Chương 4 THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM, MƠ HÌNH
4.3. Lập trình điều khiển tự động hệ thống cấp nước
4.3.1. Thành lập nguyên lý điều khiển hệ thống
4.3.1.1. Chế độ Auto
Hệ thống được vận hành theo hai chế độ trên tủ điện:
Khi người vận hành tiến hành gạt switch về vị trí AUTO hệ thống chạy như sau:
Điều kiện 1: Áp suất nhỏ hơn áp suất cài đặt thấp 2 bơm sẽ chạy duy trì áp suất cài đặt. Điều kiện 2: Bơm số 2 biến tần sẽ tăng giảm tần số duy trì áp suất cài đặt
Điều kiện 3: Khi 2 bơm chạy áp suất lớn hơn áp suất cài đặt cao , bơm số 2 sẽ dừng.
Khi hệ thống chạy chế độ Man chạy dừng đơn độc bằng bảng điều khiển Man.
Bơm sẽ được bảo vệ bởi cảm biến mức nước , khi mực nước thấp bơm sẽ không chạy.
4.3.1.2. Chế độ Man
Khi người vận hành tiến hành gạt switch về vị trí MAN hệ thống chạy như sau: Khi gạt Man bơm 1 thì bơm 1 sẽ chạy
36
Khi gạt Man bơm 2 thì bơm 2 sẽ chạy
4.3.1.3. Chế độ bảo vệ,
Khi hệ thống cảnh bảo mực nước thấp, nghĩa là hệ thống lúc này khơng có nước ở bờn chứa thì hệ thống sẽ khơng cho chạy bơm
Khi hệ thống bị ngắt mặt CB lập tức sẽ tắt nguồn hệ thống
Biến tần cho chức năng bảo vệ quá tải động cơ.
4.3.2. Thành lập lưu đồ giải thuật cho hệ thống 4.3.2.1. Lưu đồ giải thuật cho PLC
37
Lưu đờ chính của chương trình.
Lưu đờ chương trình Auto
Bắt đầu
Kết thúc Chọn chế độ = 0
Chạy chương trình Auto Chạy chương trình Man
Đún g
Sai
38 Bắt đầu
Kết thúc
Dừng hệ thống hoặc cảm biến mực nước tác động
Chạy nền 1 bơm 1 pha
Tiến hành chạy bơm 1, dừng bơm biến tần chạy PID theo cảm biến áp suất
Giá trị áp suất < giá trị cài đặt min
Giá trị áp suất > giá trị cài đặt max Chạy hệ thống
Tiến hành chạy 2 bơm, bơm biến tần chạy PID theo cảm biến áp suất
Tiến hành tắt 2 bơm Đúng Đúng Đúng Đúng Sai Sai Sai Sai
39
Lưu đờ chương trình Man.
Bắt đầu Kết thúc Man bơm 1 = 1 Man bơm 2 = 1 Chạy bơm 2 Đúng Sai Đúng Sai Chạy bơm 1 Tắt 2 bơm
40
4.3.2.2. Lưu đồ giải thuật cho mạch tủ điện
Bắt đầu
Kết thúc
Chạy trực tiếp trên tủ điện Switch Man
Switch Auto
Chạy chương trình trên PLC Đúng
Sai
Đúng
Sai
41
4.3.2.3. Lưu đồ giải thuật bảo vệ hệ thống
Bắt đầu Kết thúc Khơng có sự cố ng̀n điện Cấp ng̀n hệ thống Ngắt nguồn hệ thống Đúng Sai
42
4.4. Chọn thiết bị điều khiển
4.4.1. Chọn PLC S7-1200 AC/DC/RLY
Nhóm chọn PLC S7-1200 CPU 1212C AC/DC/RLY của hãng Siemen. Hệ thống của nhóm có tất cả 8 ngõ vào DI, 6 ngã ra DO. Trong khi đó PLC S7-1200 CPU 1212C AC/DC/RLY có 8DI,6DO có thể nói là đáp ứng được với yêu cầu của nhóm, đờng thời với thiết kế nhỏ gọn, phần mềm lập trình Tia Portal dễ sử dụng cùng với khả năng mở rộng IO, giao diện thiết kế SCADA với kho thư viện phong phú nên đây sẽ là lựa chọn thích hợp nhất.
Hình 4. 23: PLC S7-1200 AC/DC/RLY
Chức năng CPU 1212C AC/DC/RLY
I/O tích h ợp cục bộ: Kiểu số Kiểu tương tự 8 ngõ vào/ 6 ngõ ra. 2 ngõ vào/2 ngõ ra. Bộ nhớ bit (M) 4096 byte.
43
Độ mở rộng các module tín hiệu 2
Các module truyền thông 3 (mở rộng về bên trái)
Các bộ đếm tốc độ cao: Đơn pha Vuông pha
4
3 tại 100 kHz, 1 tại 30 kHz 3 tại 80 kHz, 1 tại 20 kHz
Các ngõ ra xung 2
PROFINET 1 cổng truyền thơng Ethernet.
Tốc độ thực thi tính tốn thực 18 μs/lệnh.
Tốc độ thực thi Boolean 0,1 μs/lệnh.
Bảng 4. 2: Bảng thông số PLC
4.4.2. Chọn nodule Analog SM 1232 2AO
Hình 4. 24: Module SM 1232 2AO
Thông số kỹ thuật:
- Đầu ra tương tự cho SIMATIC S7-1200
- Thời gian chuyển đổi cực kỳ ngắn
44
- Để giải quyết các nhiệm vụ tự động hóa phức tạp hơn
- Mô-đun tín hiệu đầu ra tương tự SM 1232 cho phép sử dụng các đầu ra tương tự.
Chức năng: Giao tiếp điều khiển biến tần 4.4.3. Chọn biến tần
Biến tần 1 pha 220V ra 3 pha 220V FR-120U Thông số kỹ thuật :
Công suất tối đa (HP/KW) 3/1.1
Công suất định mức (KVA) 2.3
Dòng điện định mức ngõ ra (A) 6
Điên áp định mức ngõ ra (V) 3 pha ( 200-240V)
Phạm vi tần số (Hz) 0.1-400 HZ
Nguồn điện f HZ V 3 Pha 200-240V 50/60HZ
Dòng điện định mức ngõ vào ( A ) 6.3
Nguồn điện biến động 176V-264V 50/60HZ/ ±5%
Khả năng quá tải 150% của dòng điện định mức trong vòng
1 phút
Phương pháp làm lạnh Quạt
Mức bảo vệ IP20, UL loại mở
Trọng lượng (KG) 1.1
Bảng 4. 3: Bảng thông số kỹ thuật biến tần
Chức năng :
- Dùng để test mạch điện 3 pha
45 - Dùng để test tủ điện 3 pha
- Dùng để kiểm tra các loại máy điện 3 pha công suất nhỏ
- Dùng cho phòng thí nghiệm, KCS, test mẫu, phòng lab,
- Dùng để thử động cơ điện 3 pha
- Dùng cho các thiết bị máy móc dân dụng và cơng nghiệp có cơng suất nhỏ hơn 3Hp
- Dùng để kiểm tra trạm máy biến áp
- Dùng cho hầu hết các trang thiết bị 3 pha khác nữa.
46
4.4.4. Cảm biến áp suất nước
Hình 4. 26: Cảm biến áp suất nước
Thông số kỹ thuật :
✓ Dãy đo áp suất thông thường từ 0-3 bar
✓ Tín hiệu ngõ ra dạng 0-5V
✓ Nhiệt độ làm việc thông thường từ 25ºC
✓ Sai số theo từng năm < 0.3% là đạt tiêu chuẩn
Công dụng :Đưa dữ liệu áp suất nước đường ống về PLC 4.4.5. Cảm biến mức nước
47
Thông số kỹ thuật :
Điện áp danh định và dòng 220V / 7,5AAC, 110V / 5AAC - Hướng lắp đặt theo chiều dọc
- Phạm vi kiểm soát mức nước 0.2-5.0 mét. - Nhiệt độ 5-75 ° C
- Công suất lớn nhất của bơm điều khiển trực tiếp 0.75kw (1.0HP)
48
4.5. Thiết kế giao diện Scada WinCC 4.5.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống 4.5.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống
Hệ thống gồm một bơm chạy nền và một bơm điều chỉnh áp suất, áp suất nước được đọc bởi cảm biến áp suất được lắp đặt ở đường nước cấp. Hệ thống được bảo vệ bơm bởi cảm biến mực nước, khi mực nước thấp bơm sẽ không chạy
Bồn chứa nước Bơm số 1(1 pha) Bơm số 2(3 pha) sử dụng biến tần Bơm hút nước từ bồn chứa nước Cấp nước đến người sử dụng Cảm biến áp suất
Cảm biến mực nước
49
4.5.2. Lập trình giao diện Scdada WinCC 4.5.2.1. Giới thiệu sơ lược về WinCC 4.5.2.1. Giới thiệu sơ lược về WinCC
Phần mềm WinCC của Siemens là một phần mềm chuyên dụng để xây dựng giao diện điều khiển HMI (Human Machine Interface) cũng như phục vụ việc xử lý và lưu trữ dữ liệu trong một hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Aquisition) thuộc chuyên ngành tự động hóa.
Hình 4. 29: Phần mềm WinCC Scada
WinCC là chữ viết tắt của Windows Control Center (Trung tâm điều khiển chạy trên nền Windows), nói cách khác, nó cung cấp các công cụ phần mềm để thiết lập một giao diện điều khiển chạy trên các hệ điều hành của Microsoft như Windows NT hay Windows 2000, XP, Vista 32bit (Not SP1). Trong dòng các sản phẩm thiết kế giao diện phục vụ cho vận hành và giám sát, WinCC thuộc thứ hạng SCADA (SCADA class) với những chức năng hữu hiệu cho việc điều khiển.
50
4.5.2.2. Các bước thiết lập giao diện WinCC Bước 1: Nhấn nút Start→TiaportoV16
Hình 4. 30: Tạo project mới WinCC
Bước 2: Device & networks → Add new device → PC station
51
Bước 3: Chọn card mạng IE general kết nối với PLC-S7-1200 1212C AC/DC/RL.
Hình 4. 32: Chọn cấu hình card mạng
Thành quả đạt được
52
Chi tiết thực hiện được mơ tả ở chương thi cơng mơ hình
4.6. Chọn thiết bị phần cứng.
4.6.1. Bồn chứa nước cho hệ thống
Hình 4. 34: Bồn nước cấp của hệ thống Bồn số 1 Bồn số 2 Mực nước Áp suất Bơm nước
53
Xây dụng hệ thống gồm 2 bồn nước:
- Bồn số 1: Mô phỏng bồn chưa nước của hệ thống - Bồn số 2: Mô phỏng nước cấp của hệ thống.
4.6.2. Ống nhựa PVC, phụ kiện keo dán, cao su non.
Hình 4. 35: Ống nhựa PVC
Ống được sử dụng trong mơ hình là ống nhựa PVC phi 21, có chức năng dẫn nước.
Hình 4. 36: Phụ kiện co ống
54
Hình 4. 37: Đầu ren nối vào bình
Phụ kiện đầu ren có chức năng nối bình nước vào ống nước.
Hình 4. 38: Keo dán ống
Có chức năng kết dính các ống lại với nhau.
Hình 4. 39: Cao su non
55
4.6.3. Chọn Bơm cho hệ thống 4.6.3.1. Bom nước 1 pha 4.6.3.1. Bom nước 1 pha
Hình 4. 40: Bơm nước 1 pha GP-129JXK
Thông số kỹ thuật:
- Màu sắc Xanh dương
- Kích thước 206mm x 152mm x 212mm
- Họng hút xả 3cm
- Loại máy bơm Máy bơm nước đẩy cao
- Nguồn điện áp 220V / 50Hz
- Công suất 125W
- Lưu lượng nước 30 lít/phút
- Độ hút sâu 9m
- Độ cao đẩy 21m
- Trọng lượng sản phẩm 5,4kg
- Sản xuất tại Indonesia
- Bảo hành 24 tháng
- Thương hiệu Nhật Bản
56
4.6.3.2. Bom nước 3 pha
Hình 4. 41: Bơm nước TECO G-31-50 2P 1HP 0.75KW
Thông số kỹ thuật phù hợp với biến tần 0.75KW
Thông số kỹ thuật:
- Mã: G-31-50
- Công suất: 0.75kw = 1Hp
- Điện áp: 3 pha 380V - Tốc độ: 2P-2900
- Lưu lượng: 12.8 – 19.2 m3/h
- Cột áp: 9.5 - 7 m
- Đường kính hút xả: 51-54 mm
- Thương hiệu: Teco
57
Chương 5. THI CƠNG THÍ NGHIỆM MƠ HÌNH 5.1. Viết chương trình cho PLC S7-1200 AC/DC/RL 5.1. Viết chương trình cho PLC S7-1200 AC/DC/RL
5.1.1. Hướng dẫn sử dụng phần mềm TiaportoV16 Bước 1: Chúng ta mở phần mềm và tạo dự án mới Bước 1: Chúng ta mở phần mềm và tạo dự án mới
Hình 5. 1: Tạo project mới cho dự án
Nhấp vào biểu tượng TIA Portal trên màn hình máy tính sau đó chọn “Create new projiect”.
Bước 2: Thêm thiết bị vào chương trình
Nhấp chuột vào ơ “Device & Networks” và nhấp vào “Add new device”.
Hình 5. 2: Tạo PLC mới cho dự án
Sau khi nhấp chuột vào ô “Add new device” sẽ hiển thị hộp thoại để lựa chọn thiết bị cần sử dụng cho đề án.
58
Tạo cấu hình cho thiết bị bằng cách chèn một CPU vào đề án: nhấp chuột vào CPU cần sử dụng, chọn loại CPU 1212 AC/DC/RL
59
Bước 3: Device view gán địa chỉ IP vào PLC.
Hình 5. 4: Đặt địa chỉ IP cho PLC
Bước 4: Thêm các module vào cấu hình
Hình 5. 5: Tạo module mở rộng Analog cho PLC
Để chèn module vào cấu hình phần cứng, ta lựa chọn module cần sử dụng trong danh mục phần cứng “Hardware catalog”, nhấp chuột vào “Controllers”, chọn “SIMATIC S7-
60
1200”, sau đó chọn kiểu modulE cần sử dụng và nhấp đơi chuột hay kéo module đó đến khe được tơ sáng.
Bước 5: Tiến hành mơ phỏng chương trình.
61
Nhấp vào biểu tượng mô phỏng
62
Như vậy ta đã mơ phỏng được chương trình PLC
Hình 5. 8: PLC ảo
63
5.1.2. Viết chương trình trên phần mềm TiaportoV16 5.1.2.1. Tạo các khối hàm cho hệ thống 5.1.2.1. Tạo các khối hàm cho hệ thống
Hình 5. 10: Các khối hàm
Chương trình gờm:
- 1 khối chương trình chính
- 2 chương trình con
- 1 chương trình ngắt
- 1 khối DB dữ liệu
5.1.2.2. Chương trình chính (Main)
64
Chương trình mặt định sẽ chạy chương trình Main.
Hình 5. 12: Chương trình Man bơm số 1
Network 1: Ở network này hệ thống sẽ gọi chương trình con Scale, chương trình này
65
Network 2: Ở network này chương trình con tính toán gọi bơm
Network 3: Ở network này là chương trình cấp điện cho ngõ ra của bơm số 1 gồm 2
chế độ như sau
Khi “data”.mode băng 1 chương trình sẽ chạy theo nhánh trên dựa vào tính hiệu của “data”.man bơm 1 , khi ta tác động “data”.man bơm 1 thì bơm sẽ được kích hoạt chạy. Chế độ này là chế độ Man của hệ thống
Khi “data”.mode băng 0 chương trình sẽ chạy theo nhánh dưới dựa vào tính hiệu của “data”.enable1 , khi ta tác động “data”.enable1 thì bơm sẽ được kích hoạt chạy. Chế độ này là chế độ Auto của hệ thống
Bơm nước khóa chéo bởi tính hiệu mực nước thấp.
Hình 5. 13: Chương trình Man bơm số 2
Network 4: Ở network này là chương trình cấp điện cho ngõ ra của bơm số 1 gồm 2
chế độ như sau
Khi “data”.mode băng 1 chương trình sẽ chạy theo nhánh trên dựa vào tính hiệu của “data”.man bơm 2 , khi ta tác động “data”.man bơm 2 thì bơm sẽ được kích hoạt chạy. Chế độ này là chế độ Man của hệ thống
Khi “data”.mode băng 0 chương trình sẽ chạy theo nhánh dưới dựa vào tính hiệu của “data”.enable2 , khi ta tác động “data”.enable2 thì bơm sẽ được kích hoạt chạy. Chế độ này là chế độ Auto của hệ thống
66
Network 6: Chương trình này có tác dụng chuyển đổi giá trị hiện thị Auto/Man trên
WinCC
Hình 5. 14: Chương trình hiển thị Auto Man trên WinCC
5.1.2.3. Chương trình Scale cảm biến (Scale)
Hình 5. 15: Chương trình Scale cảm biến
Network 1: Ở network này chương trình scale cho cảm biến áp suất, cảm biến áp suất
67
Giá trị ngõ vào là 0-5V tương ứng từ 0-3bar. Sô mặc định của nhà sản suất là 0- 10V tương ứng 0-27648, như vậy ta chia hai số 27648 ta được 13824.
Nhập vào các hàm Norm_X và Scale_X ta được giá trị ra là áp suất.
Network 2: Ở network này chương trình scale cho tín hiệu Analog điều khiển biến tần,
ngõ vào biến tần này được đấu nối vào chấn A0 của module mở rộng có địa chỉ là QW96
Giá trị ngõ ra là 0-10V tương ứng từ 0-50Hz. Sô mặc định của nhà sản suất là 0- 10V tương ứng 0-27648.
Nhập vào các hàm Norm_X và Scale_X ta được giá trị ra là áp suất.
5.1.2.4. Chương trình tính tốn gọi bơm
68
Network 1: Chương trình sẽ thực hiện như sau:
So sánh áp suát đọc về lớn hơn giá trị cài đặt max sẽ báo vượt ngưỡng So sánh áp suát đọc về lớn hơn giá trị cài đặt min sẽ báo ngưỡng thấp
Network 2: Thực hiện chạy nền bơm 1 khi có tính hiệu start
Network 3: Bơm số 2 sẽ chạy với ngưỡng nhỏ hơn ngưỡng cài đặt max.
69
5.1.2.5. Chương trình ngắt (Cyclic interrupt)
Hình 5. 17: Chương trình PID