1. Tớnh cấp thiết của đề tài
4.2.Thiết kế hệ thống điều khiển tự động cho mụ hỡnh dựng PLC S7-20 0.
* Sơ đồ hệ thống thủy lực.
Hỡnh 4.1: Sơ đồ nguyờn lý hệ thống thủy lực mụ hỡnh bơm thoỏt nước mỏ * Chức năng cỏc phần tử trong hệ thống.
- Trờn mụ hỡnh cú 2 bể chứa nước. Bể chứa phớa dưới tượng trưng cho bể chứa nước dưới lũ của mỏ. Bể chứa phớa trờn tượng trưng cho khu chứa nước phớa trờn của mỏ.
- VX1 là van xả để hồi nước của hệ thống bơm về bể chứa tạo ra sự cố kộo dài thời gian bơm, đồng thời kết hợp với van VX2 tạo ra sự cố tăng mức nước trong bể chứa.
- VNS1, VNS2, VNS3 là cỏc van năng suất 2 chiều dựng để khúa chặn dũng nước trong trường hợp sửa chữa cỏc thiết bị phớa sau.
- V1C1, V1C2, V1C3 Là cỏc van 1 chiều để ngăn khụng cho dũng nước chảy ngược về bơm.
- VM1, VM2, VM3 là cỏc van điện từ để mồi nước cho cỏc bơm trước khi khởi động.
- VC1.1, VC2.1, VC3.1 là cỏc van 1 chiều được lắp ngược chiều so với cỏc van V1C1, V1C2, V1C3 để bảo vệ cho cỏc van điện từ VM1, VM2, VM3.
- VSC1, VSC2, VSC3 là van 2 chiều dựng để tạo sự cố hở đường ống hỳt. Trong quỏ trỡnh bơm làm việc thỡ cỏc van này ở trạng thỏi khúa.
- VX2 là van 2 chiều để xả nước từ bể trờn xuống bể dưới, kết hợp với van VX1 tạo ra sự cố tăng lượng nước trong bể dưới.
- VĐ1, VĐ2, VĐ3 là cỏc van đỏy 1 chiều được lắp trờn đường ống hỳt. - B1, B2, B3 là cỏc bơm ly tõm cụng suất nhỏ.
4.2.2. Thiết kế cảm biến mức nước.* Sơ đồ nguyờn lý cảm biến mức. * Sơ đồ nguyờn lý cảm biến mức.
Hỡnh 4.2: Sơ nguyờn lý cảm biến mức * Nguyờn lý hoạt động của cảm biến mức nước.
Cảm biến mức nước như đó thiết kế hoạt động dựa trờn cơ sở so sỏnh để nhận biết sự thay đổi giỏ trị điện trở từ R=∞ tới R = Rnước.
Khi nước chưa chạm tới cỏc điện cực thỡ điện trở đo được giữa chỳng là R = . Lỳc này điện thế ở chõn (+) nhỏ hơn điện thế ở chõn (-) → đầu ra =0. Khi nước chạm tới điện cực thỡ R=Rnước. Lỳc này điện thế ở chõn (+) của bộ so sỏnh lớn hơn điện thế ở chõn (-) → đầu ra của bộ so sỏnh ở mức cao, tớn hiệu này được đưa đến đầu vào của bộ đệm U3 → đầu ra của bộ đệm ở mức cao sẽ kớch mở Tranzitor → cú dũng điện đi qua cuộn dõy rơ le → rơ le tỏc động đúng cỏc tiếp điểm thường mở, tiếp điểm này được đưa tới đúng điện vào đầu vào PLC để điều khiển chương trỡnh.
4.2.3. Xõy dựng yờu cầu cụng nghệ cho mụ hỡnh.* Sơ đồ cụng nghệ của mụ hỡnh. * Sơ đồ cụng nghệ của mụ hỡnh.
Hỡnh 4.3: Sơ đồ cụng nghệ của mụ hỡnh bơm thoỏt nước mỏ
- S1, S2, S3, S4 là cỏc cảm biến mức nước, nếu mức nước ≥ mức đặt cảm biến thỡ tiếp điểm thường mở sẽ đúng lại.
- Q1, Q2, Q3 là cỏc cảm biến lưu lượng, nếu lưu lượng chảy qua đường ống ≥ lưu lượng tỏc động của cảm biến thỡ tiếp điểm thường mở của cảm biến sẽ đúng lại. Cỏc cảm biến này thay thế cho cỏc cảm biến ỏp suất và cảm biến chõn khụng ngoài thực tế.
- VM1, VM2, VM3 là cỏc van mồi thường đúng (ở trạng thỏi khụng cú điện thỡ van sẽ khúa khụng cho nước chảy qua, khi được cấp điện thỡ van sẽ mở cho nước chảy qua).
- B1, B2, B3 là cỏc bơm.
- au/man là cụng tắc chuyển mạch chọn chế độ làm việc của hệ thống (chọn chế độ làm việc tự động hoặc bằng tay).
- on/off b1, on/off b2, on/off b3 là cỏc nỳt ấn cú đốn bỏo dựng để bật/tắt cỏc bơm tương ứng.
- ĐBL1, ĐBL2, ĐBL3 là cỏc đốn bỏo màu vàng sử dụng điện ỏp 220V dựng để bỏo trạng thỏi bơm đang gặp sự cố.
- Đ1, Đ2, Đ3 là cỏc đốn bỏo màu đỏ sử dụng điện ỏp 220V dựng để bỏo trạng thỏi bơm đang dừng hoạt động.
- VSN1, VNS2, VNS3 là cỏc van điện từ.
* Yờu cầu cụng nghệ đối với mụ hỡnh.
Hệ thống cú thể làm việc ở 2 chế độ (tự động hoặc bằng tay). Chọn chế độ làm việc cho hệ thống bằng cụng tắc chuyển mạch au/man.
+ Chế độ làm việc bằng tay.
Cỏc bơm và cỏc van điện từ được điều khiển bật tắt bằng cỏch ấn vào nỳt on, off tương ứng.
+ Chế độ tự động. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nếu nước trong bể chứa ngập trờn mức S2 hệ thống sẽ tự động điều khiển khởi động bơm 1, cứ sau 8 giờ (thời gian này cú thể thay đổi theo yờu cầu thớ nghiệm) thỡ đổi bơm 2 làm việc thay bơm 1, sau 8 giờ tiếp theo thỡ đổi bơm 3 làm việc thay bơm 2, sau 8 giờ tiếp theo thỡ bơm 1 lại làm việc thay bơm 3 (bơm 1, bơm 2 và bơm 3 làm việc luõn phiờn).
Nếu nước tiếp tục dõng lờn ngập mức S3 hệ thống sẽ tự động điều khiển cho bơm 1, bơm 2 hoạt động, sau 8 giờ thỡ bơm 3 làm việc thay bơm 1, sau 8 giờ thỡ bơm 1 làm việc thay bơm 2, sau 8 giờ thỡ bơm 2 làm việc thay bơm 3 (Bơn 1, bơm 2, bơm 3 làm việc luõn phiờn, tại mỗi thời điểm cú 2 bơm hoạt động).
Nếu nước tiếp tục dõng lờn ngập mức S4 hệ thống sẽ tự động bật cả 3 bơm làm việc liờn tục. Sau 20 phỳt (thời gian này cú thể điều chỉnh theo từng
trường hợp cụ thể) mà mức nước vẫn ngập trờn mức S4 thỡ sẽ tự động bỏo chuụng cảnh bỏo.
+ Chế độ khởi động, dừng.
Trước khi khởi động bơm nào thỡ van điện từ lắp trờn đường ống của bơm đú sẽ mở ra để mồi nước cho bơm, khi bơm làm việc thỡ van điện từ được đúng lại.
Trong quỏ trỡnh làm việc cỏc đốn bào trạng thỏi của bơm sẽ sỏng tương ứng với trạng thỏi làm việc của bơm.
Nếu nước trong bể chứa cạn dưới mức S1 thỡ hệ thống sẽ tự động dừng bơm.
Ngoài ra trong quỏ trỡnh giảng dạy thỡ yờu cầu cụng nghệ cú thể thay đổi tựy theo mức độ kiến thức của từng nhúm sinh viờn thực tập.
4.2.4. Lựa chọn thiết bị điều khiển.4.2.4.1. Giới thiệu chung về CPU 226 4.2.4.1. Giới thiệu chung về CPU 226
Bảng 4.1. Thụng số kỹ thuật của CPU 226
Thụng số CPU 226 CPU 226XP Tốc độ xử lớ (ms/phộp tớnh) 0.22 0.22 Bộ nhớ chương trỡnh (kb) 10 20 Bộ nhớ dữ liệu (kb) 24 48
Vựng biển nhớ 32byte (M0.0=>M31.7) 32byte (M0.0=>M31.7) Số đầu vào ra số
(DI/DO) 40 (24DI/16DO) + 2 AI 40 (24DI/16DO) + 1 AI Số đầu vào ra mở rộng
tối đa
AI/AO: (28AI và 7AO) hoặc 14AO
DI/DO: (128DI và 120DO)
AI/AO: (28AI và 7AO) hoặc 14AO
DI/DO: (128DI và 120DO)
Số Timer/Counter 256 Counter(16bit), 256 timer
256 Counter(16bit), 256 timer
Cổng truyền thụng 2 RS485 (MPI, PPI, COM)
2 RS485 (MPI, PPI, COM)
Nguồn điện 24VDC hoặc 220VAC, 50Hz
24VDC hoặc 220VAC, 50Hz
Pin nhớ 100h đến 200 ngày 100h đến 200 ngày
Bộ đếm tốc độ cao 4 bộ 32 bit(fmax=30kHz) +2 bộ 32 bit (fmax=200kHz) 4 bộ 32 bit(fmax=30kHz) +2 bộ 32 bit (fmax=200kHz) Cấp nguồn ra 24 VDC cú bảo vệ ngắn mạch 24 VDC cú bảo vệ ngắn mạch 4.2.4.2. Lựa chọn CPU
Đối với mụ hỡnh bơm thoỏt nước trong phũng thớ nghiệm như đó phõn tớch ở trờn gồm cú cỏc biến đầu vào/ra như hỡnh 4.4:
* Hệ thống gồm cú 16 tớn hiệu vào đú là:
- S1, S2, S3, S4 – Là cỏc tiếp điểm thường mở của cảm biến mức nước. - Start – Nỳt ấn khởi động hệ thống (sử dụng tiếp điểm thường mở). - Stop – Nỳt ấn dừng hệ thống (sử dụng tiếp điểm thường mở). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- RN1, RN2, RN3 – Là 3 tiếp điểm thường mở của rơ le nhiệt để bảo vệ quỏ tải cho cỏc động cơ bơm.
- ON/OFF1, ON/OFF2, ON/OFF3 – Là cỏc nỳt ấn bật tắt bằng tay tương ứng với 3 bơm.
- Au/Man – Là cụng tắc chọn chế độ làm việc của hệ thống. - Q1, Q2, Q3 – là cỏc cảm biến lưu lượng.
Hỡnh 4.4: Cấu trỳc phần cứng của hệ thống
* Hệ thống gồm cú 16 tớn hiệu ra đú là:
- KB1, KB2, KB3 – Là cỏc cuộn dõy điều khiển cấp điện cho 3 động cơ bơm.
- KB1.1, KB2.1, KB3.1 – Là cỏc cuộn dõy cấp điện cho 3 van điện từ để mồi nước cho cỏc bơm.
- CC – Là cuộn dõy cấp điện cho hệ thống chuụng cảnh bỏo.
- Đ1, Đ2, Đ3 – Là cỏc đốn bỏo màu đỏ (bỏo hiệu động cơ đang dừng hoạt động).
- ĐBL1, ĐBL2, ĐBL3 – Là cỏc đốn bỏo lỗi. - VNS1, VNS2, VNS3 – Là cỏc van điện từ.
Với những yờu cầu thiết kế nờu trờn, lựa chọn CPU 226 là phự hợp. CPU 226 với cỏc tớnh năng kỹ thuật đó nờu ở phần trờn cú 24 cổng vào và 16 cổng ra số onboard, cú giỏ thành phự hợp và đạt cỏc tiờu chuẩn làm việc trong hầm mỏ.
Cỏc tớn hiệu vào
Để thuận lợi cho việc lựa chọn cấu hỡnh hệ thống điều khiển, trong mục sau sẽ giới thiệu ghộp nối phần cứng giữa PLC S7-200 với hệ thống bơm thoỏt nước mỏ thụng qua cỏc cổng vào ra.
4.2.5. Thiết kế sơ đồ điện cho mụ hỡnh * Sơ đồ mạch lực của mụ hỡnh.
Hỡnh 4.5: Sơ đồ mạch lực của mụ hỡnh
Do mụ hỡnh mang tớnh chất mụ phỏng quỏ trỡnh hoạt động của hệ thống bơm thoỏt nước ngoài thực tế, để thuận tiện cho việc lắp đặt vận hành và sử dụng mụ hỡnh ta chọn cỏc động cơ bơm B1, B2, B3 là loại động cơ 1 pha cụng suất nhỏ Uđm=220vAC, cỏc van điện từ là sử dụng loại van D25; Uđm = 220v cụng suất nhỏ, vỡ vậy trong phần luận văn này khụng trỡnh bày phương phỏp tớnh chọn cỏc thiết bị trờn sơ đồ. Mụ hỡnh sử dụng điện ỏp xoay chiều 220v
* Sơ đồ mạch điều khiển của mụ hỡnh.
4.2.6. Thiết kế chương trỡnh điều khiển mụ hỡnh bơm thoỏt nước mỏ
4.2.5.1. Bảng xỏc định cỏc tớn hiệu vào/ ra
Ghộp nối giữa Cảm biến, cơ cấu chấp hành với cổng vào/ra của PLC S7-200 được biểu diễn ở bảng 4.2.
Bảng 4.2: Bảng đấu nối vào/ra giữa hệ thống bơm và PLC S7-200
Ghộp nối với cổng vào của PLC
STT Kớ hiệu Tờn thiết bị Kiểu
tiếp điểm
Ghộp nối với PLC
1 S1 Cảm biến đo mức nước NC DI
2 S2 Cảm biến đo mức nước NO DI
3 S3 Cảm biến đo mức nước NO DI
4 S4 Cảm biến đo mức nước NO DI
5 Start Nỳt bấm khởi động NO DI (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
6 Stop Nỳt bấm dừng NC DI
7 RL 1 Rơ le bảo vệ bơm B1 NC DI
8 RL 2 Rơ le bảo vệ bơm B2 NC DI
9 RL 3 Rơ le bảo vệ bơm B3 NC DI
10 ON/OFF1 Nỳt ấn ĐK bơm B1 NO DI
11 ON/OFF2 Nỳt ấn ĐK bơm B2 NO DI
12 ON/OFF3 Nỳt ấn ĐK bơm B3 NO DI
13 AU/MAN Cụng tắc chọn chế độ auto/man NO DI
14 Q1 Cảm biến lưu lượng 1 NO DI
15 Q2 Cảm biến lưu lượng 2 NO DI
16 Q3 Cảm biến lưu lượng 3 NO DI
Ghộp nối với cổng ra của PLC STT Kớ hiệu Tờn thiết bị Kiểu tiếp điểm Ghộp nối với PLC
1 KB1 Cuộn dõy rơ le điều khiển bơm B1 NO DO
2 KB2 Cuộn dõy rơ le điều khiển bơm B2 NO DO
3 KB3 Cuộn dõy rơ le điều khiển bơm B3 NO DO
5 KB2.1 Cuộn dõy rơ le điều khiển bơm mồi 2 NO DO 6 KB3.1 Cuộn dõy rơ le điều khiển bơm mồi 3 NO DO
7 CC Cuộn dõy rơ le điều khiển chuụng NO DO
8 Đ1 Đốn bỏo B1 đang dừng NO DO
9 Đ2 Đốn bỏo B2 đang dừng NO DO
10 Đ3 Đốn bỏo B3 đang dừng NO DO
11 ĐBL1 Đốn bỏo lỗi bơm 1 NO DO
12 ĐBL2 Đốn bỏo lỗi bơm 2 NO DO
13 ĐBL3 Đốn bỏo lỗi bơm 3 NO DO
14 VNS1 Cuộn dõy rơ le điều khiển van năng suất 1
NO DO
15 VNS2 Cuộn dõy rơ le điều khiển van năng suất 2
NO DO
16 VNS3 Cuộn dõy rơ le điều khiển van năng suất 3
NO DO
• Địa chỉ Vào/Ra cho cỏc cổng được biểu diễn trong bảng địa chỉ hỡnh thức (bảng 4.3) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bảng 4.3: Bảng gỏn địa chỉ vào/ra cho cỏc cổng địa chi hỡnh thức
Địa chỉ cổng DI
STT Tờn cổng Địa chỉ Kiểu dữ liệu Chức năng
1 S1 I0.0 BOOL Đọc mức nước 1
2 S2 I0.1 BOOL Đọc mức nước 2
3 S3 I0.2 BOOL Đọc mức nước 3
4 S4 I0.3 BOOL Đọc mức nước 4
5 Start I0.4 BOOL Nỳt khởi động hệ thống
6 Stop I0.5 BOOL Nỳt dừng hệ thống
7 RL 1 I0.6 BOOL Rơ le bảo vệ bơm B1
8 RL 2 I0.7 BOOL Rơ le bảo vệ bơm B2
9 RL 3 I1.1 BOOL Rơ le bảo vệ bơm B3
10 ON/OFF1 I1.2 BOOL Nỳt bấm điều khiển bơm
1
11 ON/OFF2 I1.3 BOOL Nỳt bấm điều khiển bơm
12 ON/OFF3 I1.4 BOOL Nỳt bấm điều khiển bơm 3
13 AU/MAN I1.5 BOOL Cụng tắc chọn chế độ
14 Q1 I1.0 BOOL Cảm biến lưu lượng 1
15 Q2 I1.6 BOOL Cảm biến lưu lượng 2
16 Q3 I1.7 BOOL Cảm biến lưu lượng 3
Địa chỉ cổng DO
STT Tờn cổng Địa chỉ Kiểu dữ liệu Chức năng
1 KB1 Q0.0 BOOL Điều khiển bơm 1
2 KB2 Q0.1 BOOL Điều khiển bơm 2
3 KB3 Q0.2 BOOL Điều khiển bơm 3
4 KB1.1 Q0.3 BOOL Điều khiển van mồi 1
5 KB2.1 Q0.4 BOOL Điều khiển van mồi 2
6 KB3.1 Q0.5 BOOL Điều khiển van mồi 3
7 CC Q0.6 BOOL Chuụng cảnh bỏo
8 Đ1 Q0.7 BOOL Đốn bỏo B1 đang dừng (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
9 Đ2 Q1.0 BOOL Đốn bỏo B2 đang dừng
10 Đ3 Q1.1 BOOL Đốn bỏo B3 đang dừng
11 ĐBL1 Q1.2 BOOL Đốn bỏo lỗi bơm 1
12 ĐBL2 Q1.3 BOOL Đốn bỏo lỗi bơm 2
13 ĐBL3 Q1.4 BOOL Đốn bỏo lỗi bơm 3
14 VNS1 Q1.5 BOOL Van năng suất 1
15 VNS2 Q1.6 BOOL Van năng suất 2
16 VNS3 Q1.7 BOOL Van năng suất 3
4.2.5.2. Thiết kế chương trỡnh điều khiển
b) Thiết kế lưu đồ điều khiển.
Hệ thống bơm thoỏt nước mỏ cú khả năng làm việc ở hai chế độ tự động (Auto) và bằng tay (Man). Trong chế độ tự động hệ thống hoạt động theo nhiều qui trỡnh khỏc nhau phụ thuộc vào mức nước trong mỏ được đo bằng cỏc cảm biến CB1, CB2,...,CB4, do vậy chương trỡnh điều khiển được thiết kế theo phương phỏp lập trỡnh cú cấu trỳc. Cỏc Module chức năng được thiết lập như sau:
- SUB1: chế độ làm việc tự động (Auto) - SUB2: chế độ làm việc bằng tay (Man) - SUB3: Auto1
- SUB4: Auto2 - SUB5: Auto3 - SUB6: Bỏo lỗi
Cấu trỳc toàn bộ chương trỡnh điều khiển được tổ chực theo cơ cấu hỡnh cõy và được biểu diễn trong hỡnh vẽ 4.13:
Hỡnh 4.8: Lưu đồ điều khiển chương trỡnh auto (SUB1)
* Thiết kế lưu đồ điều khiển Auto1
Khi cảm biến S2 cú giỏ trị logic bằng 1 thỡ bơm B1, B2 và B3 hoạt động luõn phiờn trong 8 giờ. Nếu bơm nào hỏng sẽ lập tức được thay thế. Lưu đồ chương trỡnh Auto1 được biểu diễn ở hỡnh 3.4, hỡnh 3.5, hỡnh 3.6 cho cỏc trường hợp cụ thể như sau:
Hỡnh 4.9: Lưu đồ điều khiển chương trỡnh Auto 1
* Thiết kế lưu đồ điều khiển Auto 2
Khi cảm biến S3 cú giỏ trị logic bằng 1 thỡ bơm B1 và bơm B2 làm việc, sau thời gian đặt trước (8 giờ) bơm B1 dừng, bơm B2 và B3 làm việc, sau 8 giờ tiếp theo thỡ bơm B2 dừng, bơm B1 và bơm B3 làm việc, sau 8 giờ tiếp theo bơm B3 dừng, bơm B1 và bơm B2 làm việc, 8 giời tiếp theo quỏ trỡnh được lặp lại như ban đầu cho đến khi giỏ trị của cảm biến S1 = 0. Lưu đồ chương trỡnh Auto 2 được biểu diễn ở hỡnh vẽ cho cỏc trường hợp cụ thể như