Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát mức nước sử dụng plc s7 300 và mô phỏng trên wincc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT MỨC NƯỚC SỬ DỤNG PLC S7-300 VÀ MÔ PHỎNG TRÊN WINCC Giảng viên hướng dẫn : ThS Tạ Hùng Cường Cán phản biện : ThS Phạm Hoàng Nam Sinh viên thực : Nguyễn Quang Tiến MSSV : 135D5103010096 Lớp : 54K2 - CNKT Điện, Điện tử Vinh, tháng 01 năm 2018 LỜI NÓI ĐẦU *** Khoa học kỹ thuật thay đổi ngày, - người kỹ thuật phải thay đổi tầm nhìn để theo kịp cơng nghệ đại Trọng tâm khoa học kỹ thuật văn minh công nghiệp đặt vào lĩnh vực cơng nghệ thơng tin, cơng nghệ vật liệu, công nghệ lượng, công nghệ sinh học công nghệ tự động Từ điều khiển lập trình PLC đời từ ý tưởng nhóm kỹ sư thuộc hãng General Motor năm 1968, tạo nên bước ngoặc cho phát triển tự động hóa cơng nghiệp Sự xuất điều khiển logic khả trình PLC dần thay mạch điều khiển rơ le thiết bị rời rạc, cồng kềnh Nhằm ứng dụng kiến thức trang bị q trình học tập mơn học Điều Khiển Lập Trình thầy giáo Ths: Tạ Hùng Cường giảng dạy để áp dụng áp dụng vào Đồ án Tốt Nghiệp, em lựa chọn đề tài “thiết kế hệ thống điều khiển giám sát mức nước sử dụng PLC S7 mơ WinCC” Nội dung hệ thống xử lý tín hiệu từ phao nước báo chất mức chất lỏng để từ đo mức nước bồn nước, điều khiển hoạt động hệ thống bơm nhằm mục đích ổn định mức chất lỏng bồn chứa Hệ thống có khả ứng dụng rộng rãi hệ thống hệ thống bồn nước cho tòa nhà cao tầng tân tiến, hệ thống pha trộn nguyên liệu chất lỏng, trạm chứa nước cung cấp cho sinh hoạt sản xuất Mặc dù, em cố gắng hoàn thành đề tài đặt chắn không tránh khỏi thiếu sót, mong Thầy bạn thơng cảm Em mong nhận ý kiến đóng góp từ Thầy bạn Sinh viên thực Nguyễn Quang Tiến NHẬN XÉT (Của giảng viên hướng dẫn) NHẬN XÉT (Của giảng viên phản biện) MỤC LỤC CHƯƠNG I GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Hệ thống điều khiển mức nguyên lý làm việc 1.2.1 Các loại cảm biến đo mức nước báo đầy, báo cạn 1.2.2 Điều khiển mức nước cảm biến mức 1.3 Hệ thống bơm cấp nước cho tòa nhà 1.4 Mục đích nghiên cứu 10 1.5 Phạm vi hướng giải đề tài 10 1.6 Kết nghiên cứu 11 CHƯƠNG II BỘ ĐIỀU KHIỂN LOGIC KHẢ TRÌNH PLC VÀ PHẦN MỀM MƠ PHỎNG WINCC 12 2.1 Giới thiệu điều khiển logic khả trình PLC 12 2.1.1 Lịch sử phát triển PLC 12 2.1.2 Cấu tạo họ PLC- S7-300 12 2.1.3 Các khối chức PLC- S7-300 13 2.2 Các lệnh lập trình Step 15 2.2.1 Nhóm lệnh logic tiếp điểm 15 2.2.2 Lệnh timer 17 2.2.3 Bộ đếm Counter 19 2.3 WinCC – Phần mềm giám sát hệ thống 24 CHƯƠNG III THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT MỨC NƯỚC SỬ DỤNG PLC S7-300 VÀ MÔ PHỎNG TRÊN WINCC 31 3.1 Yêu cầu công nghệ toán 31 3.2 Sơ đồ đấu nối PLC S7-300 (bản vẽ Cad) 36 3.3 Các thiết bị dùng hệ thống 37 3.4 Mô hệ thống phần mềm WINCC 39 3.5 Chương trình Step 46 3.6 Kết thực 47 KẾT LUẬN 49 CHƯƠNG I GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC 1.1 Đặt vấn đề Sự phát triển không ngừng xã hội mà động lực cách mạng khoa học công nghệ 4.0 tạo nhiều máy móc, thiết bị phục vụ cho người Nhu cầu vô hạn nên máy móc khơng ngừng phát triển để đáp ứng kịp nhu cầu Trong ngành cơng nghiệp tự động hóa, điều khiển thiết bị theo yêu cầu có sẵn, thiết bị lập trình sẵn, thiết bị hoạt động dựa vào tín hiệu phản hồi ngày áp dụng rộng rãi Điều giúp giảm bớt sức lao động tăng suất, chất lượng cho sản phẩm bảo vệ sức khỏe người lao động Phương pháp đo thủ cơng truyền thống có nhiều hạn chế vật liệu thiết bị bị ăn mịn, chịu tác động mơi trường; người phải tiếp xúc trực tiếp với môi trường đo; xảy tình trạng cháy, nổ dễ rò rỉ chất lỏng qua nắp, cặn chất lỏng hạn chế tầm nhìn Do có q nhiều hạn chế, nên thiết bị nhanh chóng bị thiết bị công nghệ tiên tiến thay Một thiết bị đo mức khác dựa vào trọng lực, thước đo kiểu phao Một phao đơn giản thả bề mặt chất lưu Chiếc phao chịu tác động từ lực chất lưu khơng khí phía làm bề mặt dao động theo mức chất lưu Bên cạnh đó, thiết bị khác sử dụng rộng rãi để xác định mức chất lưu đầu đo thủy tĩnh Trên thiết bị đo mức đơn giản, quen thuộc với người sử dụng Nhưng xuất nguyên tắc ứng dụng đo mức trở nên phức tạp hơn, lúc ngành cơng nghiệp đo mức chuyển với đời công nghệ sử dụng máy tính để tính tốn Chính mà nhiều nhà máy, khu cao ốc nhà cao tầng mọc lên nhiều Nhu cầu sử dụng nước sinh hoạt lớn ln thay đổi thường xun Do đó, nơi cần có hệ thống máy bơm nước đảm bảo nguồn nước cung cấp sinh hoạt bơm nước thải Việc quy hoạch cấp nước địi hỏi tính kỹ thuật cao, ln đảm bảo người có đủ nước sinh hoạt thời điểm Và rủi ro nước từ nhà cung cấp có nước để người sử dụng, ngày đêm Thời gian để nhà cung cấp khắc tình trạng cố, ta nên sử dụng thêm bồn nước dự trữ tầng hầm mái nhà Như cần có giải pháp tổng thể để quản lý hệ thống bơm cấp nước cho tòa nhà lớn, yêu cầu thiết yếu tính tiện nghi hệ thống để đáp ứng nhu cầu sinh hoạt người, yêu cầu thứ hai hệ thống quản lý, giám sát, vận hành qua hình máy tính chủ 1.2 Hệ thống điều khiển mức nguyên lý làm việc 1.2.1 Các loại cảm biến đo mức nước báo đầy, báo cạn  Cảm biến báo mức siêu âm không hiển thị Đây loại cảm biến sử dụng nhiều ứng dụng đo mức với độ xác cao Nguyên lý hoạt động cảm biến phóng tia sóng siêu âm từ đầu cảm biến xuống, sóng siêu âm gặp chất lỏng phản hồi lại Dựa vào sóng siêu âm phản hồi lại cảm biến xác định khoảng cách từ đầu cảm biến tới mức nước Tín hiệu ngõ cảm biến siêu âm tín hiệu 4-20mA 0-10V nên dể dàng cài đặt kết nối với PLC Cảm biến báo mức nước siêu âm có nhược điểm định Do chế hoạt động dựa việc truyền nhận lại sóng siêu âm nên cảm biến siêu âm nhạy cảm với bề mặt Cụ thể bọt khí làm giảm độ xác cảm biến Hay vị trí lắp đặt khơng cảm biến bị ảnh hưởng Hình 1.1 Cảm biến đo mức nước liên tục siêu âm khơng hiển thị ULM-53 Hình 1.2 Cảm biến đo mức nước sóng siêu âm hãng Carlo Gavazzi  Cảm biến báo mức siêu âm có hiển thị Cảm biến đo mức sóng siêu âm khơng có hiển thị loại có hiển thị có nhiều ưu điểm hơn: hiển thị khoảng cách, khối lượng, thể tích Một ưu điểm cảm biến siêu âm có hiển thị việc cài đặt giá trị đo mong muốn dể dàng xác nhiều so với loại cảm biến siêu âm khơng có hiên thị Tín hiệu ngõ cảm biến đo mức siêu âm tín hiệu 4-20mA 0-10V chuẩn Option có truyền thơng Modbus Hình 1.3 Cảm biến đo mức nước liên tục siêu âm có hiển thị ULM-70  Cảm biến đo mức chất lỏng bình nhựa kính Để báo mức vật liệu nhựa kính bình chứa có kích thước nhỏ thiết bị đo Cảm biến đo mức nước FLD-48 lắp bình dạng thẳng đứng bề mặt cong Với chất lỏng dẩn điện cảm biến báo mức chất lỏng với độ dày bề mặt nhựa kính 8mm Hình 1.4 Cảm biến đo mức chất lỏng bình nhựa kính  Cảm biến báo mức chất lỏng dạng điện dung Đối với cảm biến báo mức nước dạng điện dung có độ xác cao chất lỏng chạm vào đầu cảm biến cảm biến xuất tín hiệu xung dạng relay Khi mục tiêu cần phát di chuyển đến gần đầu phát cảm biến làm điện dung tụ điện C thay đổi (cấu tạo cực bề mặt đầu thu cực cịn lại đối tượng cần phát hiện) Khi điện dung tụ điện thay đổi mạch dao động tạo tín hiệu dao động Khi tín hiệu dao động có biên độ lớn ngưỡng đặt trước mạch phát mức điều khiển mạch trạng thái ON Khi đối tượng xa cảm biến, biên độ tín hiệu mạch dao động nhỏ, mạch phát mức điều khiển mạch trạng thái OFF Hình 1.5 Cảm biến đo mức chất lỏng dạng điện dung Một số ứng dụng cảm biến tiệm cận loại điện dung:  Phát mức chất lỏng bên chai từu bên  Phát sữa bên hộp giấy  Đếm sản phẩm  Phát vị trí vật Hình 1.6 Cảm biến điện dung phát chất lỏng chai thủy tinh  Cảm biến đo mức dạng điện cực Cảm biến vô đặc biệt với que điện cắm vào bể Phần lớn cảm biến đo mức nước dạng điện cực dùng điều khiển bơm nước vào khỏi bể Khi bể đầy cạn Theo đó, cảm biến có que cắm điện có độ dài khác nhau, que thứ dài vừa làm chuẩn cho que lại, vừa phải so sánh điện trở Khi điện trở xuống mức que thứ 2, đó, điện trở que có chênh lệch đáng kể Ngay lúc đó, cảm biến điều khiển bơm cho nước vào Còn ngược lại nước dâng cao lên que thứ nhất, điều khiển tự động đo điện trở que số số Nếu que số lớn điện trở que số 1, hệ thống báo tự động đến cảm biến ngừng cấp nước Loại cảm biến hoạt động dựa theo nguyên tắc so sánh điện trở que Do khơng có điện áp nên chúng dùng môi trường cháy nổ Cảm biến cao cảm biến dạng thường mở, mức nước đạt giá trị max hệ thống Reset bơm chính, động bơm dừng hoạt động Khi mức nước giảm xuống mức cảm biến trung bình cảm biến tác động trở lại Hệ thống lặp lại chu kỳ 3.2 Sơ đồ đấu nối PLC S7-300 (bản vẽ Cad) I124.3 I124.4 I124.5 I124.6 I125.1 SOS VAN B¥M MANUAL VAN I124.2 AUTO I124.1 VAN RA STOP I124.0 B¥M START Sơ đồ đấu nối I125.2 PLC S7_300 Q124.0 Ð1 I125.3 cpu 313c Q124.1 Q124.2 Q124.3 Q124.4 Q124.5 Q124.6 RO LE ÐÈN START 24 VDC RO LE BOM Ð2 RO LE VAN VAN RA SOS 24 VDC RO LE BOM RO LE VAN Hình 3.3 Sơ đồ đấu nối PLC L1 N L1 Q124.1 K11 N Q124.5 K21 K1 0V K4 0V ĐộNG CƠ BƠM ĐộNG CƠ BƠM Hỡnh 3.4 S ni chân rờ le trung gian cấp điện cho khởi động từ Đầu vào I124 I125 PLC S7-300 ta nối với nút ấn Nút ấn Start, Stop nút ấn dạng nhấp thả, nút ấn lại nút ấn giữ Đầu PLC S7-300 ta nối với thiết bị bơm van nước thông qua rờ le trung gian (rờ le kính) Rờ le trung gian có nhiệm vụ đóng cắt mạch có tín hiệu ngõ PLC, tiếp điểm rờ le thường mở trở thành thường đóng 36 đóng cuộn hút khởi động từ Mạch động lực nối với máy bơm thơng dịng điện máy bơm hoạt động 3.3 Các thiết bị dùng hệ thống  Máy bơm mini MB 385 Mơ hình sử dụng máy bơm mini – 12 (V) MB385 có thơng số kỹ thuật:  Máy bơm mini có điện áp: DC 6-12 (V)  Dịng tiêu thụ: 0.6-2 (A)  Cơng suất: 5-12 (W)  Nhiệt độ hoạt động: 80 độ C  Lưu lượng bơm: 1-2 L/min  Kích thước: 90 x 40 x 35 mm  Đầu hút cách nước < 2m  Đẩy nước cao Toolbar -> Library Bước 2: Chọn Siemens HMI 39 Bước 3: Tìm đến Tank kéo hình 3.4.2 Tạo bar hiển thị mức nước Bước 1: Tại Smart object tìm đến Bar kéo hình Bước 2: Chọn Tag cho bar trạng thái 40 Bước 3: Đặt giá trị Max – 3.4.3 Thiết lập thuộc tính cho động Bước 1: Ở library tìm đến PUMP kéo hình Bước 2: Thiết lập thuộc tính 41 42 3.4.4 Thiết lập thuộc tính cho van đường ống Bước 1: Ở library tìm đến Valve kéo hình Bước 2: Thiết lập thuộc tính 43 3.4.5 Thiết lập thuộc tính cho nút ấn Bước 1: Click chuột phải vào nút ấn chọn C-action Bước 2: Viết code cho nút ấn 44 3.4.6 Thiết lập thuộc tính cho giọt nước Bước 1: Vào library chọn Nature (rồi lấy giọt nước ra) Bước 2: Chọn hiển thị cho giọt nước 45 (Ở mục Display chọn tag van xả) 3.5 Chương trình Step 3.5.1 Các biến vào STT Ký hiệu B_START B_STOP B_PUMP B_INPUT_VALVE B_OUTPUT_VALVE B_AUTO B_MANU B_PUMP B_INPUT_VALVE 10 B_SUCO 11 Q_RUN_LAMP 12 Q_INPUT_VALVE 13 Q_PUMP 14 Q_OUTPUT_VALVE 15 Q_SUCO 16 Q_INPUT_VALVE 17 Q_PUMP 18 LEVEL_REAL 19 LEVEL_HIGH 20 LEVEL_MID 21 LEVEL_LOW 3.5.2 Chương trình S7300 Địa M 124.0 M 124.1 M 124.2 M 124.3 M 124.4 M 124.5 M 124.6 M 125.1 M 125.2 M 125.3 Q 124.0 Q 124.1 Q 124.2 Q 124.3 Q 124.4 Q 124.5 Q 124.6 MD104 MD108 MD110 MD112 Được in thành tệp pdf 46 Giải thích Nút ấn khởi động hệ thống Nút ấn dừng hệ thống Nút ấn bơm hoạt động Nút ấn van hoạt động Nút ấn van nước hoạt động Chọn chế độ tự động Chọn chế độ tay Nút ấn bơm phụ hoạt động Nút ấn van phụ hoạt động Báo cố Đèn báo hệ thống làm việc Cấp điện cho rờ le van Cấp điện cho rờ le bơm Cấp điện cho rờ le van nước Đèn báo cố Cấp điện cho rờ le van phụ Cấp điện cho rờ le bơm phụ Mức nước số thực Đặt mức nước cao Đặt mức nước trung bình Đặt mức nước thấp 3.6 Kết thực Sau gần tháng nghiên cứu tìm tịi tài liệu mạng để dần làm quen với phần mềm mô WinCC làm chủ nó, cuối kết em hồn thành kết mơ hệ thống phần mềm WinCC mơ hình sản phẩm Hình 3.9 Thực đấu nối mơ hình đào tạo PLC S7-300 Hình 3.10 Kết thực nghiệm hệ thống giám sát điều khiển mức nước thông qua phần mềm WinCC 47 Hình 3.11 Kết thực nghiệm hệ thống mức nước đạt giá trị trung bình Hình 3.12 Kết thực nghiệm hệ thống mức nước đạt giá trị mức nước cao 48 KẾT LUẬN *** Sau nhận đề tài em xác định rõ nhiệm vụ trách nhiệm với đề tài giao Qua việc nghiên cứu đề tài với nỗ lực thân suốt tháng, bên cạnh giúp đỡ hướng dẫn tận tình thầy giáo Tạ Hùng Cường tạo động lực cho em hoàn thành đề tài: ‘‘xây dựng hệ thống điều khiển giám sát mức nước plc s7-300 mô wincc’’ Trong q trình hồn thành đề tài cịn nhiều sai sót, em mong thầy giáo bạn bè ngành đóng góp ý kiến cho em để em hoàn thành đồ án Tốt nghiệp cách tốt Việc hoàn thành đề tài với nội dung mục tiêu đề ban đầu đem lại cho em lượng kiến thức bổ ích, thiết thực có khả ứng dụng thực tế * Ưu nhược điểm hệ thống: Hệ thống giám sát mức nước giúp cho người quản lý biết mức nước bồn cịn lại từ dễ dàng giám sát điều khiển hệ thống Hệ thống có nhược điểm chi phí đầu tư ban đầu cao, PLC cơng nghiệp có giá đắt Nhưng tương lai khơng xa, mà linh kiện điện từ ngày rẻ xu hướng phát triển giới * Hướng phát triển đề tài Với xu cách mạng 4.0 tồn cầu việc áp dụng PLC vào hệ thống tòa nhà ví dụ hệ thống bơm em thực điều tất yếu tương lai Chính vậy, có hội em mong muốn phát triển đề tài để thực tế để xem xét khó khăn, vướng mắc thực đề tài Bên cạnh đề tài cịn kết hợp với cảm biến lưu lượng nước để giám sát lượng nước tiêu thụ phía tải, để từ thơng qua tín hiệu trả PLC điều khiển biến tần để điều khiển công suất hoạt động động bơm nước Hệ thống bơm nước kết hợp với hệ thống quản lý tịa nhà BMS (Building Management System) thơng qua giao tiếp LonWorks, đồng với hệ thống thơng minh tịa nhà để dễ dàng quản lý giám sát qua hình điều khiển 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO * Tài liệu tham khảo [1] Châu Chí Đức, Kỹ thuật điều khiển lập trình PLC SIMATIC S7-200, Thành phố Hồ Chí Minh, 10-2008 [2] Nguyễn Xuân Quang, Giáo trình PLC S7-300 lý thuyết ứng dụng, NXB trường đại học sư phạm kỹ thuật TP.HCM, 12-2006 [3] Trần Thu Hà, Phạm Quang Huy, Cad tự động hóa – Tự học S7 WINCC hình ảnh, NXB Hồng Đức [4] Nguyễn Dỗn Phước, Phan Xuân Minh, Vũ Văn Hà, Tự động hóa với SIMATIC S7-300, NXB Khoa học kỹ thuật, 2000 [5] Lê Văn Doanh, Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Văn Hòa, Đào Văn Tân, Võ Thạch Sơn, Các cảm biến kỹ thuật đo lường điều khiển, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2008 * Tài liệu tham khảo Internet [6] www.ngocautomation.com [7] www.carlogavazzi.vn [8] www.thuvien.brtvc.edu.vn [9] www.kythuatdienviet.com [10] www.cambiendoapsuat.vn [11] www.vandieukhien.vn [12] www.cambienbaomuc.com 50 ... thô 30 CHƯƠNG III THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT MỨC NƯỚC SỬ DỤNG PLC S7-300 VÀ MÔ PHỎNG TRÊN WINCC 3.1 u cầu cơng nghệ tốn Hệ thống điều khiển giám sát hệ thống bơm nước hoạt động chế... mềm giám sát hệ thống 24 CHƯƠNG III THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT MỨC NƯỚC SỬ DỤNG PLC S7-300 VÀ MÔ PHỎNG TRÊN WINCC 31 3.1 u cầu cơng nghệ tốn 31 3.2 Sơ đồ đấu nối PLC. .. ? ?thiết kế hệ thống điều khiển giám sát mức nước sử dụng PLC S7 mô WinCC? ?? Nội dung hệ thống xử lý tín hiệu từ phao nước báo chất mức chất lỏng để từ đo mức nước bồn nước, điều khiển hoạt động hệ