 Lựa chọn biến tần Chọn loại biến tần MM420 hãng Siemens Hình 2.9 Biến tần MM420 Siemens Cài đặt biến tần - Biến tần MM420 điều khiển + cài đặt thông số: P0003 = 1: chọn mức truy nhập P0004 = 0: lọc tất cá thông số P0010 = 1: chọn loại cài đặt nhanh P0100 = 0: tần số 50Hz Page 34 P2050 = 0: chọn loại động có mơ men k đổi P0300 = 1: loại động không đồng P0304 = 220: điện áp định mức P0305 : Iđm động P0307 : công suất định mức động P0308: cos phi định mức P0310: tần số định mức P0311: tốc độ định mức P700 = 1: chọn điểm đặt điều chỉnh bàn phím P1000 = 2: chọn điểm đặt tương tự lấy từ PLC P1080= 0: tần số P1082 = 60: tần số max Kết thúc chọn P0010 = 0: chế độ sẵn sàng hoạt động 2.1.5 Lựa chọn động bơm nước Hình 2.10 Động bơm nước Máy bơm công nghiệp EBARA 3M 40 -160/3,0 Page 35 Thông tin Máy bơm công nghiệp EBARA 3M 40-160/3,0 Xuất xứ Công suất Điện áp sử dụng Lưu lượng Chiều cao bơm Kích thước họng hút -xả Vật liệu thân bơm Cường độ dòng điện: Nhiệt độ chất lỏng bơm tối đa Bảo hành Mô tả Italy 3Kw/4Hp 380V 12-42 m3/h 29,5-17 m 76-49mm Nhôm 6,8 A 90 °C 12 tháng 2.3 Xây dựng lưu đồ thuật toán MAIN Khởi động hệ thống Đo, điều khiển cảnh báo áp suất Page 36 Đo cảnh báo mức nước MEND Hình 2.11 thuật tốn điều khiển hệ thống - Chương trình tốn bao gồm cơng việc : Công việc : Đo cảnh báo áp suất Tín hiệu áp suất trả từ cảm biến đưa vào PLC đọc trả giá trị áp suất, từ để điều khiển động bơm nước cảnh báo mức áp suất cao Công việc : Đo cảnh báo mức nước cao mức nước thấp Page 37 Khởi động hệ thống S START= Đ S TG=1 STOP=1 Đ TG=0 END Hình 2.12 Thuật tốn khởi động hệ thống - Lưu đồ thuật toán đo, điều khiển cảnh báo áp suất Page 38 Đo cảnh báo áp suất TG=1 S Đ Nhận tín hiệu tự cảm biến xử lí tín hiệu Đ Page 39 Ápsuất25 bar Đ Bật đèn cảnh báo áp suất cao HAP RET Hình 2.13 Lưu đồ thuật toán điều khiển cảnh báo áp suất - Lưu đồ thuật toán đo cảnh báo mức nước Page 40 Đo dieu khien cảnh báo mức nước TG=1 S Đ Nhận tín hiệu tự cảm biến xử lí tín hiệu Đ Mức2,5m Đ Bật đèn cảnh báo mức cao HAL Page 41 RET Hình 2.14 Lưu đồ thuật tốn đo cảnh báo mức nước 1.4 Sơ đồ đấu dây Page 42 L1 L2 L3 N PS307-2A DC 24V I L N L+ M L+ M CPU312C SF START 0.0 0.1 0.2 DC5V 0.3 FRCF 0.4 RUN 0.5 STOP 0.6 RUN 0.7 STOP 1.0 MRES 1.1 2M 1L+ 0.0 0.1 0.2 0.3 L+ DC 24V 0.4 M 0.5 1M STOP START STOP LAL HAL RUN HAP L+ MV0+ M0MI0+ MV1+ M1MI1+ MV2+ M2MI2+ MV3+ M3MI3+ QV0 MANA QI0 QV1 MANA QI1 M 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 24VDC BLUE SM 334 BLACK FUSE BROWN CB MUC E4PA-LS600-M1-N 0V 0V 24VDC PIN1 PIN2 PIN3 cam bien ap suat MBS3000 2011-1AB04 START L1 L2 L3 BIEN TAN MM420 9W V U L+ MOTOR M Hình 2.15 sơ đồ đấu dây Page 43 2.5 Xây dựng phần mềm Page 44 Page 45 2.6 Thiết kế giao diện HMI Mơ hình mơ tả hệ thống hoạt động wincc Hình 2.13 Hệ thống chưa khởi động Hình 2.14 Hệ thống sau nhấn START Khởi động hệ thống (ấn START hệ thống khởi động.đèn RUN sáng báo hệ thống làm việc.mức nước [0-0,5]m van M mở đèn LAL sáng báo mức nước thấp nước cấp vào nồi hơi,khi mức nước lớn 0,5m đèn LAL tắt, nước tiếp tục bơm vào nồi hơi.khi mức nước tăng dần đến 1,5m máy bơm hoạt động Khi mức nước vượt 2,5m đèn HAL sáng báo hiệu nước mức cao Page 46 van M đóng lại, ngưng cấp nước cho nồi Áp suất nồi tăng dần áp suất nồi lớn 2,5bar đèn HAP sáng cảnh báo áp suất cao Ấn STOP hệ thống ngừng hoạt động Kết thúc trình làm việc Chương 3: Kết thực 3.1 – Kết đạt Qua đề tải vừa qua chúng em thực theo yêu cầu cô giao cho, chúng em học nhiều kến thức biết thêm wincc để mô chương trình thực tế loại modul s7300.Hy vọng sau chúng em áp dụng kiến thức học vào thực tế sau 3.2-Hạn chế tồn phương hướng khắc phục Trong trình làm chúng em gặp số khó khăn cách hoạt động wincc,các thiết bị module s7 300.Chúng em tìm tịi tài liệu mạng qua giúp đỡ thầy cô nên hiểu nhiều kiến thức đề tài Page 47 ... tích hệ thống - Các thông số đo hệ thống + Đo áp suất [0-30]bar + Đo mức nước [0-3]m - Đối tượng điều khiển giám sát nút ấn & đèn + START: Khởi động hệ thống +STOP : Dừng hệ thống +RUN: Hệ thống. .. báo mức thấp( Nhỏ 0,5m), +HAL : Đèn báo mức cao( Lớn 2,5m) +HAP: Đèn báo áp suất cao( Lớn 25bar) 1.2 Phương pháp đo 1.2.1 Đo áp suất - Phương pháp đo áp suất phụ thuộc vào dạng áp suất Đo áp suất. .. : Đo cảnh báo áp suất Tín hiệu áp suất trả từ cảm biến đưa vào PLC đọc trả giá trị áp suất, từ để điều khiển động bơm nước cảnh báo mức áp suất cao Công việc : Đo cảnh báo mức nước cao mức nước