Chương 4 THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM, MƠ HÌNH
4.2. Xây dụng tủ điều khiển
4.2.1. Thống kê ngõ vào ngõ ra. STT Chức năng Loại STT Chức năng Loại Ngõ Tên ngõ vật lý Ghi chú 1 Trạng thái chạy bơm 1 Ngõ vào
I0.0 Được lấy trực tiếp tại Contactor
2 Trạng thái chạy bơm 2
Ngõ vào
I0.1 Được lấy trực tiếp tại biến tần
3 Cảm biến mực
nước
Ngõ vào
I0.2 Được lấy tại cảm biến
4 Cảm biến áp suất nước
Ngõ vào Analog
IW64 Được lấy tại cảm biến
5 Kích chạy bơm
1
Ngõ ra Q0.0 Đấu nối vào contactor
6 Kích chạy bơm
2
Ngõ ra Q0.1 Đấu nối vào relay trung gian
7 Tạo điện áp 0 - 10V
Ngõ ra Analog
QW92 Đấu nối vào biến tần
23
4.2.2. Thiết kế bản vẽ mạch điều khiển.
24
Mạch điều khiển được chia ra 4 thành phần chính như sau:
- Mạch cấp nguồn cho hệ thống: Được cấp nguồn thông qua CB Q01 trước khi cấp nguồn cho thiết bị, mục đích bảo vệ ngắn mạch và quá tải cho hệ thống.
Hình 4. 3: Sơ đồ mạch cấp nguồn.
- Mạch ngõ vào Digital Input và Analog Input: Trong mạch Digital Input , chúng ta lấy các tính hiệu mực nước thấp, tín hiệu bơm chạy. Trong mạch Analog Input chúng ta lấy tín hiệu áp suất nước, cảm biến áp suất xuất ra tín hiệu 1-5V tương ứng 0-3 bar, tính hiệu này được chuyển vào PLC qua ngõ AI0.
25
Hình 4. 4: Sơ đồ mạch ngõ vào Digital và Analog
- Mạch ngõ ra Output: Trong mạch ngõ ra chúng ta thấy có các tiếp điểm Auto và Man, đây chính là tiếp điểm của Switch gạt, khi gạt qua Auto thì mạch sẽ được điều khiển thơng qua PLC, nếu gạt qua Man thì mạch sẽ chạy cưỡng bức.
26
- Mạch ngõ ra Analog Output: Trong mạch ngõ ra Analog chúng ta thấy module analog PLC sẽ đấu vào chân 0-10V biến tần, module này sẽ xuất tín hiệu 0-10V của biến tần, tương ứng tần số ngõ ra là 0-50Hz
27
4.2.3. Thiết kế bản vẽ mạch động lực.
Hình 4. 7: Sơ đồ mạch động lực
Mạch động lực được chia ra 2 thành phần chính như sau:
- Mạch động lực cho bơm 1 pha: Động cơ được bảo vệ bởi CB Q01 , được điều khiển thơng qua contactor K1, khi contactor đóng thì bơm chạy và nược lại bơm sẽ dừng
- Mạch động lực cho bơm 3 pha: Biến tần được bảo vệ bở CB Q01 , biến tần được điều khiển thông qua relay R1, và tín hiệu analog 0-10V, khi relay đóng và
28
analog PLC cấp cho biến tần 0-10V tương ứng 0-50 Hz thì bơm sẽ chạy ngược lại bơm sẽ dừng.
4.2.4. Thiết kế bản vẽ bố trí thiết bị tủ điện.
Hình 4. 8: Sơ đồ bố trí mặt ngồi tủ điện
Chúng ta có thể thấy người mặt tủ được được bố trí các thiết bị như sau:
29
- Switch gạt Auto/Man để người vận hành tùy chỉnh 2 chế độ - Đèn báo ON(màu xanh) và OFF(màu đỏ)
30
4.2.5. Chọn thiết bị đấu nối tủ điện
4.2.5.1. Chọn CB cấp nguồn cho hệ thống. Hình 4. 10: CB cấp nguồn cho hệ thống. Thông số kỹ thuật: Số cực: 2P Dòng điện định mức: 10A Dòng cắt ngắn mạch: 6kA Điện áp định mức: 230V
Công dụng: CB khá quang trọng trong hệ thống, nó giúp ta bảo vệ các sự cố
31
4.2.5.2. Chọn bộ máng cáp.
Hình 4. 11: Máng cáp 25x25
Thống số kỹ thuật: Máng cáp 25x25
Cơng dụng: Máng cáp có cơng dụng giúp ta bố trí dây điện vào bên trong giúp
tủ gọn và thẩm mỹ hơn, tủ điện sẽ dễ sửa chữa hơn
4.2.5.3. Chọn relay.
Hình 4. 12: Relay trung gian
Thống số kỹ thuật:
Relay Trung GianRelay 10A 8 chân là thiết bị điện dùng để đóng cắt mạch điện điều khiển
32
Điện áp chịu: 220VAC,Dịng max: 10A
Cơng dụng: Chuyển điện áp 220V của PLC sang tiếp điểm để đóng ngắt mạch biến
tần. 4.2.5.4. Chọn contactor. Hình 4. 13: Contactor Simens Thơng số kỹ thuật: Số cực : 3 Dòng định mức : AC1/AC3 : 22A/12A Điện áp cuộn hút : 230VAC – 50/60Hz Tiếp điểm phụ : 1NO
Dùng cho động cơ 3 pha : 5.5KW/400V
33
4.2.5.5. Chọn tủ điện.
Hình 4. 14: Tủ điện
Thơng số kỹ thuật: Vỏ tủ điện công nghiệp 300x400x210mm, dày 1.2mm
Công dụng: Bố trị thiết bị vào bên trong tủ, mặt tủ có chức năng chứa các nút và đèn
báo.
4.2.5.6. Chọn đèn báo
Hình 4. 15: Đèn báo nguồn
Thông số kỹ thuật:
- Kích thước Phi 22 - Điện áp: 220VAC
34
- Dòng tiêu thụ: Nhỏ hơn 20mA.
- Tuổi thọ: Trên 100.000 giờ sáng liên tục.
Công dụng: Báo nguồn hoặc báo trạng thái bơm. 4.2.5.7. Dây dẫn điện
Hình 4. 16: Dây dẫn điện
Thông số kỹ thuật:
Cấp điện áp U0/U: 0,6/1 kV Điện áp thử: 3,5 kV (5 phút).
Tiết diện 0.6 mm2
35
4.2.5.8. Chọn Switch Auto/Man
Hình 4. 17: Switch 3 vị trí
Thông số kỹ thuật:
- Công Tắc Xoay 3 Vị Trí
- Các tủ điện công nghiệp, tủ điện dân dụng
Công dụng : Chuyển đổi chế độ Auto Man trên mặt tủ 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 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 nguồn 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 cơng 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
- Cơng 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